住宅分散式太陽能熱水系統(tǒng)的優(yōu)化研究

高 歌

(無錫市建筑設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司,江蘇 無錫 214045)

太陽能熱水系統(tǒng)在建筑熱水系統(tǒng)中的應(yīng)用，是我們國家多年來大力推廣的建筑節(jié)能減排措施中的重要一環(huán)。經(jīng)過多年工程使用和相關(guān)規(guī)范的完善，公共建筑的太陽能熱水系統(tǒng)已經(jīng)比較成熟，但住宅太陽能熱水系統(tǒng)仍然存在較大的不足之處。

1 目前多高層住宅太陽能熱水設(shè)計(jì)現(xiàn)狀

我國多高層住宅太陽能熱水系統(tǒng)的形式以分散式居多，設(shè)計(jì)人員通常將家用型太陽能熱水器設(shè)于屋頂，以DN15或DN20塑料熱水管接至住戶戶內(nèi)。

輔助熱源設(shè)計(jì)通常有兩種：1)太陽能集熱器水箱自帶電加熱；2)利用住戶廚房?jī)?nèi)燃?xì)鉄崴髯鲚o助加熱，并由住戶手動(dòng)切換熱源。前一種做法不節(jié)能，不符合國家推行節(jié)能減排的大政方針，而且住戶的電費(fèi)負(fù)擔(dān)也比較大，而后一種做法采用燃?xì)廨o熱，且節(jié)省了集熱水箱內(nèi)的電加熱棒，不僅節(jié)省了初次投資，也節(jié)約了住戶的日常費(fèi)用，見圖1。

太陽能集熱器水箱進(jìn)水由液位信號(hào)和水表井內(nèi)電動(dòng)閥控制。住戶使用熱水時(shí)，根據(jù)控制器上顯示的太陽能熱水溫度，手動(dòng)切換三通閥選擇太陽能熱水或是燃?xì)鉄崴鳠崴?/p>

系統(tǒng)中太陽能集熱器的上下水采用單管。之所以不采用冷熱水雙管，主要原因是公共空間不夠。以常見的頂部分區(qū)共8層，每層4戶的住宅為例，雙管系統(tǒng)在公共空間最多需要64根立管，比單管系統(tǒng)多1倍的立管。近幾年的住宅建筑，為了提高得房率，對(duì)公共區(qū)域面積的控制普遍緊湊，64根立管很難找到合適的位置。次要原因是為了降低成本，這也是開發(fā)商非常重視的問題。

這種系統(tǒng)因?yàn)槌杀镜土艿搅碎_發(fā)商的歡迎。但這種系統(tǒng)有著明顯的缺陷，太陽能熱水從屋頂熱水箱至住戶用水點(diǎn)的距離太遠(yuǎn)，意味著住戶洗澡前需要先放掉非常多的冷水。

以某高層住宅項(xiàng)目為例，其最高一個(gè)給水分區(qū)共8層，該分區(qū)于屋頂設(shè)太陽能熱水器供熱水。經(jīng)圖紙測(cè)量，從屋頂太陽能熱水器至該分區(qū)最底層住戶的淋浴點(diǎn)，熱水管道采用S3.2PPR熱水管，長度約為50 m，管徑為De25，管內(nèi)冷水量約為52 L。如果按淋浴器流量0.075 L/s計(jì)算的話，熱水出水時(shí)間是693 s。也就是說，住戶洗澡前需要先等待近12 min，并放掉52 L冷水。據(jù)某小區(qū)住戶反映，使用太陽能熱水前，確實(shí)需要準(zhǔn)備一個(gè)桶接冷水，這個(gè)冷水通常用于沖廁或洗衣。

隨著國家經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人民群眾越來越富裕，生活也越來越好。很多群眾對(duì)生活品質(zhì)的要求早就已經(jīng)不是簡(jiǎn)單的夠用就好了，而是更在意生活的舒適體驗(yàn)度，而這種太陽能熱水系統(tǒng)設(shè)計(jì)無論如何都不能說是舒適的。就筆者所知，某些住戶裝修時(shí)采用各種方法縮短熱水出水時(shí)間，以提升用水舒適度，但對(duì)于位于公區(qū)的太陽能供水管，住戶就無能為力了，以至于有將太陽能熱水進(jìn)水關(guān)閉，棄之不用的情況，這毫無疑問是一種極大的浪費(fèi)。

據(jù)筆者所知，這種形式的太陽能熱水系統(tǒng)設(shè)計(jì)是普遍存在的。而之所以這樣，個(gè)人認(rèn)為原因有兩個(gè)：一是規(guī)范層面對(duì)分散式太陽能熱水出水時(shí)間并未做出要求，《住宅設(shè)計(jì)規(guī)范》第8.2.4條僅要求戶內(nèi)熱水器不循環(huán)的熱水供水支管長度不宜超過8 m，而對(duì)于多層和高層住宅項(xiàng)目，分散式太陽能熱水供水管做循環(huán)是存在困難的，增加了成本的同時(shí)也增加了耗能。所以設(shè)計(jì)人員在規(guī)范沒有明確的情況下，因?yàn)槌杀镜膲毫驮O(shè)計(jì)的復(fù)雜性而選擇無視了這個(gè)問題。二是設(shè)計(jì)與現(xiàn)場(chǎng)的脫節(jié)。太陽能熱水器依賴于廠家提供產(chǎn)品和施工，甲方招標(biāo)后，不按設(shè)計(jì)院的施工圖施工，由中標(biāo)的太陽能熱水器廠家另行設(shè)計(jì)并施工。但廠家設(shè)計(jì)人員良莠不齊，為了拿下項(xiàng)目，更是盡力省材，通過低成本增加中標(biāo)概率，其二次設(shè)計(jì)的圖紙更不可能考慮熱水出水時(shí)間的問題。

盡管存在這兩個(gè)原因，但筆者認(rèn)為，面對(duì)人民群眾越來越高的生活品質(zhì)要求，設(shè)計(jì)人員有責(zé)任進(jìn)行更詳盡的設(shè)計(jì)，并有責(zé)任要求甲方和太陽能廠家按設(shè)計(jì)院施工圖二次設(shè)計(jì)和施工。

最新執(zhí)行的《建筑給水排水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》第6.6.1.6條提出了一種集中集熱、分散供熱的太陽能熱水系統(tǒng)，該方案的太陽能集熱部分為集中系統(tǒng)，采用承壓集熱板和集熱水箱，或集熱、貯熱、換熱組合式集熱器，供至住戶部分采用一根總立管，距離較遠(yuǎn)時(shí)做循環(huán)，戶內(nèi)采用帶溫控?zé)崴鳌?/p>

筆者幾年前也設(shè)計(jì)過類似系統(tǒng)，為集中集熱，分散貯熱供熱方案，與規(guī)范中的方案的區(qū)別是戶內(nèi)采用的是熱交換水箱，并且沒有分戶熱水表。但筆者設(shè)計(jì)的系統(tǒng)并不為開發(fā)商接受，原因就是集中成本太大。近年開發(fā)商日益重視成本控制，這種系統(tǒng)恐不易為開發(fā)商接受。

另外，規(guī)范提出的這個(gè)系統(tǒng)和傳統(tǒng)的集中集熱供水系統(tǒng)一樣，需要設(shè)置熱水表，據(jù)筆者了解，設(shè)置熱水表的太陽能集中供熱水系統(tǒng)，熱水費(fèi)收取過程容易產(chǎn)生糾紛。由于用水時(shí)段不同，太陽能熱水供水溫度不一致。住戶繳納的水費(fèi)是一樣的，但得到的水溫卻不一樣，因此住戶也有抵觸情緒。

2 改進(jìn)方案

有鑒于此，筆者試圖在不增加太多成本的前提下解決這個(gè)問題，并在多項(xiàng)工程中應(yīng)用了解決方案。

在圖1的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了改進(jìn)，見圖2(屋頂部分與圖1相同)。

將手動(dòng)三通閥改為電動(dòng)三通閥或溫控?fù)Q向閥，當(dāng)使用電動(dòng)三通閥時(shí)，閥前設(shè)水溫傳感器，使用溫控?fù)Q向閥時(shí)，閥前不需要設(shè)水溫傳感器。

電動(dòng)三通閥的缺點(diǎn)是需要用電，由控制器通過水溫傳感器信號(hào)控制，優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格僅為溫控?fù)Q向閥的1/2。溫控?fù)Q向閥的優(yōu)點(diǎn)是無需用電，不需要控制器控制，其內(nèi)部自帶溫控元件，可以根據(jù)進(jìn)水溫度自動(dòng)轉(zhuǎn)換出水方向，缺點(diǎn)是價(jià)格高。兩者共同的缺點(diǎn)是換向速度慢，電動(dòng)三通閥需要10 s，溫控?fù)Q向閥需要7 s～8 s。

使用電動(dòng)三通閥：當(dāng)水溫傳感器處的溫度低于55 ℃時(shí)，三通閥出水方向?yàn)槿細(xì)鉄崴鳎瑴囟炔恍∮?5 ℃時(shí)，出水方向?yàn)橛盟c(diǎn)，切換過程中，兩個(gè)方向均有出水。

使用溫控?fù)Q向閥：當(dāng)進(jìn)水溫度低于55 ℃時(shí)，三通閥出水方向?yàn)槿細(xì)鉄崴鳎瑴囟炔恍∮?0 ℃時(shí)，出水方向?yàn)橛盟c(diǎn)，55 ℃～60 ℃時(shí)，兩個(gè)方向均有出水。

但圖2所示系統(tǒng)仍然存在缺陷。

當(dāng)太陽能集熱水箱不需要進(jìn)水時(shí)，電動(dòng)閥處于關(guān)閉狀態(tài)，太陽能熱水出水溫度變化平緩，電動(dòng)三通閥或溫控?fù)Q向閥雖然切換時(shí)間慢，但用水點(diǎn)的熱水溫度仍然能夠保證高于用水溫度。但當(dāng)太陽能集熱水箱進(jìn)水和住戶用水同時(shí)發(fā)生時(shí)，電動(dòng)閥開啟，由于冷水的進(jìn)入，供水管內(nèi)水溫會(huì)突然下降，導(dǎo)致用水點(diǎn)水溫突變。

為解決這個(gè)問題，可在控制器處設(shè)定：當(dāng)電動(dòng)閥開啟前，忽略水溫傳感器信號(hào)，提前將電動(dòng)三通閥的流向強(qiáng)制轉(zhuǎn)向燃?xì)鉄崴鳎妱?dòng)三通閥提前于電動(dòng)閥開啟轉(zhuǎn)向的時(shí)間t1應(yīng)根據(jù)具體項(xiàng)目布置計(jì)算，建議按一個(gè)淋浴點(diǎn)的流量0.075 L/s計(jì)算冷水從圖2A點(diǎn)到達(dá)三通閥的時(shí)間t2，設(shè)三通閥轉(zhuǎn)向時(shí)間為t3(10 s)，t1應(yīng)大于t3-t2。保守設(shè)計(jì)時(shí)，也可以忽略t2，將t1定為10 s。

這種解決方法僅適用于電動(dòng)三通閥，不能用于溫控?fù)Q向閥，因?yàn)闇乜負(fù)Q向閥是通過閥門自帶感溫元件來進(jìn)行換向動(dòng)作的，不接受外部控制。

這一方案存在高溫?zé)崴趖2時(shí)間段內(nèi)通過燃?xì)鉄崴鞯目赡堋?/p>

目前市場(chǎng)上大部分燃?xì)鉄崴鞫加谐鏊疁囟瓤刂乒δ埽芨鶕?jù)進(jìn)水溫度控制燃?xì)馊紵浚?dāng)進(jìn)水溫度高于設(shè)定的出水溫度時(shí)，熱水器不點(diǎn)火。但部分低檔燃?xì)鉄崴鞑]有這個(gè)功能。

由于設(shè)計(jì)人員不能控制業(yè)主購買什么功能的燃?xì)鉄崴鳎虼穗妱?dòng)三通閥方案適用于交房前就配有恒溫出水功能的燃?xì)鉄崴鞯木b住宅項(xiàng)目，設(shè)計(jì)人員可要求開發(fā)商選購帶恒溫出水功能的燃?xì)鉄崴鳌?/p>

當(dāng)項(xiàng)目為毛坯房或配套燃?xì)鉄崴鞑粠С鏊疁囟瓤刂茣r(shí)，建議采用溫控?fù)Q向閥方案(見下文)。也可以在燃?xì)鉄崴鞒鏊嗽黾雍銣鼗焖y，但增加恒溫混水閥的話，成本接近溫控?fù)Q向閥方案，見圖3。

當(dāng)采用溫控?fù)Q向閥時(shí)，在圖2基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，見圖4。

在溫控?fù)Q向閥前增加一根旁通管，旁通管上設(shè)常閉電磁閥。僅當(dāng)電動(dòng)閥開啟時(shí)，當(dāng)水溫傳感器溫度降至55 ℃以下時(shí)，電磁閥通電，燃?xì)鉄崴鼽c(diǎn)火，溫控?fù)Q向閥切換完畢后，電磁閥斷電。由于電磁閥切換速度極快，因此可以保證用水點(diǎn)水溫波動(dòng)較小。溫控?fù)Q向閥換向速度為7 s～8 s，因此電磁閥通電時(shí)間只需要保持8 s以上就可以，耗電不高，發(fā)熱也不嚴(yán)重。此方案的缺點(diǎn)是電磁閥斷電關(guān)閉時(shí)可能造成水錘，產(chǎn)生噪聲和振動(dòng)，但因?yàn)榧彝ビ盟髁啃。绊懸脖容^小。

綜上所述，采用電動(dòng)三通閥時(shí)，系統(tǒng)如圖2或圖3所示，采用溫控?fù)Q向閥時(shí)，系統(tǒng)如圖4所示。

3 改進(jìn)方案的成本

根據(jù)阿里巴巴網(wǎng)站上查詢得到的價(jià)格(規(guī)格均按DN20，采購數(shù)量少于500個(gè)，價(jià)格選取中低價(jià)位)，圖2和圖3所示方案中，電動(dòng)三通閥價(jià)格為72元，水溫傳感器的價(jià)格為3.5元，恒溫混水閥的價(jià)格為90元。圖4方案中，溫控?fù)Q向閥價(jià)格為169元，電磁閥價(jià)格為23元。

當(dāng)采用圖3方案時(shí)，由于不確定住戶選用的燃?xì)鉄崴黝愋停虼丝蓪⒑銣鼗焖y作為備選件，由開發(fā)商交房時(shí)提示住戶根據(jù)選用的燃?xì)鉄崴鞔_定是否安裝恒溫混水閥。

假設(shè)某棟常見高層住宅的頂部供水分區(qū)共有8層，均設(shè)太陽能熱水供水，每層4戶。以此來粗略計(jì)算三個(gè)方案增加的成本，見表1(表中忽略增加的管道和控制線成本)。

表1 某高層住宅采用新方案后相對(duì)圖1方案增加的成本 元

從成本角度考慮，圖2方案是較為經(jīng)濟(jì)的，相對(duì)于工程總投資，可以說增加的成本微乎其微，但卻可以極大地提高住戶用水舒適度，提升住宅品質(zhì)。

4 提升用水舒適度的其他相關(guān)方案介紹

本文提出的方案解決的是太陽能熱水器到燃?xì)鉄崴魈幍墓艿纼?nèi)冷水問題，解決的是熱水入戶的問題，并沒有解決戶內(nèi)熱水管道的冷水問題。

關(guān)于非集中供水的住宅戶內(nèi)熱水管內(nèi)的冷水段處理，規(guī)范的相關(guān)規(guī)定是這樣的：《住宅設(shè)計(jì)規(guī)范》第8.2.4條要求戶內(nèi)熱水器不循環(huán)的熱水供水支管長度不宜超過8 m；《建筑給水排水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》第6.3.14條要求3個(gè)或3個(gè)以上衛(wèi)生間的住宅需做熱水循環(huán)。

因此對(duì)于一般住宅，供水支管長度超過8 m，或有3個(gè)及以上衛(wèi)生間時(shí)，可做循環(huán)泵循環(huán)。但筆者也遇到過開發(fā)商提出的循環(huán)泵噪聲影響住宅品質(zhì)的意見，當(dāng)時(shí)因?yàn)闆]有成熟的不使用循環(huán)泵的方案，因此仍舊采用了循環(huán)泵方案。

筆者后來在網(wǎng)上看到有一些住戶在沒有熱水循環(huán)的戶內(nèi)采用了一種較為巧妙的方法，部分解決了這個(gè)問題，據(jù)分享方案的住戶反映，熱水出水極快，用水舒適度得到了極大的提升。但這個(gè)方案并不完善，在工程設(shè)計(jì)中需要考慮的因素較多，因此本小節(jié)僅對(duì)這一方案進(jìn)行介紹，并不推薦。

圖5方案是在遠(yuǎn)離廚房的衛(wèi)生間內(nèi)增加一個(gè)小廚寶和恒溫混水閥，恒溫混水閥設(shè)置較高的出水溫度，小廚寶設(shè)置較低的出水溫度。

住戶剛開啟衛(wèi)生間內(nèi)水龍頭時(shí)，從燃?xì)鉄崴鞣较騺淼臒崴軆?nèi)出水為冷水，小廚寶出水為熱水，因此恒溫混水閥的冷水進(jìn)水端很快關(guān)閉，小廚寶內(nèi)熱水通過恒溫混水閥，住戶此時(shí)使用的是小廚寶內(nèi)的熱水。當(dāng)熱水管內(nèi)冷水走完，熱水到達(dá)后，由于溫度高于小廚寶出水溫度，恒溫混水閥熱水端關(guān)閉，冷水端開啟，住戶此時(shí)使用的是燃?xì)鉄崴鞣较騺淼臒崴?/p>

這個(gè)方案的優(yōu)點(diǎn)是熱水出水快，臺(tái)盆出熱水幾乎不需要等待，淋浴熱水出水時(shí)間也短。

缺點(diǎn)有三個(gè)：一是淋浴器需要安裝恒溫混水龍頭，成本較高，因?yàn)闊崴畞碓辞袚Q的時(shí)候溫度有突變，必須要恒溫混水龍頭避免燙傷事故；二是目前市場(chǎng)上的恒溫渾水閥廠家并未明確冷水端長期進(jìn)熱水的話，對(duì)配件的壽命是否有不利影響；三是這一方案不適用于別墅類大戶型，當(dāng)熱水管道較長，管內(nèi)冷水較多時(shí)，小廚寶內(nèi)熱水量有限，無法保證熱水連續(xù)性。當(dāng)小廚寶出水時(shí)，熱水管段內(nèi)的冷水不斷進(jìn)入小廚寶，頂出熱水，同時(shí)與小廚寶內(nèi)熱水混合降溫。一個(gè)10 L儲(chǔ)量的小廚寶在這個(gè)過程中能夠提供的有足夠溫度的熱水量有多少，需要實(shí)驗(yàn)確定。

因此這個(gè)方案用于大戶型時(shí)，恐怕并不理想。好在大戶型使用循環(huán)泵時(shí)，在不影響住戶使用感受的前提下，尋找一個(gè)合適的位置并不困難。