淺談北京住宅太陽能生活熱水系統設計

陳晶晶

【摘要】近年來，太陽能熱水系統普遍應用于住宅建筑設計中。太陽能取之不盡、用之不竭、清潔并可再生，是未來主要能源之一。它屬于每個人的能源，只要有場地與設備，任何人都可免費使用它。正常的太陽能熱水器是不易損壞，壽命至少在十年以上，甚至有到二十年的，因為基本熱源為免費的太陽能，所以使用它十分符合經濟成本效益。

【關鍵詞】太陽能熱水系統；集熱器；儲熱水箱

一、北京市對太陽能熱水系統的規定

北京市對太陽能熱水系統要求，根據《北京市太陽能熱水系統城鎮建筑應用管理辦法》的通知京建法〔2012〕3號文中規定：

1、城鎮公共建筑和7至12層的居住建筑，應設置集中式太陽能集熱系統。

2、13層以下的居住建筑，當屋面能夠設置太陽能集熱器的有效面積大于或等于按太陽能保證率為50%計算的集熱器總面積時，應設置集中式太陽能集熱系統。

3、13層以上的居住建筑，當屋面能夠設置太陽能集熱器的有效面積小于按太陽能保證率為50%計算的集熱器總面積時，應采取集中式與分散式相結合的太陽能集熱系統，亦可采用集中式太陽能集熱系統與空氣源熱泵相結合的熱水系統。

4、6層以下的居住建筑可選用集中式或分散式太陽能熱水系統。

輔助熱源應當選用城市熱網、燃氣或低谷電；必須采用普通電時宜采用分散輔助熱源形式。

北京市住建委《關于進一步提高住宅節能標準的請示》中，要求北京地區住宅強制采用太陽能熱水系統

① 12層及其以下的住宅和12層以上Fwx ≥Ajz的住宅，應設置供應樓內所有用戶的太陽能熱水系統。

Fwx屋面能夠設置集熱器面積的有效面積

Ajz 計算集熱器總面積

無南向遮擋的平屋面和南向坡屋面的最小投影面積不小于計算集熱器總面積的Ajz2.5倍

②太陽能熱水系統必須與建筑設計和施工統一同步進行

集中生活熱水系統應設循環加熱系統，本條包括太陽能系統輔助熱源的加熱設備。

二、住宅太陽能熱水系統設計實例

筆者以北京金地通州金地格林小鎮商品房14#號樓為例，淺談住宅太陽能熱水系統的設計，對住宅建筑應用的幾種太陽能熱水系統做個對比及總結。14號樓共18層，兩個單元組成，每個單元每層4戶，共計72戶，每戶2.8人，每個單元共計202人。太陽能熱水系統按一個單位一套系統設計。本樓共計兩套太陽能熱水系統。

1、太陽能生活熱水系統形式比較

1.1系統特點-集中集熱、集中儲熱

優點：

①可以實現熱水資源共享，系統不受樓層高低限制

②只有一個系統，運行可靠，上樓維修率低

③輔助熱源選擇種類較多

④造價較低

缺點：

①增加熱水計量裝置，如果入住率低，采用不合適的輔助能源時，則物業運營困難，易出現天價水費。

②太陽能熱水的成本隨天氣陰晴和季節不同而變化，運行過程中熱水成本變化較大。

③冷熱水供應方式不同，需考慮冷熱水壓力平衡措施

④集中儲熱水箱體積較大，占地面積大，如放置在屋頂，需建筑提供水箱間及增加屋頂結構荷載，如放置在地下室，需建筑物提供地下室水箱間且會增加供水泵的投資。

1.2系統特點-集中集熱、分戶儲熱

優點：

①各用戶使用自家水箱里的熱水和輔助熱源，不存在單獨計量收費的問題，物業無負擔。

②便于物業管理，系統運行成本與入住率關系很小。

③室內水箱承壓運行，采用頂水出水方式供熱水，冷熱水壓力平衡。

④太陽能資源能夠共享，底層用戶不存在遮擋問題，適宜多層建筑群使用。

缺點：

①戶內水箱占用室內空間，換熱立管占用室內空間

②承壓水罐成本稍高

1.3 系統特點-分戶集熱、分戶儲熱

優點：

①各用戶的太陽能相互獨立，互不影響，不存在單獨計量收費的問題，物業無負擔。

②用戶控制靈活，不需物業管理，系統運行成本與入住率關系很小。

③室內水箱承壓運行，采用頂水出水方式供熱水，冷熱水壓力平衡。

缺點：

①高密度小區底層用戶會存在遮光問題

②安裝分散，投資稍高

③對建筑物立面影響較大

1.4 系統特點比較

系統類型 集中集熱集中儲熱 集中集熱 分戶儲熱 分戶集熱分戶儲熱

運營管理 日常由物業管理 物業無負擔 物業無負擔

運營成本 高 低 低

系統投資 低 較高 較高

集熱器布置 集中布置、影響較小 集中布置、影響較小 分散設置、有一定影響

用水計量 熱水需增加計量裝置 熱水無計量要求 熱水無計量要求

綜上所述，本項目太陽能熱水系統選擇集中集熱，分戶儲熱系統，進行設計。

2、太陽能集中集熱、分戶儲熱系統設計

圖一：太陽能熱水系統原理圖

2.1系統原理：

集中集熱-分戶儲熱太陽能熱水系統，是將集熱器在建筑屋面集中放置，每戶配置一套獨立的儲熱水箱，儲熱水箱內置換熱裝置和輔助加熱裝置，公用設備集中放置在樓頂設備間內。太陽能集熱器收集的熱能通過循環管道輸送至戶內儲熱水箱中的換熱裝置進行換熱來加熱儲熱水箱中的水。當太陽光照不足時，或儲熱水箱中的水未達到設定溫度時，用戶可以使用儲熱水箱內置的輔助加熱裝置加熱供用戶使用。集熱板與戶內的儲熱水箱熱交換的循環管應同程布置，即三根循環管道。循環水泵的用電單獨計量，循環水泵的運行費用可與電梯的運行費用合并計算，太陽能熱水系統不另行向用戶收費。

2.2太陽能集熱器的確定：

根據建筑屋面結構形式，冬天熱媒介質防凍等因素，本工程采用平板型太陽能集熱器，集熱器計算：

根據北京市地方標準《民用建筑太陽能熱水系統應用技術規程》DB11/T 461-2010，

根據3.1.1條：太陽能集熱系統應根據平均日用熱水量Qw來計算太陽能集熱器的總面積。

根據3.1.2條：太陽能集熱系統貯熱水箱內熱水的計算溫度宜取60度。冷水的計算溫度參考工程所在地春秋季節自來水的供水溫度，地下水去10-15度，地面水取4度。

根據3.1.3條：太陽能集熱系統設計平均日用熱水量Qw計算公式為：

Qw=Kqm

K=0.6，q=50L/人.天，m=72*2.8=202人

Qw=0.6*50*202=6060L/d

根據3.1.4，第1條，直接系統集熱器總面積可根據日平均用熱水量、熱水計算溫度和冷水計算溫度確定，計算公式為：

A=（Qw*C*p*（tr-tl）*f）/（J*ηj*（1-ηt））

C=4.187（KJ/Kg.℃），pr=0.983Kg/L，tr=60℃，tl=15℃，f=50%，J=17000KJ/m2*d，ηj=50%，ηt=15%

Ajt=6060*4.187*0.983*（60-15）*50%/（17000*50%*（1-15%））≈78m2

根據3.1.4，第2條，間接系統集熱器總面積可按下式簡單計算：

Ajj=1.1*Ajt=1.1*78≈86m2

集熱板每塊2m2，共計43塊集熱板，安裝在建筑屋面混凝土結構基礎上，安裝傾角30°，采用鋼結構架空補充。

2.3本工程每單元采用一套太陽能熱水系統，每個系統獨立控制，為每戶提供熱量，每戶配置80L橫式儲熱水箱。

根據3.1.7條：太陽能集熱系統貯熱水箱容積計算：

V=qrjd*Aj=60*86=5160L，共計72戶。V戶=5160/72=72L，每戶設置80LL橫式儲熱水箱。

2.4屋頂機房內太陽能循環泵，應采用減震措施。

2.5運行原理：

a、集熱循環控制：太陽能集熱部分采用定溫循環加熱，系統通過檢測集熱器的溫度來實現集熱循環，當集熱器的溫度T1達到設定溫度時（設定55℃，溫度值可設定），循環泵P1啟動，將各戶儲熱水箱盤管內的水頂入集熱器，集熱器內的熱水進入各戶儲熱水箱盤管，對儲熱水箱內的水進行換熱，在循環加熱過程中，水不斷升溫，集熱器的溫度不斷下降，當集熱器上的溫度T1低于設定溫度25℃時（溫度值可設定），循環泵P1停止，這樣的加熱方式保證只要集熱器吸收到熱量就很快地傳遞到各戶儲熱水箱中，能夠提高系統的啟動速度更快的提供出達到使用要求的熱水。

b、用戶儲水箱輔助電熱：若用戶儲熱水箱內的水溫達不到設定溫度，則啟動水箱內電加熱，當達到設定溫度時，電加熱停止，用戶需要采用輔助電加熱時，換熱橫管進水管路上的電磁閥關閉（或采用手動閥門），防止系統循環將熱量帶走。系統防凍：屋頂太陽能集熱循環管路中的介質為防凍液，冬季也不會出現凍堵現象。熱水熱媒水側管道循環管路介質為水，循環泵采用溫度4°起泵循環，防止凍堵現象。

三、結束語

本文結合已做過的工程實例，淺談了太陽能熱水系統在住宅中的應用。今后新建的住宅里，越來越多的使用太陽能熱水系統。怎么選擇合理的太陽能熱水系統，怎么設計的更加合理，節能，運行高效，將成為今后設計研究的重點。

參考文獻：

[1]《民用建筑太陽能熱水系統應用技術規程》DB11/T 461-2010

[2]《北京市太陽能熱水系統城鎮建筑應用管理辦法》的通知京建法〔2012〕3號

[3]《民用建筑太陽能熱水系統工程技術手冊》（第二版）鄭瑞澄主編

[4]《北京市太陽能熱水系統城鎮建筑應用管理辦法》的通知京建法〔2012〕3號