高層住宅建筑節(jié)能熱水系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

摘 要：我國(guó)能源短缺問題依然嚴(yán)峻，而建筑業(yè)是耗能大戶，因此，建筑設(shè)計(jì)中采用更多的節(jié)能技術(shù)意義重大。對(duì)節(jié)能熱水系統(tǒng)的利用是住宅建筑開展節(jié)能工作的一大舉措，為了更好的應(yīng)用該技術(shù)，本文就高層住宅建筑節(jié)能熱水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，以滿足用戶的要求。

關(guān)鍵詞：住宅；太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)；系統(tǒng)選擇；參數(shù)計(jì)算；運(yùn)行模式

建筑在使用過程中會(huì)大量消耗自然資源，直接影響到人類社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。雖然我國(guó)是一個(gè)資源豐富的國(guó)家，但在建設(shè)發(fā)展的同時(shí)，也面臨著能源稀缺的尷尬局面，且發(fā)展前期大量能源消耗所換來(lái)的繁榮將難以長(zhǎng)久維持，因此，建筑節(jié)能工作刻不容緩。建筑節(jié)能設(shè)計(jì)也成為了建筑師普遍和自覺的意識(shí)，越來(lái)越多的節(jié)能技術(shù)得到了應(yīng)用，節(jié)能熱水系統(tǒng)就是近年來(lái)在住宅建筑中應(yīng)用較為廣泛的一項(xiàng)節(jié)能技術(shù)，并且取得了一定效果。為了更好地應(yīng)用節(jié)能熱水系統(tǒng)，筆者就高層住宅建筑節(jié)能熱水系統(tǒng)設(shè)計(jì)談?wù)勛约旱囊恍┓治龊退伎肌?/p>

1 系統(tǒng)選擇

某高層建筑，每戶住宅設(shè)置獨(dú)立的太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)，太陽(yáng)能集熱板設(shè)置15°傾角，預(yù)留挑板，建筑立面考慮一體化設(shè)計(jì)，將集熱板作為建筑立面的組成部分，做到與建筑的完美結(jié)合。

由于立面造型要求，不適合在陽(yáng)臺(tái)設(shè)置太陽(yáng)能集熱板，與業(yè)主協(xié)商確定采用集中集熱-分戶儲(chǔ)熱太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)；在建筑物屋面集中安裝太陽(yáng)能集熱器，采用金屬-玻璃真空管集熱器，在每戶衛(wèi)生間內(nèi)安裝儲(chǔ)熱水箱，集熱系統(tǒng)通過循環(huán)管路將熱量輸送到每個(gè)用戶，通過儲(chǔ)熱水箱中的換熱裝置將每戶儲(chǔ)熱水箱中的自來(lái)水加熱供用戶使用；儲(chǔ)熱水箱中內(nèi)置電輔助加熱裝置，當(dāng)太陽(yáng)能光照不足達(dá)不到供水溫度時(shí)采用電輔助加熱裝置加熱儲(chǔ)熱水箱中的自來(lái)水保證用戶使用，電加熱功率1.5kW。由于樓層較高，且每戶面積較小，屋面放置的太陽(yáng)能集熱板無(wú)法滿足全部用戶熱水需求，下部樓層住戶擬采用分體式空氣源熱泵熱水系統(tǒng)，在衛(wèi)生間設(shè)置集熱水箱，在室外設(shè)備平臺(tái)設(shè)置空氣源熱泵機(jī)組。具體設(shè)置樓層經(jīng)計(jì)算確定。

2 參數(shù)計(jì)算

（1）集熱面積計(jì)算

太陽(yáng)能直接系統(tǒng)太陽(yáng)能集熱器采光總面積，式（1）計(jì)算：

（1）

As：太陽(yáng)能直接系統(tǒng)太陽(yáng)能集熱器總采光面積，（m2）

Qrd：設(shè)計(jì)最大日熱水用水量，（L/d），用水量標(biāo)準(zhǔn)采用40L/（人·d），每戶按2人計(jì)算，最大日熱水用水量為80L/d。

C：水的比熱，4.187kJ/（Kg·℃）

ρr：熱水密度，（Kg/L），取1.0Kg/L

tr：熱水溫度，（℃），取60℃

tL：水的初始溫度，（℃），取10℃

JT：當(dāng)?shù)丶療崞鞑晒饷嫔系哪昶骄仗?yáng)能輻照量，[13316kJ/（m2·d）]

f：太陽(yáng)能保證率（%），取40%

η：集熱器的年均效率（%），取40%

ηL：系統(tǒng)的熱損（%），取20%

根據(jù)式（1），計(jì)算得每戶太陽(yáng)能直接系統(tǒng)太陽(yáng)能集熱器采光面積為1.26m2。

太陽(yáng)能間接系統(tǒng)太陽(yáng)能集熱器采光總面積，按式（2）計(jì)算：

（2）

An：太陽(yáng)能間接系統(tǒng)太陽(yáng)能集熱器總采光面積，（m2）

As：太陽(yáng)能直接系統(tǒng)太陽(yáng)能集熱器總采光面積，（m2）

K：太陽(yáng)能集熱器總熱損失系數(shù)，[kJ/（ m2·℃·h）

K1：換熱器傳熱系數(shù)，[kJ/（ m2·℃·h）

F：換熱器換熱面積，（m2）

根據(jù)太陽(yáng)能廠家提供的資料，K·AsK1·F取0.20，每戶太陽(yáng)能間接系統(tǒng)集熱器面積為

1.26×（1+0.20）=1.51m2

陽(yáng)臺(tái)壁掛太陽(yáng)能系統(tǒng)選用1.80 m2集熱器；集中分散太陽(yáng)能系統(tǒng)集熱器面積按每戶1.60 m2計(jì)算，以12#地塊為例，建筑高度為27層，底層架空；標(biāo)準(zhǔn)單元每單元屋面可利用面積448 m2，共設(shè)置2.0×1.0真空管太陽(yáng)能集熱器78塊，總集熱面積156 m2，可滿足12層共96戶用戶熱水需求。因此建筑16層至27層采用太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)，2層至15層采用分戶式空氣源熱泵熱水系統(tǒng)。

空氣源熱泵熱水系統(tǒng)水箱容積采用80L，滿足每戶1d的熱水用水量；最高日平均耗熱量為：

Qd=mqrC（tr-tl）ρr/T

=2×40×4.187×（60-10）×1.0÷（24×3600）

=0.194kW

熱泵機(jī)組設(shè)計(jì)小時(shí)平均秒供熱量為：

Qg：熱泵機(jī)組設(shè)計(jì)小時(shí)平均秒供熱量，（kW）

Qd：最高日平均秒供熱量，（kW）

T1：熱泵機(jī)組設(shè)計(jì)工作時(shí)間，（h），取12h

K1：安全系數(shù)；取K1=1.10

Qg=1.10×0.194×24÷12=0.427kW

設(shè)計(jì)選用空氣源熱泵機(jī)組額定功率0.45kW，機(jī)組平均能效比3.0，另設(shè)1.5kW電輔助加熱。

圖1 陽(yáng)臺(tái)壁掛太陽(yáng)能系統(tǒng)原理圖

圖2 集中集熱-分戶儲(chǔ)熱太陽(yáng)能系統(tǒng)原理圖

圖3 空氣源熱泵熱水系統(tǒng)原理圖

3 系統(tǒng)運(yùn)行模式

（1）陽(yáng)臺(tái)壁掛太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)運(yùn)行模式

陽(yáng)臺(tái)壁掛太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)采用套管式真空管集熱器，真空管水平布置；系統(tǒng)采用間接自然循環(huán)，熱媒由于溫度差在換熱管內(nèi)流動(dòng)，進(jìn)行熱量交換。

分戶集熱水箱內(nèi)設(shè)置1.5kW電輔助加熱，電加熱采用時(shí)間、溫度雙重控制，每天下午6：00至凌晨0：00之間，當(dāng)水箱內(nèi)溫度低于50℃時(shí)啟動(dòng)電加熱，高于60℃時(shí)電加熱關(guān)閉；具體時(shí)間可根據(jù)季節(jié)和各人生活習(xí)慣調(diào)整，必要時(shí)也可根據(jù)用戶需要手動(dòng)啟動(dòng)。

（2）集中集熱-分戶儲(chǔ)熱太陽(yáng)能系統(tǒng)運(yùn)行模式

系統(tǒng)循環(huán)采用定溫溫差循環(huán)，即當(dāng)集熱器溫度高于60℃，且集熱器溫度與系統(tǒng)管道溫度溫差大于10℃時(shí)，系統(tǒng)循環(huán)泵啟動(dòng)，集熱器中的高溫?zé)崦捷斔椭羶?chǔ)熱水箱內(nèi)的換熱盤管加熱儲(chǔ)熱水箱中的自來(lái)水；當(dāng)集熱器溫度低于55℃，或集熱器溫度與系統(tǒng)管道溫度溫差小于5℃時(shí)，系統(tǒng)循環(huán)泵停止運(yùn)行，避免熱媒管道帶走儲(chǔ)熱水箱中的熱量。控制系統(tǒng)中各控制溫度可根據(jù)用戶需要進(jìn)行調(diào)整。

集熱器與緩沖水箱間循環(huán)介質(zhì)采用防凍液，緩沖水箱與集熱水箱間循環(huán)介質(zhì)采用自來(lái)水，集熱循環(huán)管道和加熱循環(huán)管道均采取保溫措施，屋面明露的加熱循環(huán)管道設(shè)置電伴熱帶。當(dāng)系統(tǒng)管道溫度低于2℃時(shí)，伴熱帶啟動(dòng)為系統(tǒng)室外部分管道加熱，當(dāng)系統(tǒng)管道溫度高于5℃時(shí)，伴熱帶關(guān)閉。

分戶集熱水箱電加熱系統(tǒng)控制與陽(yáng)臺(tái)壁掛系統(tǒng)相同。由于集熱器溫度低于60℃時(shí)，循環(huán)加熱系統(tǒng)關(guān)閉，所以用戶熱水箱內(nèi)的熱量不會(huì)被帶走。

（3）熱泵系統(tǒng)運(yùn)行模式

熱泵系統(tǒng)熱水系統(tǒng)最高水溫可達(dá)60℃，用戶可根據(jù)需要進(jìn)行設(shè)定；系統(tǒng)可采用定時(shí)啟動(dòng)，盡量利用夜間用電低谷時(shí)段進(jìn)行加熱，也可根據(jù)個(gè)人生活習(xí)慣設(shè)置；環(huán)境溫度低于-7℃時(shí)，熱泵效率降低，系統(tǒng)自動(dòng)轉(zhuǎn)換為直接電加熱模式。

4 各系統(tǒng)優(yōu)缺點(diǎn)

陽(yáng)臺(tái)壁掛太陽(yáng)能系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)簡(jiǎn)單，運(yùn)行費(fèi)用低，無(wú)公用設(shè)備及水電費(fèi)用，業(yè)主之間不會(huì)產(chǎn)生糾紛。缺點(diǎn)是由于太陽(yáng)能集熱板安裝角度影響，集熱效率較低；部分建筑底部約7層-8層住戶日照不足4h/d，太陽(yáng)能利用率比較低。集熱器和水箱設(shè)置在陽(yáng)臺(tái)，對(duì)住戶使用功能和建筑立面有一定的影響；需要采取措施防止集熱板墜落影響地面人員安全。

集中集熱-分戶儲(chǔ)熱太陽(yáng)能及空氣源熱泵熱水系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)是集熱器集中設(shè)置在屋面，集熱效率高且資源共享，能最大限度地利用太陽(yáng)能；儲(chǔ)熱水箱設(shè)置在衛(wèi)生間吊頂，不影響建筑立面和住戶戶內(nèi)空間，無(wú)安全隱患；低層住戶日照效果較差，采用空氣源熱泵熱水系統(tǒng)節(jié)能效果更好。缺點(diǎn)是需要設(shè)置公用管道和設(shè)備，占用一定的公共空間，初次投資較高，需要物業(yè)管理維護(hù)，有一定的運(yùn)行費(fèi)用；采用空氣源熱泵熱水系統(tǒng)，需在室外考慮放置室外機(jī)的設(shè)備平臺(tái)，這幾層平面會(huì)和上部有一些不同，建筑立面要考慮與上部協(xié)調(diào)。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，高層住宅建筑節(jié)能熱水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)建筑布局特點(diǎn)及住戶生活習(xí)慣，選擇合適的系統(tǒng)形式；系統(tǒng)最大程度地利用太陽(yáng)能，便于操作，維護(hù)管理簡(jiǎn)單；設(shè)計(jì)中與建筑專業(yè)密切配合，以打造真正環(huán)保節(jié)能、健康、舒適的高品質(zhì)住宅。

參考文獻(xiàn)

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