2019版建水標住宅太陽能熱水新系統設計探討

王 永 強

(晉城市建筑設計院，山西 晉城 048000)

0 引言

GB 50015—2019建筑給水排水設計標準(以下簡稱《建水標》)中關于太陽能、熱泵熱水供應系統作為單獨一節編寫，關于太陽能熱水系統規定更加系統全面，其主要變化是引入一種全新的集熱貯熱一體式無動力循環太陽能集熱系統，這種太陽能集熱器主要采用熱傳導集熱方式，大大簡化太陽能集熱系統，為有效推廣太陽能熱水系統提供了強有力的技術支持。

本文從《建水標》住宅集中集熱分散供熱太陽能設計分析，探討住宅建筑采用無動力循環貯筒式集熱器設計及利用。

1 傳統住宅太陽能熱水系統存在問題分析

從2008年9月《山西省民用建筑節能條例》發布，鼓勵既有民用建筑的所有權人或者使用權人安裝使用太陽能等可再生能源；到2013年8月《山西省開展綠色建筑行動實施意見》發布，強制推進太陽能光熱應用。太陽能屋頂計劃已經在我省走過了10多個年頭，住宅建筑更是太陽能屋頂計劃的重要組成部分，但是實際使用情況并不理想。

從現有設計及實際竣工項目使用情況來看，住宅采用分散集熱—分散供熱即陽臺壁掛太陽能熱水系統設計使用簡單，但實際使用中存在換熱效率低，同時受規劃、建筑方案等影響未進行大面積推廣；住宅采用集中集熱—分散供熱太陽能熱水系統多采用間接換熱，系統簡單，但換熱效率不高，戶內需設熱水箱，初期投資大，存在跨層換熱的風險；住宅采用集中集熱—集中供熱太陽能熱水系統較為常見，但該系統不能適應住宅入住率變化，當入住率很低時，整個熱水系統使用費較高。如晉城某住宅項目達到入住率77.5%時，每戶每月平均分攤電輔助加熱費用支出約為25元。住宅太陽能熱水系統實際使用過程中存在集熱器爆管、電加熱棒易損壞、熱水循環泵易損壞等問題，加上運行費用高，物業管理水平有限等缺點致使系統用不了多久就被迫停止使用。

2 住宅太陽能熱水新集中集熱、分散供熱系統應用

根據《建水標》住宅類相似建筑設計宜采用集中集熱、分散供熱太陽能熱水系統時，應由集熱、貯熱、換熱一體間接預熱承壓冷水供應熱水的組合系統直接向分散帶溫控的熱水器供應預熱水。這種組合系統是由國內有關科研設計企業經過多年的科研實踐的一種新系統，其核心組成部件就是集熱、貯熱、換熱一體的貯筒(內外筒)組合式集熱器，因為這種新型太陽能熱水集熱系統不需要機械循環，僅通過自然循環集熱、傳導對流換熱，將太陽能集熱、貯熱、換熱集成一體的模塊化太陽能熱水裝置，因此也被稱為無動力集熱循環太陽能集貯熱裝置。

2.1 無動力集熱循環太陽能集熱器面積計算

《建水標》對太陽能集熱器總面積的計算進行了修編，以平均日耗熱量代替最高日耗熱量指標；同時結合T/CECS 48—2017無動力集熱循環太陽能熱水系統應用技術規程，以晉城丹河新城某住宅項目為例進行計算，無動力集熱循環太陽能集熱器按每個單元獨立設置，每個單元2戶，考慮逆12層設置。以每單元為單位計算無動力集熱循環太陽能集熱器面積如表1，表2所示。

表1 平均日耗熱量計算

表2 無動力集熱循環太陽能集熱器面積計算

2.2 無動力集熱循環太陽能集貯熱裝置設計選型及平面布置

無動力集熱循環太陽能集貯熱裝置目前國標規范和協會行業標準比較齊全，但是標準圖集里僅有內筒式太陽能集熱器部分資料，無動力集熱循環太陽能集貯熱裝置基本沒有選型資料。設計過程中筆者咨詢了T/CECS 48無動力集熱循環太陽能熱水系統應用技術規程主編單位及標準圖集《太陽能集中熱水系統選用及安裝》參編單位，國標圖集參編企業提供參數如表3所示。

表3 無動力集熱循環太陽能集貯熱裝置參數表

本次設計選用無動力集熱循環太陽能集貯熱裝置型號為SLY-320/24-5821，集熱面積為4.2 m2，根據集熱器總面積計算需要集貯熱裝置15.2套，實際設計根據屋面面積總計布置16套。

丹河新城某住宅項目3個單元，每單元2戶，邊戶屋頂集熱器及管道布置見圖1。

2.3 住宅集中集熱、分散供熱無動力集熱循環太陽能熱水系統設計

2.3.1太陽能熱水系統設計及運行

丹河新城某住宅項目采用集熱、貯熱、換熱一體間接預熱承壓冷水供應熱水系統的組合系統直接向分散帶溫控的熱水器供水。各層住戶分散帶溫控的熱水器考慮到本地住戶使用習慣采用具有雙溫度傳感器的智能恒溫燃氣熱水器，系統原理見圖2。

屋頂集熱系統采用無動力集熱循環太陽能集貯熱裝置，集熱系統大大簡化，省掉集中供熱水箱同時省去集熱循環水泵；熱水供水系統與傳統集中熱水系統一樣，并設有熱水回水循環水泵。

1)熱水用水時，太陽能預熱水經電子恒溫混合閥控溫后進入住戶燃氣熱水器，經熱水器定溫加熱后供至用水端；住戶燃氣熱水器采用具有雙控傳感器的智能恒溫多段點火燃氣熱水器，當熱水進水溫度不低于50 ℃時，燃氣熱水器不啟動。當熱水進水溫度低于50 ℃時，智能恒溫燃氣熱水器電控程序通過測量進出水溫度差值及水流量，計算達到燃氣熱水器出水溫度時所需的燃氣量，并通過燃氣比例閥調節燃氣進氣量，加熱達到設定溫度。2)為防止太陽能熱水供水溫度過高發生燙傷事故，設計在熱水供水管上設置電子恒溫混合閥與生活冷水管道混合，控制電子恒溫混合閥閥后供水溫度不高于60 ℃。3)回水管網控制采用常用的溫差循環，當回水干管溫度(T2)不高于45 ℃且太陽能集貯熱裝置內太陽能熱水(T1)-回水干管溫度(T2)≥5 ℃時，熱水回水循環泵開啟；當回水干管溫度(T2)高于50 ℃時，熱水回水循環泵關閉。4)當集熱系統發生故障檢修時，需關閉太陽能集熱系統時，關閉1，2，3號閘閥，打開4號檢修閥，由冷水直接供給用戶使用。

2.3.2屋頂太陽能設備間設計

丹河新城某住宅項目采用無動力集熱循環太陽能集貯熱裝置省掉屋頂供熱水箱后太陽能設備間面積大大減小，僅需要設置熱水回水循環泵及滅菌消毒設施等閥門附件。屋頂太陽能設備間的設計采用屋頂擴大水暖井至住宅公共走道上部，避免熱水循環泵設置在居住用房上方，省掉設備夾層，節省投資(見圖3)。

2.3.3太陽能熱水供應循環系統設計

住宅集中集熱、分散供熱太陽能熱水新的系統與傳統熱源集中熱水供應的循環系統相似但又略有不同，住宅集中集熱、分散供熱太陽能熱水系統通過屋頂集中放置的無動力集熱循環太陽能集貯熱裝置預熱承壓冷水向住戶供應不確定溫度的熱水，因此在設計過程中熱水循環水泵的出水量取《建水標》規定的下限值。以丹河新城某住宅項目為例進行計算，無動力集熱循環太陽能集熱器按每個單元獨立設置，每個單元2戶，逆12層設置。

1)循環水泵出水量計算。

全日集中熱水供應系統的熱水循環流量計算見表4，設計小時耗熱量計算見表5。

表4 全日集中熱水供應系統的熱水循環流量計算

表5 設計小時耗熱量計算

集中熱水供應系統循環水泵出水量按《建水標》規定下限值1.5倍循環流量取值為554.4 L/h(0.000 154 m3/s)。

2)太陽能熱水供應循環水泵揚程計算。

循環水泵的揚程按循環流量通過配水管網及回水管網的水頭損失之和計算(見表6)。局部水頭損失按沿程損失2倍取值，則循環水泵揚程為2×(0.11+2.22)=4.66 kPa。

表6 循環流量通過配水管網及回水管網沿程水頭損失計算

3)循環水泵選型。

經過計算熱水循環水泵流量554.4 L/h，揚程4.66 kPa，熱水循環泵選用最常用的PH-041E(額定流量3 600 L/h，額定揚程3.5 m，額定功率90 W)，熱水循環泵精巧簡單，耐高溫，低噪聲，自動高效節能，壽命持久，易于安裝維護使用。

3 住宅太陽能熱水集中集熱、分散供熱全新系統與傳統系統經濟對比分析

住宅集中集熱、分散供熱全新系統與傳統系統一次性投資及運行費用分析見表7，表8。

由表7,表8可知，集中集熱、分散供熱無動力循環太陽能熱水系統不僅從前期一次性投入還是后期運行費用都比傳統的集中集熱、分散供熱間接太陽能熱水系統更加經濟。

表7 住宅集中集熱、分散供熱全新系統與傳統系統一次投資估算表

表8 住宅集中集熱、分散供熱全新系統與傳統系統運行費用估算表

4 結語

高位住宅太陽能熱水新的集中集熱、分散供熱系統及無動力集熱循環太陽能熱水系統，突破了傳統集熱理念，改變以往對流換熱為主改為熱傳導換熱為主的集貯熱方式，集熱水箱采用開式水箱儲熱與真空管連接，大大降低了爆管率，貯熱內水箱由同一分區冷水系統直接供給，同組布置貯熱內水箱阻力損失約1 m～2 m，更有利于冷熱水壓力平衡。同時將太陽能熱水系統與戶內燃氣熱水器直接連接，更符合本地住戶的使用習慣，但是系統也存在加裝熱量表計費的缺點。無動力集熱循環太陽能熱水系統相比傳統太陽能供熱系統優勢明顯，運行費用低，后期維護管理方便，更有利于太陽能熱水系統推廣應用，達到真正節能的目的。