太陽能熱水系統在住宅領域的設計應用分析

王會松（洛陽市規劃建筑設計研究院有限公司，河南　洛陽　471000）

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太陽能熱水系統在住宅領域的設計應用分析

王會松（洛陽市規劃建筑設計研究院有限公司，河南洛陽471000）

近年來，我國能源危機和環境污染問題日益增多，能源可持續發展戰略思想的深入化，世界各國均致力于清潔能源的研究開發和推廣應用。使用無污染能源和清潔能源已在各個領域展開，其中，太陽能作為清潔的可再生的自然能源，具有很大的利用潛力。利用太陽能而制造生產的熱水器便成其為節能、環保、低成本、安全、耐用的綠色能源新產品。隨著太陽能熱水器推廣使用，越來越多的建筑物屋頂都安裝了太陽能熱水器，但由于沒有統一規劃，安裝位置參差不齊，管道布置零亂，很不美觀。

太陽能熱水系統；住宅；人均日用熱水量

太陽能作為一種清潔安全的可再生能源，是節能環保的重要途徑。在建筑設計中體現綠色環保思想，凸顯節能亮點，將太陽能清潔能源引入到建筑或景觀、園林設計當中，充分利用太陽能，采用更加節能的建筑圍護結構以及采暖、熱水和空調系統，減少電力等常規能源采暖、熱水和空調使用，是未來住宅設計的發展道路之一。太陽能熱水器是最為常用的太陽能利用裝置，能夠提供洗浴、生活和采暖熱水，能量大、時間長、周期運行費用低、使用長、無噪聲、無污染、無危險，如能廣泛應用于住宅熱水供應系統中，可產生長遠的經濟效益。

1　太陽能熱水囂及熱水系統發展方向

在我國，從2006年深圳市率先出臺節能條例，首推12層以下的住宅建筑必須安裝太陽能熱水系統，為推進可再生能源規模化應用奠定了法律基礎，江蘇、青島、上海等各城市相繼都出臺了規范條例，明確了太陽能熱水系統在建筑上的推行方向。具體實施中，為了更好的利用太陽能熱水技術，最關鍵的是應該在建筑設計中把太陽能熱水系統與建筑進行整合設計，使之一體化，住宅建筑尤為典型。如圖1所示。

圖1　

2　集中太陽能熱水系統的特點及概述

太陽能熱水系統利用太陽輻射加熱水，由集熱器、貯水箱、管道、控制設備四部分組成。我國大部分地區均處北緯40°以北，日照時間較長，均適合推廣太陽能熱水器。

太陽能熱水供應系統按系統運行方式可分成如下三種：自然循環系統、直流式系統以及主動循環系統。在現階段建筑工程中熱水集中供應采用的大多數為主動循環太陽能熱水系統。

主動循環太陽能熱水系統 （又稱強制循環太陽能熱水系統）利用外部動力驅動熱媒或熱水經過集熱、換熱器進行循環、加熱、換熱。圖2為主動循環太陽能熱水系統。該系統在換熱器和貯水箱之間設置水泵，保證熱媒或熱水循環。管路上設有溫度控制閥門，根據集熱器與貯水的溫度差異控制水泵的啟停，同時，在儲水箱后設置加熱水箱，保證熱水供應。根據工程實際情況不同，加熱水箱可酌情設置。

圖2　主動循環式熱水系統

主動循環太陽能熱水系統與其他太陽能熱水系統相比，增加了外部循環動力，有利于提高熱效率，加強對熱水系統的控制，保證了‘熱水供應的有效性’。目前在大規模的太陽能熱水工程中，可通過普通太陽能熱水器串聯或并聯的形式組成上述各種系統。

3　實際工程推導

下面以工程為例闡述太陽能熱水系統設計理念。某住宅為18層，1層4戶，戶均面積96m2，每層公攤面積55m2，南北朝向，周邊無遮擋，位于洛陽市。

該工程采用屋頂架設太陽能集熱板，集熱板坡屋頂下設置太陽能熱水機房，上供下回，干管循環的方案。

首先，計算供應生活熱水所需太陽能集熱板的面積，依據《建筑給水排水設計規范》（GB50015-2003，2009年版），每戶套內人數按3.5人計算。則，樓內計算總人數為252人，該住宅樓的直接加熱供水系統的人均集熱器面積為：

式中：Ajz為直接加熱人均集熱器面積，m2；qr為設計日用熱水量，L/（人·d）；C為水的比熱，C=4.187KJ/（kg·°C）；tr為熱水溫度，tr=60°C；t1為冷水溫度，河南地區取t1=4°C；pr為熱水密度，60°C時，ρr=0.9833kg/L；Jt為集熱器采光面上年平均日太陽輻照量，河南取13482KJ/（m·d）；f為太陽能保證率；ηj為集熱器年平均集熱效率；η1為儲水箱和管路的熱損失率。

就特定區域而言，C，t1，Jt為固定值；qr，f，ηj，η1。為設計確定值，分別根據居住人群類型、設計保證率、產品特性及管網水箱選材各有不同。本工程參數按《全國民用建筑工程設計技術措施-給水排水》選取范圍為：qr=45～60L/（人·d），f=30～80%，ηj=45～50%，η1=15～30%，本次設計均按照中等要求選取，即：qr=50L/（人·d），f=50%，ηj=45%，η1=25%，最終計算可得，人均集熱器面積為 Ajz=1.26m2，該住宅樓所需集熱器面積S=318m2，樓頂面積為96×4+55=439m2＞S，本方案成立，并且可以推算，樓頂若按滿鋪集熱器計算，可供應的樓層為439/1.26/ 3.5/4=24.8層。

從上述計算可以看出方案是否成立與人均集熱器面積有關。根據規范，本方案中，最不利情況（該比較過程以人均需集熱器面積越大越不利）取值為：qr=60L/（人·d），f=80%，ηj= 45%，η1=30%，人均集熱器面積Ajz=1.63m2，則該住宅樓所需集熱器面積S=410m2，樓頂面積為96×4+55=439m2＞S，本方案成立，并且可以推算，樓頂按滿鋪集熱器計算，可供應的樓層為439/1.63/3.5/4=19層。

最有利情況取值為：qr=45L/（人·d），f=30%，ηj=50%，η1= 15%，人均集熱器面積Ajz=0.6m2，則該住宅樓所需集熱器面積S=151m2，樓頂面積為96×4+55=439m2＞S，本方案成立，并且可以推算，樓頂按滿鋪集熱器計算，太陽能保證率只取30%時可供應的樓層為439/0.6/3.5/4=52層。

4　數據分析

通過以上比較發現：

（1）集熱器面積為待定值，其面積大小與住戶人均熱水量、用戶對太陽能熱水要求的保證率、工程對集熱器和管路、水箱材質的選型優劣有很大關系，從上述最不利和最有利情況比較，人均集熱器面積可相差2.7倍。

（2）公式的四項變量qr，f，ηj，η1。分別涉及到住戶舒適性和能源消耗量，作為設計，需要從綠色建筑的角度考慮，同時兼顧住戶的舒適性做一定控制，即人均日用水量qr應根據住宅等級盡量取高值，以滿足用戶用水，保證率f應根據住宅定位選取適中值，ηj應在投資方資金定位前提下，盡量選取高值，即采用集熱效率高的產品，η1則應選取低值，即盡量選取優質管材和水箱，減少熱量無謂損失。仍以上述工程為例，取值為：qr=50L/（人·d），f=80%，ηj=50%，η1=15%，人均集熱器面積Ajz=1.64m2，則該住宅樓所需集熱器面積S=414m2，樓頂面積為96×4+55=439m2＞S，本方案成立，并且可以推算，樓頂按滿鋪集熱器計算，可供應的樓層為439/1.64/3.5/4=19層。

（3）同時可以看出，若人均熱水量相同，在實際工程中，一類住宅作為技術經濟指標最低的戶型，其屋頂面積最小，采用太陽能熱水集中供應系統供應的樓層將會最低；而四類住宅作為技術經濟指標最高的戶型，其屋頂面積最大，采用太陽能熱水集中供應系統供應的樓層將會最高。這也說明了住宅定位決定了住宅的最高樓層。

5　結束語

本工程模型建立在方案階段允許屋頂滿鋪集熱器，且周邊無遮擋的前提下，若方案無法滿足，使得可敷設面積縮水，則可供應樓層會大大降低。即采用太陽能集中熱水供應系統的住宅，需要在方案初期，根據建筑的規劃與周圍建筑的相對位置關系，以日照模擬分析作為參考，采用合適的集熱器布置方式。

2016-4-7

TU822

A

2095-2066（2016）12-0170-02