太陽能熱水系統(tǒng)在高層建筑中的應(yīng)用

鮑曉麗

上海航天建筑設(shè)計(jì)院，上海 200033

太陽能作為一種可再生的清潔能源，近年來在建筑中的利用日益受到關(guān)注。其中，太陽能熱水系統(tǒng)是目前太陽能利用領(lǐng)域中技術(shù)發(fā)展最成熟、經(jīng)濟(jì)上也具有競爭力的綠色能源技術(shù)。

太陽能熱水系統(tǒng)在中小城市，特別是在多層住宅中的設(shè)計(jì)已趨近成熟。但隨著太陽能熱水系統(tǒng)的推廣和發(fā)展，其在小高層、高層建筑的設(shè)計(jì)顯得更為重要。目前太陽能熱水系統(tǒng)在小高層、高層建筑中的應(yīng)用，主要采用集中集熱分戶換熱、集中集熱分戶供水、集中集熱分戶輔熱和分戶集熱分戶輔熱（陽臺(tái)型）熱水系統(tǒng)四種類型。

圖1 集中集熱分戶換熱系統(tǒng)原理圖

1 集中集熱分戶換熱

集中集熱分戶換熱是指采用集中的太陽能集熱器和分散式的室內(nèi)水箱供給一個(gè)單元或者一棟建筑物所需熱水的系統(tǒng)。一般以一個(gè)單元或者樓為系統(tǒng)單元，系統(tǒng)多為承壓系統(tǒng)，通過強(qiáng)制循環(huán)將太陽能轉(zhuǎn)化成的熱量傳遞給每家每戶，陰雨天或者水量大時(shí)可啟動(dòng)戶內(nèi)輔熱。

系統(tǒng)特點(diǎn)是太陽能集熱器根據(jù)需要集中設(shè)置，可以設(shè)置在建筑屋面、墻面等可充分接受陽光的位置。樓頂放置一個(gè)集熱水箱，而每戶室內(nèi)再設(shè)置一個(gè)小的分戶儲(chǔ)水箱。太陽能與室內(nèi)水箱進(jìn)行換熱，室內(nèi)水箱輔助加熱，太陽能系統(tǒng)可以是承壓系統(tǒng)也可為非承壓系統(tǒng)。優(yōu)點(diǎn)：物業(yè)管理和計(jì)量方便，各室內(nèi)的儲(chǔ)水箱為系統(tǒng)獨(dú)立，太陽能進(jìn)行換熱，從而達(dá)到節(jié)能的效果，維護(hù)方便。缺點(diǎn)：該系統(tǒng)的投資大，管道熱損失大。太陽能系統(tǒng)效率低，低層系統(tǒng)壓力大，設(shè)備及設(shè)計(jì)要求高。

2 集中集熱分戶供水

集中集熱分戶供水是指采用集中的太陽能集熱器和集中的集熱水箱供給一個(gè)單元或者一棟建筑物所需的熱水，通過熱水計(jì)量方式計(jì)算用水量。集中的儲(chǔ)水箱配置輔助加熱。系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用計(jì)入熱水水費(fèi)中。

圖2 集中集熱分戶供水系統(tǒng)原理圖

系統(tǒng)特點(diǎn)是太陽能集熱器根據(jù)需要集中設(shè)置，設(shè)置一個(gè)或者兩個(gè)（一個(gè)用于集熱，一個(gè)用于儲(chǔ)熱）儲(chǔ)水設(shè)備，進(jìn)行供水；供熱終端則有計(jì)量裝置。優(yōu)點(diǎn)：節(jié)約投資；系統(tǒng)采用定時(shí)定溫管道循環(huán)，打開即有熱水，熱損失相對(duì)小；開式系統(tǒng)、設(shè)備投資小、系統(tǒng)簡單；采取定水量或者定水箱使用輔助能源加熱，節(jié)約能源和縮短時(shí)間；合理的水費(fèi)可為物業(yè)盈利。缺點(diǎn)：物理管理和計(jì)量收費(fèi)相對(duì)麻煩，用水時(shí)間不統(tǒng)一造成后續(xù)用水量不足或者輔助能源消耗量增加。

3 集中集熱分戶輔熱

圖3 集中集熱分戶供水系統(tǒng)原理圖

集中集熱分戶輔熱是指采用集中的太陽能集熱器和集中的集熱水箱，每戶配置一個(gè)燃?xì)鈷毂跔t或者電熱水器，太陽能提供比較高的基礎(chǔ)水溫，供給一個(gè)單元或者一棟建筑物所需的熱水，太陽能不能滿足需求時(shí)啟動(dòng)室內(nèi)設(shè)備，熱水按照冷水進(jìn)行計(jì)量，將系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用計(jì)入物業(yè)費(fèi)里面。

系統(tǒng)特點(diǎn)是太陽能集熱器根據(jù)需要集中設(shè)置，同樣可以放置在建筑屋面、墻面等可充分接受陽光的位置。樓頂放置一個(gè)集熱水箱，而每戶室內(nèi)再設(shè)置一個(gè)小儲(chǔ)水箱或者燃?xì)獗趻鞝t。太陽能提供比較高的基礎(chǔ)水溫，各戶有獨(dú)立使用的儲(chǔ)水箱（或者燃?xì)鈷毂跔t），并設(shè)有水表，各戶使用的熱水都是各戶內(nèi)的儲(chǔ)水箱（或者燃?xì)鈷毂跔t）輔熱后生成。優(yōu)點(diǎn)：物業(yè)管理和計(jì)量方便，室內(nèi)系統(tǒng)獨(dú)立，太陽能提供比較高的基礎(chǔ)水溫，從而達(dá)到節(jié)能的效果，維護(hù)方便，系統(tǒng)可以起到最大化的互補(bǔ)。優(yōu)點(diǎn)：因天氣變化進(jìn)入各戶儲(chǔ)水箱（或者燃?xì)鈷毂跔t）的基礎(chǔ)水溫變化較大，對(duì)后續(xù)的輔熱設(shè)備提出了較高的要求。

4 分戶集熱分戶輔熱（陽臺(tái)型）

此系統(tǒng)是將集熱器安裝在建筑南立面、陽臺(tái)等位置，適合高層、小高層建筑中安裝，集熱器采光時(shí)間不少于4h。水箱主要安裝在陽臺(tái)位置，減少熱損失。集熱器要有防止真空管掉落的措施。系統(tǒng)承壓運(yùn)行或常壓運(yùn)行、增壓供水，每戶為獨(dú)立系統(tǒng)，系統(tǒng)簡單，和建筑完美結(jié)合。此系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)為每戶獨(dú)立系統(tǒng)，彌補(bǔ)了目前很多住宅建筑入住率低的缺陷。缺點(diǎn)：因集熱器安裝在建筑的南立面，每戶獨(dú)立系統(tǒng)，建筑的高度、位置以及每戶所處的位置不同等等都將決定該系統(tǒng)的運(yùn)行。

根據(jù)該系統(tǒng)的循環(huán)方式，分為陽臺(tái)強(qiáng)制循環(huán)系統(tǒng)和陽臺(tái)自然循環(huán)兩種。

1）陽臺(tái)強(qiáng)制循環(huán)系統(tǒng)

集熱器、換熱器和循環(huán)管路中的太陽能站構(gòu)成了溫差循環(huán)管路。溫差循環(huán)功能通過控制器的溫差設(shè)定完成，當(dāng)集熱器與儲(chǔ)水箱的溫差大于太陽能的啟動(dòng)溫度時(shí)，太陽能啟動(dòng)，使管路中的傳熱介質(zhì)流動(dòng)，通過換熱器將熱量傳遞給水箱內(nèi)的水；反之同理。電加熱構(gòu)成輔助熱源部分，用于太陽能不足或?qū)λ疁匾筝^高時(shí)的熱量補(bǔ)充。

2）陽臺(tái)自然循環(huán)系統(tǒng)

整個(gè)系統(tǒng)由集熱器、水箱、介質(zhì)循環(huán)管路構(gòu)成溫差循環(huán)管路。陽光照射到真空管上，光能被真空管內(nèi)管外壁上的選擇性吸收涂層吸收，并轉(zhuǎn)化為熱能，加熱集熱器內(nèi)的介質(zhì)，集熱器內(nèi)的介質(zhì)溫度升高后，密度變小，與水箱夾套的介質(zhì)形成對(duì)流，熱的介質(zhì)自然往上循環(huán)，冷的介質(zhì)從水箱的夾套回流到集熱器，集熱器再將回流的介質(zhì)加熱，如此往復(fù)，水箱內(nèi)的水被加熱，水溫上升。整個(gè)循環(huán)過程靠介質(zhì)對(duì)流完成，不需要循環(huán)泵強(qiáng)制運(yùn)行。

考慮到陰雨天及冬季太陽能不能提供滿足設(shè)計(jì)需求的熱量，因此，相對(duì)其它熱水系統(tǒng)，太陽能熱水系統(tǒng)的特別之處就在于其輔助加熱必不可少。常用輔熱方式有：電、蒸汽、燃油燃?xì)忮仩t、空氣源或水源熱泵加熱等。按照輔熱的集中與否分為集中輔熱和分戶輔熱。

集中輔熱的優(yōu)點(diǎn)：集熱、儲(chǔ)熱及輔助加熱均集中設(shè)置，可達(dá)到資源共享，總能耗低。缺點(diǎn)：系統(tǒng)集中運(yùn)行，一旦出現(xiàn)故障，所有用戶熱水將不能得到保證；管道及系統(tǒng)控制相對(duì)復(fù)雜，需專門人員維護(hù)管理；需要消耗公共能源進(jìn)行輔助加熱，故需要分戶計(jì)量并收取生活熱水費(fèi)用，給物業(yè)管理增加難度；入住率對(duì)熱水運(yùn)行成本有較大影響；初投資較高。分戶輔熱的優(yōu)點(diǎn)：太陽能集熱器集中設(shè)置，可達(dá)到資源共享；陰雨天太陽能不足時(shí)，由住戶根據(jù)需求自主選擇是否輔助加熱，使用時(shí)互不干擾；初投資較低；減少了集中輔熱帶來的費(fèi)用分?jǐn)偤凸芾砩系拿堋Ｈ秉c(diǎn)：用水不如集中輔熱方便、舒適；安全度不如集中輔熱系統(tǒng)。

隨著太陽能熱水系統(tǒng)的大力開發(fā)，選擇何種輔助熱源以及如何將輔熱方式和太陽能熱水系統(tǒng)更好地結(jié)合將成為新的研究方向。同時(shí)，隨著人們對(duì)生活質(zhì)量要求的進(jìn)一步提高，如何將太陽能熱水系統(tǒng)與住宅建筑密切結(jié)合，尋求外形美觀、布局合理的太陽能熱水系統(tǒng)與建筑一體化的住宅設(shè)計(jì)將成為當(dāng)代太陽能利用的主要潮流。