太陽能熱水系統建筑一體化設計問題探討

林曉云 遲增偉

根據濟南市2013年11月頒布的《關于高層建筑推廣應用太陽能熱水系統的實施意見》，決定自2014年起，市域內100米以下新建、改建、擴建的住宅和集中供應熱水的公共建筑，一律設計安裝使用太陽能熱水系統。機關辦公、公益性、保障房、單體2萬平米以上公建將強制執行綠色建筑評價標準。這些舉措都意味著太陽能建筑一體化設計將成為未來設計工作的一個重要組成部分。

理想的太陽能建筑一體化，即太陽能與建筑完全融為一體，如果去掉太陽能裝置，建筑也不再完整，但這樣的理想狀態在現階段很難實現。現在最常用的是將太陽能熱水器的安裝與建筑設計相結合，在建筑設計中就將太陽能熱水器的安裝位置、荷載及管道考慮在其中，使用戶使用太陽能熱水器就像用空調一樣方便。此外，還應做好防雷、抗風等措施，同時處理好建筑的外觀立面。

1 太陽能熱水系統分類及特點

太陽能熱水系統按供熱水范圍可分為三種：

1.1 分散供熱水系統

分散供熱水系統是采用分散的太陽能集熱器和分散的貯水箱供給各個用戶所需熱水的小型系統。其中，分散供熱水系統按系統運行方式主要包括以下三種：

1.1.1 自然循環直接系統

自然循環直接系統又叫做直插式普通熱水器，他是集熱器和水箱結合在一起的整體式系統，其工作原理是在太陽能集熱器中直接加熱水給用戶的太陽能熱水系統。集熱器與水箱不分離，是太陽能熱水器早期的一種應用形式，至今仍在多層建筑中廣泛應用。

優點：①樓頂集中放置，采光效果好，太陽能利用率高；②產品結構簡單，技術成熟，運行穩定；③系統配件普及，便于維護，產品價格低廉；④無需專門計量，可以個性化使用，便于物業管理。

缺點：①冷水頭長；②冷熱水有壓差；③管道多；④屋面占用空間大；⑤獨立使用，熱量得不到共享。

自然循環直接系統適用于中小城市、鄉鎮及鄉村的單層和多層住宅。

1.1.2 自然循環間接系統

自然循環間接系統一般指分體式自然循環系統，該系統集熱器中的傳熱工質和水箱中的水是相互獨立的，通過換熱器將水箱中的水加熱，其工作原理是利用傳熱工質內部的溫度梯度產生的密度差所形成的自然對流進行反復循環，從而將水箱中的水加熱。為了保證必要的熱虹吸壓頭，貯水箱應高于集熱器上部。集熱器可以安裝在墻壁、陽臺等位置，能夠實現太陽能集熱器與建筑的完美結合，它代表了太陽能熱水器的發展方向，并且應用也越來越廣泛。

優點：壁掛式分體太陽能可用于高層住宅，且分戶統一安裝，建筑立面整齊劃一。這種系統結構簡單，不需要附加動力，控制簡單，易于安裝，維修方便。

缺點：①前樓遮擋；②影響立面；③投資高

自然循環間接系統適用于多層和高層住宅。

1.1.3 強制循環間接系統

強制循環間接系統主要是指分體式強制循環承壓系統，該系統水箱與集熱器相互獨立，利用水箱中的換熱器進行熱交換，使用循環泵和溫差控制進行循環。

優點：強制循環分體式太陽能可全面解決別墅大量使用生活熱水的需求；承壓運行設計、全自動控制系統、使用方便；采用密閉雙循環技術運行，干凈無細菌；安全提供熱水，配有壓力溫度雙重安全閥。

缺點：由于集熱器水箱分離和必須采用承壓水箱方式，水箱工藝要求高，成本較高。

強制循環間接系統適用于多層、高層住宅，尤其適合別墅建筑。

1.2 集中-分散供熱水系統

集中-分散供熱水系統是采用集中的太陽能集熱器和分散的貯水箱供給一幢建筑物所需熱水的系統。該系統是一種間接式太陽能系統，屋面集中的集熱器陣列與所有室內的分戶換熱水箱循環換熱，陰天時可啟動水箱內電加熱管輔助加熱。

優點： ①用水無需單獨計量；②熱水舒適度高；③故障率低；④運行費用低；⑤不需要蓄熱水箱，減輕樓面承重。

缺點：間接換熱影響熱效率，需要增加集熱面積。當分戶水箱與集熱器管路不能實現同程時，會出現短路循環各水箱冷熱不均，樓層越高分戶越多越難一致。每個水箱需要獨立的斷開水路控制功能，防止電加熱時將熱量傳走。必要時需增加智能控制系統實現分戶水箱合理的熱量分配。

系統綜述：系統運行中太陽能是免費的，運行能耗是付費的。每天運行中由于用戶隨機使用熱水，所以很多時間段運行能耗是浪費的，輔助加熱是無用的，在全年運行中，冬季輔助加熱費用又會劇增，所以24小時供熱水系統不是效率最高最節約的系統。

1.3 集中供熱水系統

集中供熱水系統是采用集中的太陽能集熱器和集中的貯水箱供給一幢或幾幢建筑物所需熱水的系統。該系統是一種直接式太陽能熱水系統，也是節能優化型太陽能熱水系統。

目前大多數公共建筑，尤其是高層公共建筑都采用此系統，該系統中太陽能集熱器采用集中陣列放置于樓頂，集中集熱；蓄熱水箱依照現場情況可放置于屋頂或者地下室，集中儲熱。根據用水需要可以選擇單水箱、雙水箱或者水電隔離模式，采用增壓泵將水箱中的熱水供到各用水點。

該系統可分為以下幾種模式：

（1）單水箱模式：單水箱模式常用于需要定時供熱水的學校、賓館、職工宿舍等場所。

（2）雙水箱模式：在需要24小時供熱水的醫院、高檔賓館、酒店中一般采用雙水箱模式。

優點：①熱水共享；②技術成熟；③用熱水檔次高；④系統結構簡單、效率高，布置方式靈活，集熱器統一安裝在樓頂，不受樓間距影響，室內沒有任何設備，節省戶內空間，與建筑一體化程度高；⑤投資成本適中，效費比高，可以使用廉價熱源進行輔助加熱，如燃氣、集中供暖等。

缺點：①當太陽能設計水量小于每日需求量時，輔助加熱成本會劇增，造成熱水成本高；

②當太陽能系統管路太長時，管路熱損加大了運行費用，造成熱水成本高；③在居住建筑中，當承諾24小時供熱水，但入住率低時，使用熱水率低，收支不平衡造成虧損；④熱水需要專門計量、收費，增加物業管理難度。

系統綜述：該系統在高級賓館應用已久，技術成熟，設備定型，在輔助熱源的配套下通過智能控制可以實現目標要求。該系統屬于高檔配套，熱水獨立收費。

2 建筑設計要求

2.1 規劃設計原則

對于應用太陽能建筑一體化的建筑來說，符合生態理念的規劃設計，是充分利用太陽能的基礎。從建筑基地的選擇到建筑群體布局、日照間距、朝向以及地形的利用等方面，都應遵循爭取冬季最大日照的原則。

2.2 建筑設計要求

如果把太陽能作為后期添加的設備隨意安裝，不僅在造型上很難與建筑結合，影響美觀，而且容易破壞建筑結構和設備系統。因此，在建筑設計之初就要做好統籌規劃，使太陽能成為建筑不可缺少的一部分。

3 應用實例

3.1 悉尼奧運游泳館

悉尼奧運游泳館是悉尼奧運會的游泳比賽場地，包括一個露天的50m海水標準泳池和一個室內的25m淡水訓練泳池。游泳池的供熱系統采用4套系統相配合，太陽能供熱系統、水源熱泵系統、天然氣鍋爐和空調系統。其中太陽能熱水系統和水源熱泵系統的投資為50萬澳元，國家補助25萬澳元。太陽能熱水系統的集熱板面積為500㎡，集熱板放在室內游泳館的屋頂，伸出部分用作看臺遮陽頂，集熱板與屋頂的結合非常實用巧妙。

夏天，僅用太陽能熱水系統即可滿足游泳池的需要，冬天，太陽能熱水系統可提供約30%的熱量，太陽能和熱泵系統基本可滿足泳池的供熱需求；天然氣鍋爐只為特殊天氣設計，例如冬天特別寒冷的時候；而第四套供熱系統空調系統是為極端天氣設計的，是為了保證系統的絕對可靠，啟動的機會很少。