高層住宅應用太陽能光熱系統技術解析與實施方案研究

鄧 飛，曹芳魁，任 軍，李紅彥，吳 敵，李 歡

（1.河北科技大學機械工程學院，河北石家莊 050018；2.河北科技大學信息科學與工程學院，河北石家莊 050018；3.河北省教育考試院，河北石家莊 050091）

太陽能作為可再生清潔能源，在中國被逐漸推廣使用，尤其是太陽能光熱轉換系統，其具有安裝工藝簡單，技術成熟性高，使用成本低廉等特點，被廣泛用于家庭熱水供應中。為了鼓勵使用太陽能光熱系統，執行國家節能減排政策，截止2013年底，中國已經有多個省、市、自治區出臺了《強制性太陽能光熱系統安裝應用規定》等規范性政策文件，主要內容是：12層以下的中低層居住型建筑強制安裝應用太陽能光熱系統，并與建筑進行一體化設計與施工、同步驗收、同步交付使用；對于12層以上的高層建筑，逐步試點和推廣應用太陽能光熱系統。因此，太陽能光熱系統具有非常廣泛的推廣應用空間。

盡管太陽能光熱系統無論從國家政策層面上，還是從用戶的使用認知度上都得到支持和肯定，但是，近幾年的相關統計數據卻表明，在大中城市中，太陽能熱水轉換系統的使用率呈下降趨勢，主要原因如下。

1）受土地出讓成本和建筑成本高漲的限制，大中城市中的居住型建筑越蓋越高，目前以18—34層高層建筑為主，12 層以下的低層建筑已經很少見到，而12層以上的建筑，太陽能光熱系統只是鼓勵安裝，而不是強制性安裝。

2）目前市場上尚沒有完善而成熟的高層建筑太陽能光熱系統應用方案。在一些高層住宅的試點安裝過程中，由于沒有規范的技術標準和實施工藝，造成系統使用效果欠佳；或者由于個別業主對系統的不理解、不接受，使系統的安裝進度受挫，有時甚至影響了建筑的施工周期，造成開發商對于安裝應用太陽能光熱系統不太熱心。因此，如果要在高層建筑中大規模推廣使用太陽能光熱系統，必須開發設計一種實施工藝合理、安裝和使用成本低廉、操作簡單易用、便于用戶接受的科學規范型系統［1－2］。

1 目前高層住宅應用太陽能光熱系統特點分析

通過對太陽能生產廠家的技術生產調研和市場應用調研可知，目前中國的各類住宅建筑應用太陽能光熱系統具有如下特點。

1）目前太陽能光熱系統廣泛應用于12層以下的建筑中，主要采用的是分戶式太陽能熱水交換系統：每戶業主將系統主水箱安裝在樓頂上，各戶系統之間單獨控制，互不相連［3］。而每棟高層建筑內業主數量是中低層建筑內業主的幾倍，高層建筑的樓頂面積無法為每戶業主提供足夠的分戶式太陽能熱水系統安裝空間；目前有一種陽臺外墻壁掛式太陽能熱水系統被部分高層建筑使用，但是這種系統安裝難度較高、影響樓體外觀、外掛設備在惡劣天氣情況下容易發生掉落事故、明裝管道影響室內裝飾效果，并且換熱效果受高層建筑樓間距的影響很大，因此此種系統沒有廣泛推廣，甚至在很多地方被禁止安裝［4］。

2）分戶式太陽能光熱系統的安裝方式比較適合中低層建筑安裝，而對于高層建筑，即使樓頂面積夠用，如果采用分戶式安裝方式，上、下水管道安裝數量太多，配置與維護非常復雜繁瑣，造成系統不穩定，故障率偏高，用戶使用不方便［5］。

目前，有一種利用太陽能光熱系統集中供熱水設計方案，主要實施方案是：在樓頂安裝一個大型儲水箱，集中供水，統一換熱，分戶供水。這種系統從原理上非常適合高層建筑應用，但是在實施過程中，出現了一些問題影響了系統的廣泛推廣。

1）受儲水箱的加工尺寸、運輸條件以及安裝環境限制，儲水箱的容積相對整棟高層業主數量而言蓄水量偏小，換熱效率和蓄水量難以達到日常所需。

2）缺乏簡捷實用的二次輔熱裝置和合理的分戶使用及計費方案，在使用過程中經常會因為個別業主的不配合而造成系統的癱瘓停用。

3）單儲水箱供水結構的工作狀態較脆弱，一旦出現故障，需要整個供水系統全部停用后方能維修，因此系統的穩定性較差［6－7］。

2 高層住宅太陽能光熱系統應用的創新開發

通過以上分析可知，如果在高層住宅建筑上應用推廣太陽能光熱系統，必須滿足以下條件：系統自動控制運行；高效的光熱交換系統結構以及充足的熱水供應量；合理的分戶使用和計費方案；具有二次輔熱功能并且輔熱成本合理；熱交換系統工作穩定且易于維護維修等。基于以上目的，設計了一種高效、簡捷、實用的高層住宅太陽能集中供熱水式光熱交換系統。

2.1 系統結構設計與工作原理

高層住宅太陽能光熱交換系統結構如圖1所示，具體實施方式為根據高層建筑的樓頂實際結構特點，在樓頂平面上布置擺放多個支架，在每個支架上安裝一個分水箱，分水箱之間靠連接管串聯連通，形成串聯水箱組；太陽能集熱板固定在每個分水箱下側的支架上，換熱端伸入分水箱內，與分水箱內的水形成熱交換；串聯水箱組的第1個分水箱通過進水管和自來水管網連接，最后一個分水箱連接出水管，出水管主管道沿高層建筑樓體垂直延伸到最低一層；在高層建筑每層位置，從出水管主管道上均引出入戶水管，每根入戶水管上安裝水表，入戶水管的另一端連接每戶家用熱水器的進入口；出水管主管道的最下端連接循環水泵的進水管，與循環水泵出水管連接的排水管和自來水管網連接；在串聯水箱組的最后一個水箱內，安裝一個水箱溫度傳感器，在出水管的最下端管內，安裝一個熱水管溫度傳感器。

主要工作原理是：自來水通過進水管和連接管依次流入各個分水箱，在太陽光照射下，太陽能集熱板和分水箱內的水進行熱交換，將水加熱，熱水通過出水管和入戶水管流入各層用戶家中的家用熱水器中供用戶使用。

圖1 高層建筑太陽能光熱系統原理圖Fig.1 Schematic diagram of the solar－thermal systems on high－rise residence

2.2 關鍵技術創新與解析

2.2.1 傳統水箱與串聯式水箱對比

設計應用串聯式水箱組不但實現了熱水儲量的充裕，而且保證了熱水的高效利用和系統運行的穩定性。高層住宅應用太陽能光熱系統，熱水供應量充裕是系統應用的前提。傳統應用中，是在高層建筑的樓頂安裝一個大水箱進行儲水，這種結構盡管簡單，但是在實際應用中發現具有以下弊端：首先，因為高層建筑結構特點和運輸方式的原因，很難將超大水箱運輸到樓頂，如果在樓頂現場加工組裝超大水箱，水箱的加工質量很難保證，并且單獨水箱的儲水量也難以保證日常供應量。其次，單獨水箱在供水過程中，是依靠進水管的水壓將水箱內的熱水從出水管中排出，在這個過程中，進水管內的冷水流入水箱后迅速和水箱內熱水形成對流傳熱，使水箱內的水溫下降較快，出水管流出的熱水溫度也會下降較快，造成熱水利用率較低。再次，如果對水箱進行維護或維修，必須斷開全套系統才能操作，造成系統運行穩定性較差。而應用圖1所示的串聯式水箱組，具有如下優點：首先，分水箱的擺放位置和數量，可以根據樓頂結構特點以及全樓業主用水量來確定，多個分水箱的設計能夠保證充足的供水量，并且每個分水箱的容積不必加工的太大，完全可以在專業工廠一體成型制造完成后，運輸到樓頂安裝，質量穩定性好。串聯水箱組在樓頂的擺放方案如圖2所示，串聯水箱組的各個分水箱根據樓頂的實際結構特點進行按需擺放，充分保證儲水量。其次，在用水循環過程中，自來水通過進水管注入串聯水箱組的第1個分水箱，注入的冷水僅在第1個分水箱內與熱水形成對流傳熱，其他分水箱內的熱水在依分水箱次序流動過程中，水溫差距不大，不存在快速對流降溫的問題，只有當第1 個分水箱被冷水注滿，才會在第2 個分水箱產生快速對流降溫，冷水依次序流過，可以保證各個分水箱內熱水的利用率很高［8］。再次，應用串聯式水箱結構，當某個分水箱或某段管路出現故障時，可以用一根備用連接管將發生故障的部件繞開，單獨維修出現故障的部件而不會影響系統的正常運行，從而保證系統運行穩定可靠［9］。

圖2 串聯水箱組樓頂擺放示意圖Fig.2 Schematic of cascade tank group on the roof

2.2.2 漸高式支架排列組合保證光熱轉換效果

對于太陽光光熱轉換系統，太陽能集熱板2受陽光照射時間越長，光熱轉化率越高。對于多行排列的串聯水箱組，在夏天，太陽光直射太陽能集熱板，各排各列集熱板和分水箱之間均能達到較理想的光熱轉化率，但是在春、秋、冬3 個季節，隨著太陽斜射角度加大，如果各排分水箱等高擺放，處于后排的太陽能集熱板經常被前排的水箱遮擋，光熱轉換率會不太理想，因此，如圖3所示，設計了一種漸高式多排支架，依南北方向將分水箱和太陽能集熱板逐排抬高，使太陽光一年四季均能充分照射到太陽能集熱板，以獲得理想的光熱轉化率。

圖3 漸高式支架結構示意圖Fig.3 Schematic diagram of getting high－style bracket

2.2.3 分戶式二次輔熱與計量結構保證系統全天候的使用效果

高層住宅應用太陽能光熱轉換系統還有2個問題需要解決：首先，在連續陰雨雪天氣，水箱內的水溫無法達到使用條件時，如何進行二次輔熱。其次，本系統在使用過程中，產生的運行成本如何進行分戶計量。對于第1個問題，解決方案有集中式二次輔熱和分戶式二次輔熱2種方式待選，集中式二次輔熱需要建立單獨的輔熱室，并且輔熱費用均攤給各戶業主，因此這種方式經常會因為費用承擔問題引發一些業主的抵觸，造成系統因欠費而無法運行。基于此，設計了一種獨特的分戶式二次輔熱方案，通過入戶水管9和出水管7將分水箱4中的熱水直接引入家用熱水器8中，并且在每根入戶水管上安裝水表，這樣，當分水箱內水溫在可用范圍內時，家用熱水器僅僅起到水流通道作用；當分水箱水溫低于可用溫度時，依靠家用熱水器自身的加熱功能對入戶溫水進行輔熱，此時入戶水管中的水溫盡管沒有達到額定溫度，但是這個水溫一般也高于自來水管內水溫，因此這個輔熱過程相對于直接用熱水器加熱自來水也減少了能源消耗，這個輔熱過程消耗的是業主自家的能源，因此二次輔熱的能耗直接進行了分戶計量。而每根入戶水管上安裝的水表也實現了對用水量的分戶計量。對于所有用戶來說，實現了“多用多支出，少用少支出，不用沒支出”，因此使用成本的分戶計量問題也得到了解決，這種分戶計量方案公平公正，業主之間不會產生糾紛，保證了系統應用的可操作性。

2.2.4 出水管熱水自動循環控制裝置實現熱水即用即得

在熱水供應過程中，出水管7是熱水輸送部件，對于高層建筑而言，熱水的輸送距離很長，需要從樓頂輸送到最低層，盡管出水管采用了保溫措施，但是對于水暖管道而言，保溫效果要遜于水箱保溫，因此，出水管中的熱水如果較長時間不流動，管中的熱水溫度會逐漸降低，如果業主使用熱水，尤其是中低層業主，在打開水閥門后獲得水箱內的熱水之前，需要花費較長時間排出出水管內溫度較低的冷水，這個過程既浪費水，又給用戶造成了不便。因此，設計了一套出水管熱水自動循環裝置，讓出水管內的水緩慢循環流動，從而使出水管內的水溫保持在額定溫度范圍內，實現各層用戶打開水閥門，即刻流出熱水。其工作原理為出水管11的最下端連接循環水泵12的進水口，循環水泵的出水管連接排水管13，排水管的另一端連接自來水供水管，在出水管的下端管內，安裝一個熱水管溫度傳感器11，可以隨時感應出水管下端內部水溫，循環水泵的啟、停依靠熱水管溫度傳感器的信號控制，當熱水管溫度傳感器感應到出水管下端水溫低于額度值時，啟動水泵工作，吸出出水管內的水，通過排水管將水回流到自來水供水管中；當熱水管溫度傳感器感應到的水溫達到額定值時，水泵停止工作，此時出水管內的水溫都在額度值以上。為了防止在連續惡劣天氣狀態下，各分水箱內的水溫均在額定值以下時可能會出現水無限循環的現象發生，在串聯水箱組的最后一個分水箱內，安裝一個水箱溫度傳感器6，設定當這個分水箱內的水溫低于額定值時，即使出水管內水溫低于額定值，也不啟動水泵工作。因為在串聯水箱組的各個分水箱內，最后一個分水箱內的水溫應該是最高的，如果最后一個分水箱內的水溫低于額定值，其他水箱內的水溫也肯定低于額定值［10］。以上裝置使出水管內的水溫能夠保持在額定值內，從而實現各層用戶熱水即用即得。由于出水管具有保溫處理，因此其內部水循環是很緩慢的；出水管內的存水量相對于串聯水箱組的儲水量是非常少的，因此不會造成大量熱水的流失；以上自動循環過程是間歇性的，工作頻率很低，因此電力消耗也很低；而通過循環水泵排出的低溫水又回流到自來水供水管中，不會造成水資源浪費［11］。

3 系統應用可行性分析

3.1 技術應用可行性

開發應用本系統主要是進行了供水系統結構創新和分戶計量思路創新，涉及的主要技術內容包括保溫、光熱交換和自動控制等均是穩定的成熟技術，完全可以實現標準化和模塊化生產，大規模的工業化生產能夠保證系統在應用過程中的穩定性、可靠性和通用性，這是系統大規模推廣的基礎。

3.2 新建高層建筑初始安裝可行性

新建高層建筑安裝本系統，僅涉及高層建筑的樓頂建筑結構是否適宜支架及分水箱的擺放安裝、進水管的如何連通和出水管如何入戶等。通過調研高層建筑的樓頂發現，盡管樓頂有電梯間、通風道和煙道等設施存在，但是樓頂可放置支架的空置面積占樓頂總面積的80%左右，樓頂擺放足夠數量的水箱完全沒有問題；支架結構安裝設置在承重框架梁上，不會對樓體造成太大的壓力負擔，并且通過優化支架結構和擺放位置，不會影響人員在樓頂的通行；各種建筑的進水管通常布置到了最頂一層，因此，連接本系統的進水管只需要從高層建筑的頂層連接即可；對于住宅用戶，往往使用熱水的地點在衛生間內，而在高層建筑的同一單元，垂直方向上同一戶型的衛生間位置是一致的［8－9］，只需貫穿一根頂樓到底樓衛生間的通管即可實現出水管的分戶供水功能，在各戶衛生間內的出水管上引出裝有水表的入戶水管，家用熱水器由業主自主安裝。因此，對于新建高層建筑非常適合與建筑構造一起同步安裝［12］。

3.3 已住高層建筑改造安裝可行性

對于已投入使用的高層建筑，在安裝出水管時，有的業主不希望在已裝修好的衛生間頂部打孔，因此個別業主的不配合往往會阻礙整套系統的順利實施。通過調研高層建筑的建筑構造特點可知，對于居住型高層建筑，各戶型的衛生間在設計時均是明窗設計，因此，在衛生間的窗外，均有一個自樓頂到樓底的凹槽構造，凹槽大體位置如圖2所示，由此，可以將出水管安裝在衛生間窗外的凹槽內，入戶支管從衛生間側墻打孔穿入，其他安裝內容同新建高層建筑相同。這樣，即使有不愿安裝的業主也不會對整套系統的安裝造成阻礙［13］。因此，本系統也適合對已投入使用的高層建筑進行改造性安裝。

3.4 經濟可行性分析

高層建筑安裝太陽能光熱系統，主要涉及的經濟成本包括：系統初始安裝成本和運行成本，就本系統涉及的各部件而言，主要安裝成本集中在支架、分水箱和太陽能集熱板的投資，而家用熱水器屬于各戶自備設備，不計入成本，因此，在蓄水量一定的情況下，高層建筑樓層越多，各用戶平均分攤成本越低。以一棟30 層建筑為基準統計對象（1個單元，每層3戶，共90戶業主單位，平均每戶日熱水用量120L），計算表明，如果單純使用電熱水器，每戶每天的燒水電費支出在2.5元左右，每年的燒水電費總支出是900元左右。而應用本系統，安裝建造總成本9萬元左右，每戶平均成本1 000元左右，每戶業主應用本系統1年左右，節省的電費即可收回投資，并且是一次投資，長期使用。而對于系統運行成本，采用成熟工業技術可以保證系統工作過程全自動、運行穩定性高、基本不需要人工干預，并且公平公正的分戶計量結構使每個用戶都能自覺合理地使用和愛護本系統，因此維護和管理成本也極低；本系統在正常使用過程中，唯一的公共運行費用是循環水泵間歇式運行所消耗的電力支出，初步計算表明，循環水泵每天電力消耗量不超過1kW·h，公共電費負擔非常低。由此，本系統的經濟性良好［14－15］。

4 結 語

本系統通過結構優化創新以及設計合理的分戶應用方案，能夠有效解決高層住宅應用太陽能光熱系統的瓶頸問題，整套系統結構簡單、實施成本低廉、操作簡便，節能效果顯著，具有非常好的市場推廣前景。

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