淺談北京住宅太陽(yáng)能生活熱水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳晶晶

【摘要】近年來(lái)，太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)普遍應(yīng)用于住宅建筑設(shè)計(jì)中。太陽(yáng)能取之不盡、用之不竭、清潔并可再生，是未來(lái)主要能源之一。它屬于每個(gè)人的能源，只要有場(chǎng)地與設(shè)備，任何人都可免費(fèi)使用它。正常的太陽(yáng)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?yàn)榛緹嵩礊槊赓M(fèi)的太陽(yáng)能，所以使用它十分符合經(jīng)濟(jì)成本效益。

【關(guān)鍵詞】太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)；集熱器；儲(chǔ)熱水箱

一、北京市對(duì)太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的規(guī)定

北京市對(duì)太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)要求，根據(jù)《北京市太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)城鎮(zhèn)建筑應(yīng)用管理辦法》的通知京建法〔2012〕3號(hào)文中規(guī)定：

1、城鎮(zhèn)公共建筑和7至12層的居住建筑，應(yīng)設(shè)置集中式太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)。

2、13層以下的居住建筑，當(dāng)屋面能夠設(shè)置太陽(yáng)能集熱器的有效面積大于或等于按太陽(yáng)能保證率為50%計(jì)算的集熱器總面積時(shí)，應(yīng)設(shè)置集中式太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)。

3、13層以上的居住建筑，當(dāng)屋面能夠設(shè)置太陽(yáng)能集熱器的有效面積小于按太陽(yáng)能保證率為50%計(jì)算的集熱器總面積時(shí)，應(yīng)采取集中式與分散式相結(jié)合的太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)，亦可采用集中式太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)與空氣源熱泵相結(jié)合的熱水系統(tǒng)。

4、6層以下的居住建筑可選用集中式或分散式太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)。

輔助熱源應(yīng)當(dāng)選用城市熱網(wǎng)、燃?xì)饣虻凸入姡槐仨毑捎闷胀姇r(shí)宜采用分散輔助熱源形式。

北京市住建委《關(guān)于進(jìn)一步提高住宅節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)的請(qǐng)示》中，要求北京地區(qū)住宅強(qiáng)制采用太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)

① 12層及其以下的住宅和12層以上Fwx ≥Ajz的住宅，應(yīng)設(shè)置供應(yīng)樓內(nèi)所有用戶(hù)的太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)。

Fwx屋面能夠設(shè)置集熱器面積的有效面積

Ajz 計(jì)算集熱器總面積

無(wú)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(jì)算集熱器總面積的Ajz2.5倍

②太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)必須與建筑設(shè)計(jì)和施工統(tǒng)一同步進(jìn)行

集中生活熱水系統(tǒng)應(yīng)設(shè)循環(huán)加熱系統(tǒng)，本條包括太陽(yáng)能系統(tǒng)輔助熱源的加熱設(shè)備。

二、住宅太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例

筆者以北京金地通州金地格林小鎮(zhèn)商品房14#號(hào)樓為例，淺談住宅太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，對(duì)住宅建筑應(yīng)用的幾種太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)做個(gè)對(duì)比及總結(jié)。14號(hào)樓共18層，兩個(gè)單元組成，每個(gè)單元每層4戶(hù)，共計(jì)72戶(hù)，每戶(hù)2.8人，每個(gè)單元共計(jì)202人。太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)按一個(gè)單位一套系統(tǒng)設(shè)計(jì)。本樓共計(jì)兩套太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)。

1、太陽(yáng)能生活熱水系統(tǒng)形式比較

1.1系統(tǒng)特點(diǎn)-集中集熱、集中儲(chǔ)熱

優(yōu)點(diǎn)：

①可以實(shí)現(xiàn)熱水資源共享，系統(tǒng)不受樓層高低限制

②只有一個(gè)系統(tǒng)，運(yùn)行可靠，上樓維修率低

③輔助熱源選擇種類(lèi)較多

④造價(jià)較低

缺點(diǎn)：

①增加熱水計(jì)量裝置，如果入住率低，采用不合適的輔助能源時(shí)，則物業(yè)運(yùn)營(yíng)困難，易出現(xiàn)天價(jià)水費(fèi)。

②太陽(yáng)能熱水的成本隨天氣陰晴和季節(jié)不同而變化，運(yùn)行過(guò)程中熱水成本變化較大。

③冷熱水供應(yīng)方式不同，需考慮冷熱水壓力平衡措施

④集中儲(chǔ)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(jié)構(gòu)荷載，如放置在地下室，需建筑物提供地下室水箱間且會(huì)增加供水泵的投資。

1.2系統(tǒng)特點(diǎn)-集中集熱、分戶(hù)儲(chǔ)熱

優(yōu)點(diǎn)：

①各用戶(hù)使用自家水箱里的熱水和輔助熱源，不存在單獨(dú)計(jì)量收費(fèi)的問(wèn)題，物業(yè)無(wú)負(fù)擔(dān)。

②便于物業(yè)管理，系統(tǒng)運(yùn)行成本與入住率關(guān)系很小。

③室內(nèi)水箱承壓運(yùn)行，采用頂水出水方式供熱水，冷熱水壓力平衡。

④太陽(yáng)能資源能夠共享，底層用戶(hù)不存在遮擋問(wèn)題，適宜多層建筑群使用。

缺點(diǎn)：

①戶(hù)內(nèi)水箱占用室內(nèi)空間，換熱立管占用室內(nèi)空間

②承壓水罐成本稍高

1.3 系統(tǒng)特點(diǎn)-分戶(hù)集熱、分戶(hù)儲(chǔ)熱

優(yōu)點(diǎn)：

①各用戶(hù)的太陽(yáng)能相互獨(dú)立，互不影響，不存在單獨(dú)計(jì)量收費(fèi)的問(wèn)題，物業(yè)無(wú)負(fù)擔(dān)。

②用戶(hù)控制靈活，不需物業(yè)管理，系統(tǒng)運(yùn)行成本與入住率關(guān)系很小。

③室內(nèi)水箱承壓運(yùn)行，采用頂水出水方式供熱水，冷熱水壓力平衡。

缺點(diǎn)：

①高密度小區(qū)底層用戶(hù)會(huì)存在遮光問(wèn)題

②安裝分散，投資稍高

③對(duì)建筑物立面影響較大

1.4 系統(tǒng)特點(diǎn)比較

系統(tǒng)類(lèi)型 集中集熱集中儲(chǔ)熱 集中集熱 分戶(hù)儲(chǔ)熱 分戶(hù)集熱分戶(hù)儲(chǔ)熱

運(yùn)營(yíng)管理 日常由物業(yè)管理 物業(yè)無(wú)負(fù)擔(dān) 物業(yè)無(wú)負(fù)擔(dān)

運(yùn)營(yíng)成本 高 低 低

系統(tǒng)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(shè)置、有一定影響

用水計(jì)量 熱水需增加計(jì)量裝置 熱水無(wú)計(jì)量要求 熱水無(wú)計(jì)量要求

綜上所述，本項(xiàng)目太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)選擇集中集熱，分戶(hù)儲(chǔ)熱系統(tǒng)，進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2、太陽(yáng)能集中集熱、分戶(hù)儲(chǔ)熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖一：太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)原理圖

2.1系統(tǒng)原理：

集中集熱-分戶(hù)儲(chǔ)熱太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)，是將集熱器在建筑屋面集中放置，每戶(hù)配置一套獨(dú)立的儲(chǔ)熱水箱，儲(chǔ)熱水箱內(nèi)置換熱裝置和輔助加熱裝置，公用設(shè)備集中放置在樓頂設(shè)備間內(nèi)。太陽(yáng)能集熱器收集的熱能通過(guò)循環(huán)管道輸送至戶(hù)內(nèi)儲(chǔ)熱水箱中的換熱裝置進(jìn)行換熱來(lái)加熱儲(chǔ)熱水箱中的水。當(dāng)太陽(yáng)光照不足時(shí)，或儲(chǔ)熱水箱中的水未達(dá)到設(shè)定溫度時(shí)，用戶(hù)可以使用儲(chǔ)熱水箱內(nèi)置的輔助加熱裝置加熱供用戶(hù)使用。集熱板與戶(hù)內(nèi)的儲(chǔ)熱水箱熱交換的循環(huán)管應(yīng)同程布置，即三根循環(huán)管道。循環(huán)水泵的用電單獨(dú)計(jì)量，循環(huán)水泵的運(yùn)行費(fèi)用可與電梯的運(yùn)行費(fèi)用合并計(jì)算，太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)不另行向用戶(hù)收費(fèi)。

2.2太陽(yáng)能集熱器的確定：

根據(jù)建筑屋面結(jié)構(gòu)形式，冬天熱媒介質(zhì)防凍等因素，本工程采用平板型太陽(yáng)能集熱器，集熱器計(jì)算：

根據(jù)北京市地方標(biāo)準(zhǔn)《民用建筑太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》DB11/T 461-2010，

根據(jù)3.1.1條：太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)應(yīng)根據(jù)平均日用熱水量Qw來(lái)計(jì)算太陽(yáng)能集熱器的總面積。

根據(jù)3.1.2條：太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)貯熱水箱內(nèi)熱水的計(jì)算溫度宜取60度。冷水的計(jì)算溫度參考工程所在地春秋季節(jié)自來(lái)水的供水溫度，地下水去10-15度，地面水取4度。

根據(jù)3.1.3條：太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)平均日用熱水量Qw計(jì)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(jù)3.1.4，第1條，直接系統(tǒng)集熱器總面積可根據(jù)日平均用熱水量、熱水計(jì)算溫度和冷水計(jì)算溫度確定，計(jì)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(jù)3.1.4，第2條，間接系統(tǒng)集熱器總面積可按下式簡(jiǎn)單計(jì)算：

Ajj=1.1*Ajt=1.1*78≈86m2

集熱板每塊2m2，共計(jì)43塊集熱板，安裝在建筑屋面混凝土結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，安裝傾角30°，采用鋼結(jié)構(gòu)架空補(bǔ)充。

2.3本工程每單元采用一套太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)，每個(gè)系統(tǒng)獨(dú)立控制，為每戶(hù)提供熱量，每戶(hù)配置80L橫式儲(chǔ)熱水箱。

根據(jù)3.1.7條：太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)貯熱水箱容積計(jì)算：

V=qrjd*Aj=60*86=5160L，共計(jì)72戶(hù)。V戶(hù)=5160/72=72L，每戶(hù)設(shè)置80LL橫式儲(chǔ)熱水箱。

2.4屋頂機(jī)房?jī)?nèi)太陽(yáng)能循環(huán)泵，應(yīng)采用減震措施。

2.5運(yùn)行原理：

a、集熱循環(huán)控制：太陽(yáng)能集熱部分采用定溫循環(huán)加熱，系統(tǒng)通過(guò)檢測(cè)集熱器的溫度來(lái)實(shí)現(xiàn)集熱循環(huán)，當(dāng)集熱器的溫度T1達(dá)到設(shè)定溫度時(shí)（設(shè)定55℃，溫度值可設(shè)定），循環(huán)泵P1啟動(dòng)，將各戶(hù)儲(chǔ)熱水箱盤(pán)管內(nèi)的水頂入集熱器，集熱器內(nèi)的熱水進(jìn)入各戶(hù)儲(chǔ)熱水箱盤(pán)管，對(duì)儲(chǔ)熱水箱內(nèi)的水進(jìn)行換熱，在循環(huán)加熱過(guò)程中，水不斷升溫，集熱器的溫度不斷下降，當(dāng)集熱器上的溫度T1低于設(shè)定溫度25℃時(shí)（溫度值可設(shè)定），循環(huán)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(hù)儲(chǔ)熱水箱中，能夠提高系統(tǒng)的啟動(dòng)速度更快的提供出達(dá)到使用要求的熱水。

b、用戶(hù)儲(chǔ)水箱輔助電熱：若用戶(hù)儲(chǔ)熱水箱內(nèi)的水溫達(dá)不到設(shè)定溫度，則啟動(dòng)水箱內(nèi)電加熱，當(dāng)達(dá)到設(shè)定溫度時(shí)，電加熱停止，用戶(hù)需要采用輔助電加熱時(shí)，換熱橫管進(jìn)水管路上的電磁閥關(guān)閉（或采用手動(dòng)閥門(mén)），防止系統(tǒng)循環(huán)將熱量帶走。系統(tǒng)防凍：屋頂太陽(yáng)能集熱循環(huán)管路中的介質(zhì)為防凍液，冬季也不會(huì)出現(xiàn)凍堵現(xiàn)象。熱水熱媒水側(cè)管道循環(huán)管路介質(zhì)為水，循環(huán)泵采用溫度4°起泵循環(huán)，防止凍堵現(xiàn)象。

三、結(jié)束語(yǔ)

本文結(jié)合已做過(guò)的工程實(shí)例，淺談了太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)在住宅中的應(yīng)用。今后新建的住宅里，越來(lái)越多的使用太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)。怎么選擇合理的太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)，怎么設(shè)計(jì)的更加合理，節(jié)能，運(yùn)行高效，將成為今后設(shè)計(jì)研究的重點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]《民用建筑太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》DB11/T 461-2010

[2]《北京市太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)城鎮(zhèn)建筑應(yīng)用管理辦法》的通知京建法〔2012〕3號(hào)

[3]《民用建筑太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)工程技術(shù)手冊(cè)》（第二版）鄭瑞澄主編

[4]《北京市太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)城鎮(zhèn)建筑應(yīng)用管理辦法》的通知京建法〔2012〕3號(hào)