北京某住宅太陽能集中集熱—分戶儲熱系統設計實例

鄭亞娟 李向軍

【摘要】本文介紹住宅太陽能集中集熱-分戶儲熱熱水系統的應用，結合工程實例，簡要介紹了住宅太陽能熱水系統的集熱器選型、布置 、系統設置等，供設計人員參考。

【關鍵詞】太陽能熱水；集中集熱-分戶儲熱；住宅；燃氣熱水器

隨著經濟社會快速發展，能源需求量不斷增加，能源已經成為影響各地經濟社會發展的主要因素之一，常規能源日趨緊張，而太陽能是最完美的能源替代方案，太陽能是一種潔凈的自然再生能源，取之不盡，用之不竭，而且太陽能是所有國家和個人都能夠分享的能源，研究太陽能利用與建筑的“一體化設計”已成為當前建筑節能的一個重要課題。

北京市太陽能熱水系統城鎮建設應用管理辦法【2012】3號文件指出，新建建筑的太陽能熱水系統應當按照國家和北京市有關標準規范，進行太陽能熱水系統與建筑一體化設計，做到建筑物外觀協調、整齊有序，并實行與建筑主體同步規劃設計、同步施工安裝、同步驗收交用。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，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。

近幾年關于太陽能的應用也接觸了不少，下面就以工程為實例，就住宅屋面集中集熱、分戶貯熱太陽能熱水系統設計及計算做一次專項介紹。

1.工程概況

本工程為北京朝陽區來廣營某住宅項目，地下2層，地上7層，分兩個單元，共28戶，按北京市現行規范要求設置太陽能熱水系統，采用集中集熱、分戶貯熱太陽能熱水系統，太陽能熱水機房設置在地下一層。

2.太陽能熱水系統設計

2.1太陽能熱水系統形式的比較

目前太陽能熱水系統主要系統形式分為：分散系統、集中系統、集中-分散系統。其中分散系統指各戶分散集熱、貯熱、輔助加熱的系統；集中系統指集中集熱、集中貯熱、集中輔助加熱的系統；集中-分散系統指集中集熱、集中或分散貯熱、分散輔熱的系統。各系統在《居住建筑節能設計標準》配套圖集 PT-891中已有詳細的介紹。三類系統相對比集中-分散系統對建筑外形的影響、系統的運行維護、計費管理上都更具優越性，因此越來越廣泛地采用于住宅建筑。

2.2集中集熱、分戶儲熱系統的設計

本工程住宅太陽能采用集中集熱-分戶儲熱太陽能熱水系統，太陽集熱板集中設于屋頂，集熱系統采用強制循環，間接加熱方式加熱。一般太陽能機房都設置在屋頂，本工程由于地上面積有限，樓梯間限高原因，應甲方要求，太陽能機房設置在地下一層，集熱熱水短時間存儲在地下一層設備間的緩沖水箱內，達到設定溫度后通過水泵和室內管路循環換熱，把熱量分戶儲存到每家每戶的換熱水箱內，每家設置一臺臥式換熱水箱（內置換熱盤管），戶內換熱水箱的出水管連接到燃氣熱水器進水管，使用燃氣熱水器作為輔助熱源。按照設定，系統只要有足夠熱量就將熱量儲存到各家各戶的水箱中，當太陽能資源不足或陰雨天氣時，換熱水箱中的水溫不足，低溫水在通過燃氣熱水器時自動被加熱至設定溫度，以保證舒適的熱水使用，該系統由太陽能集熱器、換熱水箱、落水水箱、熱水供回水管道、循環泵組和必要的控制設備等組成，集中集熱系統采用溫差循環模式控制，控制儀表采用溫差循環和定溫循環雙重模式控制，控制儀表采用PLC太陽能熱水系統智能編程控制器。

各住戶使用自家水箱里的熱水和輔助能源，不存在收費問題；不受樓層高低限制，并可以實現太陽能熱能資源共享；運行過程中，用戶無須支付太陽能產生的熱量的費用，只需支付少量熱媒循環所需的費用；集熱器集中放置在屋面位置，采光好，建筑平面布局相對靈活，各戶貯水箱放置在各戶室內的廚房，靠近樓梯間管井，戶內水箱承壓運行并結合燃氣熱水器輔助加熱，熱水與冷水同源同壓供水，易于平衡；只有一個系統，運行可靠，上樓維修率低，樓面太陽能可由物業負責維護管理，能夠更有效地保證系統長期運行穩定，可以根據樓面建筑情況靈活布局，最容易實現與建筑物相協調，屋頂集熱熱水管道。

系統為方便使用和安全可靠，采用承壓型儲熱水箱，并由戶內燃氣熱水器輔助加熱。因此水箱+燃氣熱水成本高，從而造成系統成本較高，輔能源單一，另一方面，燃氣熱水器做為輔助熱源更多的適用于中低端住宅樓，燃氣熱水器水溫升25℃時，熱水器每分鐘產熱水量12L/min左右，不適合衛生間較多，用水量大的高級住宅。

3.工程相關計算及設備選型

3.1當地氣象、地理條件

北京地理位置：東經116°20′、北緯39°56′之間。

當地年太陽能輻照量：水平面5178.754MJ/m2，當地緯度傾角表面5844.4MJ/m2。根據民用建筑太陽能熱水系統工程手冊可得知北京地區同緯度太陽能月平均日輻照量為表1所示。

3.2集熱器總面積計算（表中規范均指《建筑給水排水設計規范》GB50015-2003（2009年版），見表2）

由于系統有換熱，為間接系統，所以集熱器面積需要按下表進行修正（見表3）。

3.3集熱器確定

本工程最終選用熱管型集熱器，通過計算間接系統采用集熱器規格C4-SD8×16L，4.33m2/組，每組集熱器16支Ф100mm×2000mm熱管真空管組成，本樓28戶需要安裝17組73.61m2，滿足表3計算要求。

太陽能集熱器與建筑同方位，吸熱翅片朝向正南，保障周邊無附屬建筑物的遮擋，為了最大限度的吸收太陽能輻射，根據當地緯度與項目的實際情況，集熱器外觀安裝角度為0度，即水平安裝，真空管內的吸熱翅片調整為40度，保證吸熱效率不受影響。

3.4循環流量及集熱循環水泵選擇

集熱循環流量按照集熱面積流量確定，每平米集熱器面積按0.012L計算，水泵流量70L/min；集熱系統采用同程連接，集熱器水泵揚程，考慮集熱器頂與貯熱水箱最低水位之間的幾何高差（本工程太陽能熱水機房設于地下一層）、沿程及局部阻力損失、計算得0.35MPa（計算過程略）；機房內設置緩沖水箱。

3.5燃氣熱水器及儲熱水箱的選取

輔助熱源采用家用燃氣熱水器，電能直接作為輔助熱源已不符合節能標準規定，故分散輔助加熱優先選用燃氣熱水器，選取的燃氣熱水器帶有保證使用安全的裝置。而目前家太燃氣熱水器每分鐘的產水量約12L左右，不適用于戶內設有浴盆的用水量大的系統。每戶廚房設一臺100升換熱水箱，換熱水箱需要的真空熱管集熱器面積為1.362m2，表3集熱器面積滿足要求。

4.太陽能系統功能說明

4.1太陽能熱水系統原理（示意圖如下）

4.2溫差強制循環加熱

太陽能熱水系統采用溫差強制循環方式運行。溫度傳感器將集熱器出口溫度T1、緩沖水箱溫度T2傳遞給控制器。當T1-T2>溫差循環啟動值時，控制器發出控制信號，啟動太陽能循環泵，系統開始循環，不斷地將集熱器吸收的熱量置換到緩沖水箱中，隨著緩沖水箱內熱水溫度不斷提高，T1與T2之間溫差越來越小，直至T1-T2<溫差循環停止值時，控制器關閉太陽能循環水泵。

4.3戶側熱水系統

用戶側熱水循環泵是定溫循環。當緩沖水箱溫度T3≥60℃時，用戶側熱水循環泵開始運行，當緩沖水箱溫度T3≤55℃，P2停止。運行溫度設定值可調。

4.4太陽能系統補水

太陽能熱水系統水中的循環介質水作為熱媒使用，并沒有使用消耗，所以減少量很少，減少的量基本上都是由于蒸發引起的。其補充水量通過水箱上面安裝的電磁閥來實現，當緩沖水箱中的水位下降到某一高度時電磁閥開啟給系統補水，當水位達到設定水位時，電磁閥關閉，停止給系統補水。補水管設水表及倒流防止器。

4.5太陽能系統防凍

系統防凍：本太陽能熱水系統采用回流防凍的方式防凍（要求集熱器的最低位置高于水箱的最高位置，同時集熱器和管路要有不小于1%的坡度，坡向水箱，有利于排空），另一個方案屋面供水換熱管路防凍采用電伴熱帶防凍，也就是在屋面供水換熱管路上設置管路溫度傳感器以及纏繞電伴熱帶，當屋面管路溫度低于設定的啟動溫度時，電熱帶通電加熱，防止管路凍結，直到屋面管路溫度高于設定的停止溫度時，電伴熱帶斷電，以此保護屋面供水換熱管路不在冬季發生凍結。

4.6太陽能系統過熱保護

過熱保護主要是指水箱過熱保護。在天氣情況很好的情況下，很容易就能夠加熱出足量熱水，若此時分戶水箱中的熱水均達到使用溫度時，水箱中的水還會通過強制循環加熱持續升溫，考慮水箱的安全使用和用水不至于過熱等因素，我們設定水箱高溫保護。

4.7系統水泵運行保護

控制器對太陽能系統中的水泵均有低水位保護功能，即當水箱中的水位低于最低水位時，控制器關閉水泵運行，防止水泵干抽。由于太陽能循環系統中的水未被用戶直接利用，因此損失的水量也不至于達到最低水位，但為了系統的安全可靠，需要設置水泵的保護措施。

5.結論

目前集中集熱-分戶儲熱太陽能是在住宅中常用的熱水系統，筆者結合實例就是將太陽能熱水系統所包含的集熱器、儲熱裝置、循環泵、輔助加熱設備以及管路等，與建筑充分結合并實現整體外觀的和諧統一，而集中集熱、分戶儲熱系統還可以減少分攤費用，便于物業管理，在住宅設計中已成為主流的太陽能熱水解決方案。

參考文獻

[1]《建筑給水排水設計規范》 （GB50015-2003）（2009年版）.中國計劃出版社2010

[2]《居住建筑節能設計標準》配套圖集PT-891.北京市規劃委員會

[3]《綠色建筑評價標準》GB/T 50378-2006.中國計劃出版社2006

[3] 鄭瑞澄.民用建筑太陽能熱水系統工程技術手冊.北京：化學工業出版社，2006.2

（作者單位：北京冠亞偉業民用建筑設計有限公司）

【中圖分類號】TU111.45

【文獻標識碼】B

【文章編號】1671-3362（2018）10-0048-03