住宅建筑太陽能熱水供應設計及應用

王永強 王 鑫

(1.晉城市建筑設計院，山西 晉城 048000； 2.山西銘基房地產開發有限公司，山西 晉城 048000)

?

住宅建筑太陽能熱水供應設計及應用

王永強1王 鑫2

(1.晉城市建筑設計院，山西 晉城 048000； 2.山西銘基房地產開發有限公司，山西 晉城 048000)

從住宅太陽能熱水系統的常用類型入手，結合不同熱水供應系統在住宅建筑中的應用實例，分析了各種太陽能熱水供應系統的優缺點，以便在實際工程中結合建筑一體化設計，選擇出合理適宜的太陽能熱水系統。

太陽能，熱水系統，可再生能源，集熱器，運行模式

山西省太陽年日照時數為2 088.0 h～2 977.5 h，年輻射總量在4 900 MJ/m2～6 000 MJ/m2之間，日照百分率為47%～67%，總的趨勢是從北向南依次減少，西部山區較多，南部盆地較少，緯向分布較明顯。其中晉城年日照時數為2 393 h～2 630 h，平均為2 563 h，屬于太陽能三類資源地區，適宜設置太陽能熱水系統。

2008年9月山西省人大常委會通過《山西省民用建筑節能條例》，鼓勵民用建筑的所有權人或使用權人安裝使用太陽能等可再生能源。

2011年4月山西省住建廳發布《關于加快推進太陽能光熱建筑應用的通知》，通知要求在全省范圍新設計的高層居住建筑的逆12層、12層及以下的居住建筑和有生活熱水需求的公共建筑強制推廣應用太陽能熱水系統，將太陽能光熱系統作為建筑的組成部分，實現太陽能光熱與建筑一體化原則，與建筑工程四同步：同步規劃、同步設計、同步施工、同步驗收。

2012年9月山西省人大常委會通過《山西省氣候資源開發利用和保護條例》，條例鼓勵單位和個人安裝和使用太陽能熱水、供熱采暖(制冷)、光伏發電等太陽能利用系統。

2013年8月省發革委、省住建廳《山西省開展綠色建筑行動實施意見》強制推進太陽能光熱應用。在全省城鎮新建12層及以下的居住建筑、高層居住建筑的逆12層和有生活熱水需求的公共建筑強制推廣應用太陽能熱水系統。居住建筑太陽能熱水按照居民用水價格收費。

太陽能屋頂計劃已經在我市范圍內全面展開，下面介紹太陽能熱水系統的常用分類，結合設計和住戶實際使用情況，探討設計中需要注意的問題。

住宅建筑太陽能熱水系統常用有三種形式：分戶集熱—分戶貯熱—分戶加熱系統，集中集熱—分戶貯熱—分戶加熱系統，集中集熱—集中貯熱—集中加熱系統。

1 分戶集熱—分戶貯熱—分戶加熱系統

這種熱水系統是以住戶為單位安裝的太陽能熱水系統，是早期使用最為廣泛的一種形式，其設置的太陽能集熱器產生的熱水單獨供一戶使用，主要是應用在多層住宅屋面放置的整體式太陽能熱水系統和高層住宅陽臺壁掛式太陽能熱水系統。

多層住宅屋頂整體式太陽能熱水系統是將家用太陽能熱水器集中安裝在屋面，太陽能集熱器通過吸收太陽光的能量將水溫升高，利用貯熱水箱和集熱器內的水溫差(密度差)產生循環動力，使熱水在貯熱水箱和集熱器之間自然循環，從而加熱貯熱水箱中的水。熱水采用落水供水式，輔助熱源為各戶電輔助加熱。

高層住宅陽臺壁掛太陽能熱水系統的集熱器安裝在建筑陽臺一側，貯熱水箱設置在戶內陽臺部分，水箱內置換熱和電輔熱裝置。陽臺壁掛集熱器吸收太陽光使集熱管內熱媒溫度升高，熱媒利用水溫差(密度差)產生循環動力，過換熱將貯熱裝置中的水進行熱交換，加熱戶內陽臺水箱中的水。戶內陽臺貯熱水箱安裝高度一般比集熱器位置高，同時水箱內置熱加電，系統實現光電自動轉換，實現全天候熱水供應(見圖1)。

山西晉城銘基鳳凰城16號樓～19號樓,位于澤州南路以西，規劃鳳陽街以北。項目建筑面積34 800 m2，均為12層高層住宅建筑，共138戶，全部采用陽臺壁掛式太陽能。設計每戶采用太陽能集熱器φ58-1618,3 351×801×169，太陽能熱水集熱面積2 m2，貯熱水箱φ472×1 010，貯水容積80 L。采用這種形式的優點是各戶獨立，互不干擾，維護管理方便；無需另外計量，冷水來自自家冷水管，輔助電加熱自行計費；系統簡單容易。缺點是初期偏高，最底層使用效果較差。適用于高層住宅建筑的上層部分，比如山西省規定的高層居住建筑的逆12層強制推廣太陽能熱水系統，18層以上高層居住建筑則完全可以采用陽臺壁掛式太陽能熱水系統，滿足逆12層熱水需求。

2 集中集熱—集中貯熱—集中加熱系統

這種系統是集中模塊太陽能熱水系統，集熱器、貯熱水箱、控制、循環系統及其他輔助設備集中放置在屋面，這種系統廣泛應用到酒店、洗浴等公共建筑中。集熱系統集熱器接收太陽光溫度升高，通過溫度智能傳感器控制系統循環泵啟動，將貯熱水箱底部的溫水加壓進入集熱器，通過貯熱水箱溫水與集熱器中高溫熱水不斷往復循環，最終加熱貯熱水箱中的水，供給建筑物所需熱水。集熱系統與供熱系統均采用強制循環，保證循環效果。住宅應用這種熱水系統需要分戶計量，存在熱水收費問題，對管理要求較高。

山西銘基―鳳瀛園住宅小區1號樓～4號樓,位于新市東街與蘭花路交叉口西北角。項目建筑面積66 674.43 m2，1號、3號為18層高層住宅建筑，2號、4號為17層高層住宅建筑，共360戶，全部采用太陽能集中集熱—集中貯熱—集中輔助加熱系統，每個單元分別設置集熱板和6 m3熱水箱，單元之間貯熱水箱互相連通，向住戶集中供應熱水。以鳳瀛園住宅小區1號樓～4號樓為例，將運行7個月來的運行情況統計如下。

1)入住情況：鳳瀛園小區總戶數360戶，目前為止入住279戶，入住率77.5%(見表1)。

表1 鳳瀛園小區入住情況表

2)用水情況：原設計按每戶120 L熱水考慮，經過一年運行使用數量為每戶3 t/月～5 t/月，住戶普遍反映用水情況良好。

3)電輔助加熱電費支出情況如表2所示。

表2 電輔助加熱電費支出情況表

4)使用中出現的問題：集熱器有少量爆管；電加熱棒損壞率高；熱水循環泵損壞率較高；頂層3層的住戶在不啟動循環泵的情況下出水量較小。

集中集熱—集中貯熱—集中輔助加熱系統具有造價低、熱效率相對較高，系統管道少，相對集中，容易設計，建筑一體化程度高等優點。但是這種系統的缺點也很突出，首先管理不方便，集熱、貯熱及供水部分屬于公用設施，需派專人負責維護；計量不方便，各用戶熱水計量存在溫度差異現象，電輔助加熱費用分攤引起用戶糾紛；天氣不好時完全靠輔助熱源產生熱水，即便只有一戶用水，整個系統也需要運行，系統運行費用較高。

3 集中集熱—分戶貯熱—分戶加熱系統

這種系統是將太陽能集熱器統一放置在屋面，整個系統中不設置集中貯熱水箱，每戶在戶內設置一個貯熱換熱水箱，戶內水箱設置換熱盤管及電輔熱。該系統包括集熱循環和換熱循環兩部分，首先集熱系統(控制、循環)及其輔助設備一般放置在屋面，集熱器吸收太陽光使熱媒溫度升高，通過集熱系統溫度傳感器智能控制集熱系統循環泵啟動停止，實現屋頂集熱系統循環。其次屋頂集熱緩沖水箱熱媒通過換熱循環泵實現屋頂熱媒與戶內貯熱水箱的換熱循環。這種系統冷熱水壓力相同，使用舒適方便。集中—分戶太陽能熱水系統控制原理如圖2所示。

這種系統一方面解決集中式供熱的管理、計費等問題，一方面解決陽臺壁掛式受樓層限制等問題，可以完全實現太陽能的資源共享，同時也解決了計量和電輔助加熱的問題，相應的該系統也有自己的缺點，一是太陽能熱媒系統設置在住戶管道井內時使得管路系統龐大復雜，另一方面熱量損失較大，同時也存在一些公用部分分攤的問題。

4 結語

目前，山西省新設計的12層及以下的居住建筑、高層居住建筑的逆12層強制推廣要求使用太陽能光熱系統。對于住宅居住建筑太陽能熱水供應系統的選擇，應根據當地氣候、建筑條件、管理能力、日照遮擋、初期投資等各種綜合因素合理確定系統方案及相關管道布置。對山西省政府規定，建議層數在12層以上住宅可采用分戶集熱—分戶貯熱—分戶輔助加熱的陽臺壁掛式太陽能熱水系統；建筑層數12層以下住宅可采用集中集熱—分戶貯熱—分戶輔助加熱系統；當屋面集熱器面積不能滿足設計要求時，可以采用以上多種系統相結合的組合太陽能熱水系統，盡量充分利用太陽能資源。

[1] 中國建筑設計研究院.建筑給排水設計手冊[M].北京:中國建筑工業出版社,2008.

[2] 胡應翔.中新天津生態城太陽能熱水系統分析[J].給水排水,2011,37(1)：68-72.

[3] 張留霞,李云賀,朱東紅.集中式太陽能熱水系統在某住宅建筑中的一體化設計研究[J].給水排水,2013,39(4)：76-80.

[4] 吳曉春,王 斌,王國雄.新型熱泵式太陽能熱水系統在某高層住宅建筑中的應用[J].給水排水,2013,39(12)：73-75.

[5] 吳曉春,楊 田.太陽能熱水系統在高層住宅中的應用探討[J].給水排水,2012,38(12)：81-83.

[6] 陳少林,熊家晴.農村住宅建筑太陽能熱水系統的節水節能研究[J].給水排水,2012,38(12)：77-81.

On design and application of solar-energy hot water supply in residential buildings

Wang Yongqiang1Wang Xin2

(1.Jincheng Architectural Design Institute, Jincheng 048000, China;2.Shanxi Mingji Real-Estate Development Co., Ltd, Jincheng 048000, China)

From the common types of the residential solar energy hot water system, the paper combines with the application cases of the various hot water supply systems in the residential buildings, and analyzes the advantages and disadvantages of the various solar energy hot water supply system, so as to select the reasonable solar hot water system by combining with the architectural integral design.

solar energy, hot water system, renewable energy, collector, operation model

1009-6825(2017)16-0198-02

2017-03-18

王永強(1983- )，男，工程師; 王 鑫(1983- )，男，助理工程師

TU201.5

A