太陽能熱水系統在杭州某住宅小區中的應用

邱玉琴 呂寶瑩

[摘要]本文闡述了太陽能熱水系統的分類及適用范圍，并以杭州市某住宅小區為工程實例，介紹了集中集熱分散供熱水系統的系統工作原理、控制方法及設計計算過程。

[關鍵詞]太陽能;集熱板;熱水系統

一、引言

太陽能作為取之不盡用之不竭的清潔能源，如果能對太陽能加以合理的使用，可以為人們的日常生產生活提供很大的便利。太陽能熱水系統是以太陽能為熱源制備生活熱水，并通過管路將熱水輸送到用水點的系統，具有節能、環保、節約運行費用等優點，越來越得到人們的青睞。我國很多省市對新建建筑設置太陽能熱水系統都有相關規定，比如在浙江省，低于12層（含12層）的新建住宅小區需每戶設置太陽能熱水系統，高于12層的新建住宅小區逆六層住戶需設太陽能熱水系統。這些相關規定使太陽能熱水系統的應用范圍越來越廣。

二、太陽能熱水系統的分類

太陽能熱水系統按集熱與供熱水的關系可分為三類：集中集熱集中供熱水系統，集中集熱分散供熱水系統，分散集熱分散供熱水系統。

1，集中集熱集中供熱水系統：采用集中的太陽能集熱器和集中的儲熱水箱供給建筑物所需熱水的系統，熱水通過熱水管網直接供給用戶，用戶末端裝熱水計量表計量收費。該系統的優點是集中控制、統一管理，系統集熱效率高。缺點是需要解決熱水計量收費的問題，同時要解決熱水管網的熱平衡問題。

2，集中集熱分散供熱水系統：采用集中的太陽能集熱器和分散的儲熱水箱供給各個用戶所需熱水的系統。該系統的優點是提供給用戶的是熱量而不是熱水，用戶不需要繳納熱水費用，解決了收費問題。缺點是該系統會增加后期物業管理的工作和費用，開發商會有所顧慮。

3，分散集熱分散供熱水系統：采用分散的太陽能集熱器和分散的儲熱水箱供給給各個用戶所需熱水的系統。該系統的優點是用戶獨立控制，不需要物業管理。缺點是如果太陽能集熱板都安裝在屋頂的話，從屋頂至各用戶的熱水管數量很多，需要解決熱水管安裝問題。如果太陽能集熱板分散安裝在各戶的話，樓宇間距較密時，底層用戶的日照時間太短，太陽能熱水系統使用會受影響。

在高層住宅建筑中，集中集熱集中供熱水系統由于存在儲水水箱過大，高層住宅需分區供水及熱水計量收費困難等問題，一般不采用。另外兩個系統，可綜合考慮高層住宅的實際情況以及業主需求進行選擇。

三、工程實例

1，工程概況

本工程為杭州市區內的一個住宅項目，總用地面積46069平方米，總建筑面積為151629平方米，主要由14棟17層住宅以及一個大地下室組成，每棟住宅一層四戶，總共952戶。根據業主需求，每棟住宅逆8層，共448戶需設置太陽能熱水系統。

2，系統選擇

經過方案論證和辯選，該項目選用集中集熱分散供熱水系統。太陽能集熱器集中安裝在屋面上，集熱器收集太陽能儲存在屋頂的太陽能儲熱緩沖水箱中，通過太陽能循環水泵將熱量輸送至每戶人家的熱水箱中，通過水箱內的銅盤管對熱水箱中的水進行加熱。

3，系統工作原理

太陽能儲熱緩沖水箱的設置：每個單元出屋面的樓梯間內設置一個獨立的緩沖水箱，水箱體積200L，通過高區生活水管對緩沖水箱進行補水，以補充循環過程中的水量損失。

分戶水箱的設置：根據住宅用水量的要求，每戶設計儲熱水箱，水箱通過內置換熱盤管接收太陽能熱量來加熱水，每臺水箱設置燃氣加熱，在沒有太陽能的情況下，可以采用燃氣輔助加熱。

控制器的配置：整個系統的控制分為總控制器和分戶控制器，其中總控制器安裝在屋頂樓梯間休息平臺，分戶控制器安裝在每戶的熱水箱附近。

系統控制原理：

（1）循環泵控制原理：每日太陽輻射達到一定強度時，集熱器出水溫度T1開始上升，當集熱器出水溫度T1與集熱器進水溫度T2的溫差達到8℃時，循環水泵啟動，將集熱器內的高溫水儲存至緩沖水箱，當溫差降至4℃時，循環水泵關閉。

（2）電動閥控制原理：當緩沖水箱溫度達到60℃時，電動閥關閉，此狀態下若循環泵啟動，則進行整個環路循環，即太陽能集熱板收集的熱量通過熱媒管輸送到各用戶內的儲熱水箱中。當緩沖水箱溫度降至50℃時，電動閥打開，此狀態下僅進行集熱循環，即集熱板收集的熱量僅輸送至設置在屋頂的緩沖水箱中。通過電動閥的啟閉，可有效減少管道的熱損失。

（3）防熱倒流控制：在換熱循環進戶管段安裝電磁閥，當熱媒循環管道的溫度高于用戶內儲熱水箱溫度4℃時，電磁閥打開進行換熱;當溫差小于等于0℃時，電磁閥關閉，從而防止儲熱水箱內的熱量倒流至熱媒管中。

（4）輔助熱源：用戶內的儲熱水箱上安裝燃氣加熱裝置，在陰雨天氣沒有太陽時，啟動燃氣加熱裝置加熱水。

（5）系統保溫：熱水管采用聚氨酯保溫管，這種水管由無縫鋼管層、聚氨酯保溫層和高密度聚乙烯保護層3層組成，熱損耗僅為傳統管材的25%。

（6）系統防凍：采用落水排空的方法防凍，即當水泵停止的同時，集熱器和循環管路的水由于重力作用，全部落回到供水箱內。

集中集熱分散供熱水系統的原理圖參見圖1.

圖1 ? 集中集熱分散供熱水系統原理圖

4，太陽能設計計算

（1）設計參數

年日照時數：杭州市年日照時數1800～2100小時，設計取1950小時

年平均溫度：杭州市年平均溫度15.3℃～17℃，設計取16℃

太陽輻射角：杭州市太陽輻射角30度，太陽能集熱板安裝角度為30度

年平均日太陽輻射量：杭州市年平均日太陽輻射量1.19×104kJ/m2～1.23×104kJ/m2，設計取1.21×104kJ/m2

集熱器規格：2m×1m

（2）集熱器總面積計算

以其中一棟住宅為例，每層4戶，8層共32戶設置太陽能，按每戶3人計算，用水人數約96人。

m：用水計量單位數（人數或床位數），m=96;

qr ：熱水用水定額，L/（人？d），根據GB50015-2003《建筑給水排水設計規范》 （2009年版）表5.1.1，取下限，即qr=60;

c：水的比熱，取c=4.187 kJ/（kg. ℃）

tr：熱水溫度，tr=60℃ ;

tl：冷水溫度，根據GB50015-2003《建筑給水排水設計規范》（2009年版）表5.1.4，取tl=5℃ ;

ρr：熱水密度，1 kg/L;

f：太陽能保證率，一般在50%～60%之間，設計取f=0.5

Jt：集熱器采光面上年平均日輻射量，Jt=1.21×104kJ/m2

ηj：集熱器年平均集熱效率，按集熱器產品實測數據確定，經驗值為45%～50%，設計取下限，即ηj=0.45

ηl：儲水箱和管路的熱損失率，根據經驗值取20%～25%，設計取ηl=0.20

計算得Ajz=137m2，集熱器規格為2m2一塊，共需69塊集熱器，集熱器總面積為138m2。

四，結語

隨著社會對節能要求的不斷提高，太陽能熱水系統作為節約能源的一種有效措施，應用范圍也越來越廣，已成為整個居住建筑設計的重要組成部分。在太陽能熱水系統的設計過程中，系統選擇、產品選用應符合建筑功能和建筑設計要求，要讓太陽能集熱器作為建筑的組成元素，與建筑有效結合，和諧共存，做到造型美觀、經濟適用，真正服務于居民生活。