集中式太陽能熱水系統在寧波地區高層住宅中的設計應用探討

【摘要】本文就寧波地區普遍設計使用的集中集熱、分戶儲熱、加熱的半集中式太陽能熱水系統進行分析研究，并以江北區某高層住宅小區項目為例，對該太陽能熱水系統的基本組成、系統設計、工作原理及運行性能進行了分析闡述，并從運行管理、安全性問題、設計使用年限問題、施工問題等方面對該系統應用的情況進行經驗總結，從而對該系統在高層住宅建筑的應用提供一些微薄的建議。

Abstract：In this paper， the commonly used design of ningbo area of centralized collector， household heat storage， heated semi-centralized solar water heating system are studied， and a high-rise residential building in jiangbei project as an example， the basic composition of the solar hot water system， the design requirements， working principle and operation performance are analyzed， and the operation management， security problem， design life issues， construction problems after the application of the system are analyzed in experience， thus to provide some suggestions to the system application in high-rise residential building.

【關鍵詞】集中集熱、分戶儲熱、加熱的半集中式太陽能熱水系統 高層住宅 集熱器 儲熱水箱

Key words：Centralized collector， household heat storage， heated semi-centralized solar water heating system；High-rise residential；Collector；Hot water tank

1、前言

太陽能做為一種清潔免費的能源，在目前環境破壞日益嚴重和能源危機的今天，其在住宅建筑中的利用可謂意義深遠，而太陽能熱水系統是太陽能資源利用的最有效、最簡便的方式，因此太陽能熱水系統在住宅建筑中的應用，具有不可替代的地位。

近年來，國家頒布了可再生能源法，建設部也先后出臺了建筑節能管理條例，國內大批省份也推出各種鼓勵或強制要求住宅建筑安裝太陽能的政策規定。

寧波市做為沿海經濟發達城市，于2010年也推出《寧波市民用建筑節能管理辦法》和《寧波市民用建筑太陽能熱水系統與建筑一體化設計、安裝及驗收實施細則》 ，規定新建有生活熱水系統的公共建筑、12層以下的居住建筑以及12層以上居住建筑的逆6層，應當將太陽能利用與建筑進行一體化設計。并規定新建建筑太陽能熱水系統應納入建筑工程設計，統一規劃、同步設計、同步施工、同步驗收，與建筑工程同時投入使用。高層住宅目前在城市新建住宅中占很大比例，因此研究適合該地區高層住宅建筑的太陽能熱水系統是極為必要和亟待解決的問題。

2、太陽能熱水系統形式

2.1 集中集熱、分戶儲熱、加熱的半集中式太陽能熱水系統

該系統采用集中集熱、分戶儲熱、加熱的半集中式太陽能熱水系統（以下該系統簡稱為“集中式太陽能熱水系統”）。在住宅的每個單元設置一套系統，集熱器、中間換熱水箱和循環泵設置于屋面，每戶戶內設置儲熱水箱，間接加熱，通過儲熱水箱的換熱器為用戶制備熱水，采用電加熱或燃氣輔助加熱。該系統的優點：（1）強制性循環，熱水制取效果較好；（2）太陽能熱媒系統與戶內熱水系統完全獨立，戶內熱水管道不存在冬季凍裂和結垢問題；（3）儲熱水箱為承壓水箱，戶內冷熱水壓力平衡；（4）不存在水費公攤問題。該系統缺點：（1）如系統出問題，該單元所有用戶的熱水系統都會受到影響；（2）對系統整體運行和管理要求較高。

2.2 緊湊整體式太陽能熱水系統

該系統的太陽能集熱器和熱水箱為一個整體，放置于住宅屋頂，冷水通過自來水的壓力注入熱水箱，通過溫差異重的熱虹吸進行自然循環，熱水通過管道引入戶內使用。該系統優點：（1）每戶相互獨立，互不干擾，管理方便；（2）初期投資較省。該系統缺點。（1）戶內冷熱水壓力很難平衡；（2）需每戶設置一套循環泵，否則熱水供管距離會過長；（3）管道數量較多，屋面和管道井布置管道困難；（4）集熱器資源不能共享。

2.3 陽臺壁掛式太陽能熱水系統

該系統的集熱器和水箱相互分離，集熱器安裝在陽臺外立面上，利用水箱和集熱器的高度差進行自然循環，靠自來水壓力頂出熱水。該系統優點：（1）分戶管理，互不干擾；（2）戶內冷熱水壓力平衡。該系統缺點：（1）存在遮光問題；（2）建筑立面受影響；（3）集熱器掛在陽臺外立面上存在安全隱患。另外太陽能應用技術規程對日照的要求是保證大寒日連續日照4h，而住宅建筑規范對日照的要求是保證大寒日連續日照2h，這就導致了高層建筑的低層用戶日照時間會不足，再加上有可能存在的樹木及建筑自身遮擋，熱效率不高的問題會更加嚴重。因此陽臺壁掛式太陽能熱水系統不適合高層住宅建筑。

上述3種系統是住宅中最普遍使用的太陽能熱水系統，從系統的整體性能、熱效率、使用舒適性、運行管理的方便性及投資的經濟性等進行考慮。這三種太陽能熱水系統各有優缺點，從整體性能、熱效率和使用舒適性方面排序，集中式太陽能熱水系統最優。從運行管理和投資方面排序，緊湊整體式太陽能熱水系統最優。

綜合考慮，集中式太陽能熱水系統整體性能好，運行穩定，熱效率較高，集中管理方便，使用舒適性較好，不存在計量收費問題，因此該系統較適合該地區的高層住宅。

3、集中式太陽能熱水系統的應用

3.1 項目概況

寧波地區位于東經120°55'～122°16'，北緯28°51'～30°33'，年均日輻射量約為13.12MJ/m2·d，年太陽能輻射量約為4.50×106 KJ/m2·a。

江北區某高層住宅小區項目位于江北區灣頭區域，地上共有5棟高層建筑，樓層為15層到18層不等。每棟樓的逆六層設置集中式太陽能熱水系統，共156戶。

3.2 系統設計

本工程太陽能熱水系統采用集中集熱、分戶儲熱、加熱的半集中式系統。每個單元設置一套系統。每戶戶內設置儲熱水箱，間接加熱，通過水箱的換熱器為用戶制備熱水，采用電輔助加熱。每套系統分別由太陽能集熱板、中間水箱、集熱循環泵、換熱循環泵、戶內儲熱水箱、管路閥門和控制系統等組成。

3.2.1太陽能集熱器

本工程選用全玻璃真空管集熱器，該種集熱器透光性好，熱穩定性高，熱膨脹系數低，耐熱沖擊溫差大，熱損小，集熱效率高，而且造價不高。缺點是設計不當或安裝不良會出現爆管現象。

寧波地區集熱器安裝方位應朝向正南或正南偏西。安裝傾角根據熱水的使用季節和地理緯度確定，本工程集熱器安裝角度定為30°。

集熱器的位置布置方式是太陽能熱水系統與建筑結合的關鍵，一般有3種布置方式。布置方式1：集熱器平鋪于屋頂，這種布置方式適合高層住宅屋頂的機房面積相對較小，且屋頂無其他遮擋物。布置方式2：集熱器架空于屋頂，架空形式可為傾斜角度或者水平形式架空，此種布置方式適合屋頂設備較多或者屋面女兒墻或架構結構遮擋較為嚴重時。布置方式3：集熱器設置于坡屋頂，坡屋頂由于可設置集熱器的部分面積較小，一般直接將集熱器鋪設與坡屋面。

本工程的屋面均為平屋面，屋面基本無遮擋，采光情況較好，因此集熱器直接布置于屋面。

集熱器通過串聯方式連接成集熱器組，并采用強制循環方式循環加熱。

集熱器面積根據用戶每日的用水量和熱水溫度要求以及當地太陽能輻照量等參數計算。計算公式如下：

°

式中，Ac—直接加熱系統太陽能集熱器總面積，m2；

Qw—日均熱水用水量，L（可按最高日用水量的下限取值）；

Cw—水的定壓比熱容，4.187kJ/kg·℃；

tend—儲熱水箱內水的終止溫度，℃；

ti—儲熱水箱內水的初始溫度，℃；

f—太陽能保證率，無量綱（0.4～0.8）；

ρ—水的密度，1.0kg/L；

JT—集熱器采光面上月均日輻射量（KJ/m2·d）。

ηcd—集熱器全日集熱效率，無量綱（0.46～0.55）；

Ain—間接加熱系統太陽能集熱器總面積，m2；

Fhx—間接加熱系統換熱器換熱因子；

因此，經計算，每戶集熱器面積取2.50m2。

3.2.2管路設計

太陽能熱水管道的布置比較重要，首先熱媒主管道需做到同程布置，管線的設計應盡量短捷順暢，減少熱損。另外熱媒立管位置應盡量靠近儲熱水箱，這樣儲熱水箱熱媒支管不會形成短路，換熱效果會較好。如儲熱水箱設置于設備平臺，太陽能熱媒立管也應盡量就近設置于設備平臺。

由于太陽能熱水管道溫度很高，特別是夏天太陽暴曬情況下，熱水可能接近沸點，所以對太陽能熱水管道材料和配件的質量要求較高，目前熱水管普遍采用的主要有不銹鋼管和不銹鋼復合管兩種。不銹鋼管質量可靠，但造價高，一般應采用焊接連接，不宜采用橡膠圈卡壓連接。不銹鋼復合管價格稍便宜，但使用年限一長，質量難以保證。

另外太陽能熱水系統的管道設計應有可靠的防凍、防超溫、超壓措施。具體如下：

過熱保護：（1）當中間水箱溫度≥80℃時，換熱循環泵停止運行，且集熱循環泵也停止運行；且優先級要低于換熱系統，高于集熱系統。（2）當集熱器熱水溫度≥90℃時，集熱循環泵運行10分鐘，停20分鐘，防止集熱器爆管。

防凍控制：當中間水箱溫度≤5℃時，集熱循環泵開啟，將中間水箱內溫水打進集熱器；中間水箱溫度≥10℃時，循環泵關閉，以防止循環管路凍結。此控制僅限冬季使用，且優先級要低于集熱系統控制。

3.2.3 戶內儲熱水箱

根據規范要求，集中式太陽能熱水系統戶內儲熱水箱容積可按下面公式計算確定。

Vrx—儲熱水箱有效容積（L）；

Aj—每戶集熱器面積（m2）；

qrjd—集熱器單位采光面積平均每日產熱水量 [L/m2·d]；根據集熱器產品的實測結果確定；間接供水系統qrjd一般取30～70 L/m2·d；

本工程，戶內儲熱水箱容積取120L。儲熱水箱采用立式儲熱水箱，設置于設備平臺。

工程中有時根據項目情況，儲熱水箱需要設置于衛生間內，采用掛式安裝，這時設計要注意掛式水箱的容積，一般最大只有100L，另外，儲熱水箱位置應避開衛生間排水管位置，避免衛生間層高不足的問題。

3.2.4 戶內儲熱水箱輔助熱源

戶內儲熱水箱輔助熱源一般可采用電加熱或燃氣等輔助熱源，電加熱比較方便，直接在儲熱水箱內膽內內置電加熱，投資較省。燃氣輔助一般是儲熱水箱出水直接進燃氣熱水器加熱，再產出熱水，運行費用比電加熱省，但初期投資較大，需再配一臺燃氣熱水器，因此工程中，普遍采用電輔助加熱。

最終，本工程每戶設計人數取3.5人，每個單元共12戶，熱水用水量為40L/人·d。計算生活熱水溫度：60℃，計算冷水溫度15℃。集熱器設置于屋面上，集熱器為非承壓，每戶集熱面積2.50m2，每單元集熱器面積30m2。分戶儲熱水箱設置于戶內設備平臺，容積120L/戶。屋頂設置中間水箱，容積為1000L。

3.3 工作原理

屋面中間水箱的水通過集熱器加熱后，中間水箱熱媒水通過管道循環加熱戶內儲熱水箱。

集熱循環：太陽能熱水系統集熱循環泵與溫度傳感器T1（集熱器熱水溫度）、T2（中間水箱熱水溫度）連鎖，當T1-T2≥10°C（可調）時啟泵；當T1-T2≤2°C（可調）時停泵。

換熱循環：太陽能熱水系統換熱循環泵與溫度傳感器T2（中間水箱熱水溫度）、T3（熱媒回水管熱水溫度）連鎖，當T2-T3≥10°C（可調）時啟泵；當T2-T3≤2°C（可調）時停泵，電磁閥由各戶控制器控制。

儲熱水箱換熱：當T6（熱媒主管熱水溫度）-T5（儲熱水箱熱水溫度）≥10°C（可調）時，分戶電磁閥開啟；當T6-T5≤5°C（可調）時，分戶電磁閥關閉。儲熱水箱輔助加熱功率為3.0KW，當T5≤35°時啟動（可調），加熱至55°C時關閉。啟動時間根據住戶要求可分別設置。

3.4 運行情況

本工程太陽能熱水系統由專業廠家負責安裝施工，于2015年10月底施工基本完成，然后開始調試，對每棟樓的太陽能熱水系統進行調試、測驗，對出現的問題進行整改完善，最終于2015年底驗收竣工。經調試，該系統總體運行正常，系統基本合理，設備布置整齊有序，戶內熱水溫度和水量能滿足用戶需要。

4、問題分析

目前集中集熱、分戶儲熱、加熱的半集中式太陽能熱水系統在寧波地區高層住宅的應用已經比較普遍，經過幾年的應用和摸索，還是存在著很多問題。

4.1 相關政策問題

雖然目前寧波地區對高層居住建筑的節能要求非常嚴格，但對于12層以上的高層建筑只要求逆六層必須設置太陽能熱水系統，對于其余樓層未做強制要求，高層住宅除逆六層以外的用戶無法享受太陽能熱水系統。另外太陽能熱水器產品的技術要求和試驗方法己有國家標準和行業標準，但缺乏與建筑相關的通用設計圖集和應用技術標準與規范，缺少相關對口的政府管理部門的監督管理。尤其在目前高層住宅快速建設階段，這方面有待跟上。

4.2 運行管理問題

高層住宅的太陽能熱水系統應方便物業管理，避免業主與物業管理之間由此產生糾紛。對于高層住宅，集中太陽能熱水系統，這種方案也會帶來業主與物業管理之間的糾紛。由于目前物業管理水平參差不齊，物業能否很好的完成太陽能熱水系統的運行管理是個重要問題。集中式太陽能熱水系統剛投入使用可能系統還比較穩定，但使用年限長了后，可能會出現設備老化，系統故障等問題，該系統的日常維護管理尤為重要。因此，高層住宅太陽能熱水系統，需制定一套合理完善的運行管理方案。

4.3 安全性要求

太陽能集熱器安裝時，本身重量和支架重量給建筑帶來額外荷載，管線安裝、基礎埋設也會破壞原有的建筑結構、防水保溫構造。因此安裝集熱器時應注意以下幾點：（1）設計時應計算集熱器支架和連接件的額外荷載。（2）應設計適配的預埋件及布置位置，宜考慮與建筑結構的結合，如梁、柱、板能否成否集熱器的風荷載和雪荷載。施工時做好保溫、防水、排水等措施。（3）管線需穿過屋面或墻面時，應預埋相應的剛性防水套管，不影響建筑原有的防水保溫構造。

4.4 設計使用年限問題

在正常維護下，太陽集熱器從目前的狀況看大約有15年左右的使用壽命，而建筑的壽命一般都在50年以上，太陽熱水系統存在更換問題。因此，其中連接件的材料及構造宜同建筑結構的使用年限。太陽熱水系統與建筑結合不能只關注一時的美觀，如果不注意壽命矛盾，那就會在將來的更替中給建筑帶來新的疤痕。

4.5 施工問題

目前太陽能熱水系統大多數由太陽能廠家或代理商負責施工安裝，由于各太陽能廠家或代理商施工水平參差不齊，施工質量往往難以保證。另外由于太陽能廠家、開發商、設計院和施工單位之間的關注點和利益點不同，使得目前已經建成的高層住宅太陽能熱水系統依然存在設計或施工安裝方面的不足。

總結：

本文針對目前寧波市集中集熱、分戶儲熱、加熱的半集中式太陽能熱水系統在高層住宅的應用進行了探討、分析。希望能為今后高層住宅建筑太陽能熱水系統的設計應用提供建議，為擴大太陽能熱水系統的使用范圍，倡導發展綠色住宅建筑起到一定的幫助作用。

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