上海太陽能熱水系統住宅應用調研與分析

■ 寇玉德 KOU Yude

0 引言

太陽能使用清潔、分布廣泛，是最重要的可再生能源之一和社會后續能源。在各類太陽能利用技術中，太陽能熱水器作為建筑生活熱水的熱源，是應用規模最大、最成熟的技術之一。據統計，生活熱水能耗占建筑總能耗的10%～20%[1]，具有非常大的節能潛力。

根據2013年對光熱建筑應用項目的抽樣調查數據顯示[2]，92%的項目使用熱水系統，1%的項目使用采暖系統，6%的項目采取熱水系統與采暖系統相結合的方式，1%的項目采取熱水、采暖及空調系統三者相結合的方式（圖1）。可見，熱水系統占絕對的主導地位，且由于采暖系統主要是利用太陽能產生的熱水供暖，通常將采暖系統與熱水系統一起使用。

目前，我國已經成為世界上最大的太陽能熱水器生產和銷售國，其生產能力和應用規模都處于世界首位。根據中國太陽能熱利用產業聯盟發布的《中國太陽能熱利用行業運行狀況報告》，中國占全球太陽能集熱器的安裝保有量超過70%。太陽能熱水系統與建筑的結合，不僅讓住戶家庭生活得更自然更環保，而且節能減排，對實現社會可持續發展具有重大意義。

圖1 太陽能光熱建筑應用類型分布圖

1 上海太陽能熱水系統發展的政策和標準

近年來，上海地區的太陽能年輻射量平均值為4 200～4 700MJ/m2，年日照時間近2 000h，按照太陽能資源帶劃分，上海在我國屬三類地區，具有開發利用太陽能的資源條件。

（1）上海早在2005年就開始組織可再生能源在建筑領域的科研、技術攻關和標準規范制定工作。“十一五”期間，先后發布并實施了《上海市民用建筑太陽能應用技術規程（熱水系統分冊）》（DGJ 08—2004A—2006）、《民用建筑太陽能系統應用圖集（熱水系統分冊）》（DBJT 08—110A—2008）、《既有民用建筑能效評估標準》（DG/TJ 08—2036—2008）等標準。

（2）根據太陽能熱水系統建筑應用的實施情況，上海又及時完善相關標準、政策，先后發布實施了《關于進一步推進本市民用建筑太陽能熱水系統應用的通知》（滬建建管〔2013〕48號）、《關于印發〈上海市民用建筑太陽能熱水系統應用推廣技術目錄（2014-2015年）〉的通知》（滬建市管〔2014〕38號）、《關于公布上海市太陽能熱水系統與建筑一體化應用適宜技術的通知》（滬建市管〔2017〕51號）。太陽能熱水系統評價和驗收也根據應用情況在新版的《建筑能效標識技術標準》（DG/TJ 08—2078—2014）和《上海市建筑節能工程施工質量驗收規程》（DGJ 08—113—2017）中進行了相應的修訂和增加。這些標準的出臺，為上海可再生能源與建筑一體化應用提供了技術保障。

（3）2011年開始實施的《上海市建筑節能條例》中明確規定：“本市鼓勵發展太陽能、地熱能、風能、生物質能等可再生能源與建筑一體化應用研究、示范和推廣。新建有熱水系統設計要求的公共建筑或者6層以下住宅，建設單位應當統一設計并安裝符合相關標準的太陽能熱水系統。鼓勵7層以上住宅設計并安裝太陽能熱水系統。”

（4）為進一步加大對太陽能熱水系統建筑應用的推進力度，上海又先后發布了三輪建筑節能扶持政策，分別是《上海市建筑節能項目專項扶持暫行辦法》（滬建交聯〔2009〕816號）、《上海市建筑節能項目專項扶持辦法》（滬發改環資〔2012〕088號）和《上海市建筑節能和綠色建筑示范項目專項扶持辦法》（滬建材聯〔2016〕432號），重點將太陽能、淺層地熱能等可再生能源與建筑一體化的居住建筑或公共建筑作為示范的項目之一，明確了可再生能源建筑應用的技術要求。上海對可再生能源與建筑一體化應用的政策支持，調動了參與各方的積極性。

2 上海太陽能熱水系統應用情況

上海地區人口眾多，建筑分布密集，生活熱水的需求量很高。在上海新建住宅中，8層以上住宅占新建居住面積比例的70%以上。因此，在選用太陽能熱水系統的時候，需考慮高樓安全性、防風性能、美觀、屋頂面積占用、所有權等一系列的問題。針對上海中高層建筑較多的特點，上海的太陽能熱水系統主要采用分體式、集中式和集分式這幾種形式。

為了實現穩定供熱，多能互補的太陽能熱水系統發展迅速。太陽能熱水系統的輔助熱源形式也呈現多樣化，產生了與傳統電加熱、燃氣加熱、熱泵等加熱方式耦合的太陽能熱水系統。這些熱水系統在保證用戶使用舒適性的情況下，盡可能地多節約傳統能源。

2.1 中高層住宅及宿舍

中高層住宅及宿舍一般采用3類太陽能熱水系統，即：集中集熱－集中儲熱太陽能熱水系統、集中集熱－分戶儲熱的太陽能熱水系統和分體式太陽能熱水系統。

2.1.1 屋頂面積充足

對于屋頂面積充足的建筑，集熱器通常布置于屋頂，水箱放置于屋頂、地下室或者陽臺。由于集熱器、水箱等設備都鋪設在屋頂，所以從樓下往上看，對建筑美觀性基本無影響，特別適合既有建筑改造項目。

（1）某住宅項目采用太陽能集中集熱－分戶水箱系統，多戶共享集熱系統，提高太陽能集熱器陣列的使用效率，每戶一套獨立的承壓式儲熱水箱，不存在水量計量問題，方便管理（圖2）。

（2）某大學宿舍項目采用太陽能集中集熱—集中供熱系統，輔助能源為空氣源熱泵，為學生提供洗浴熱水（圖3）。

2.1.2 屋頂面積不足

對于屋頂面積不足的高層建筑，則采用陽臺壁掛式。集熱器固定在用戶陽臺位置，水箱放置于陽臺承重墻。此時，對集熱器放置的要求，除了滿足風載等荷載外，還要避免因集熱器的安裝而對樓下住戶采光造成的影響。

如某住宅項目的陽臺壁掛式太陽能熱水系統，主要采用分體式太陽能熱水系統。其主要部件為CPC太陽能集熱器、控制器以及儲熱水箱；系統集熱器面積約為3.4m2，水箱容積150L。系統采用電加熱作為輔助熱源，整合在系統儲熱水箱中。太陽能集熱器內嵌在住宅的陽臺外圍，傾角75°，與建筑有機的結合在一起，保證了建筑的美觀以及安全性（圖4）。

圖5所示為該系統的儲熱水箱、循環泵、膨脹水箱等設備的現場圖片。由于在建筑設計初期就考慮到太陽能熱水系統的加入，預留了該處作為水箱以及相關設備的安置點，隱蔽了大型水箱，確保了陽臺的使用面積，使其與建筑較好地結合在一起。該太陽能熱水系統的建筑一體化程度高，系統性能良好。

圖2 某住宅項目集中集熱－分戶水箱系統

圖3 某大學宿舍項目太陽能/空氣源熱泵熱水系統

圖4 某住宅壁掛式太陽能集熱器

圖5 太陽能儲熱水箱

2.1.3 建筑構件型集熱蓄熱太陽能熱水系統

與建筑結合比較好的項目，還有建筑構件型集熱蓄熱太陽能熱水系統。該系統主要組成部分為建筑構件型集熱蓄熱太陽能集熱器。這種集熱器將集熱器與水箱有機結合在一起，節約了使用空間（圖6）；且水箱與真空集熱管合二為一，太陽能輻射直接被水箱吸收，減少了熱水循環過程中的熱損耗，提高了效率。

該系統與建筑結合的形式比較多樣，建筑一體化效果較好。如圖7所示的項目中，將該太陽能熱水系統安裝于建筑外墻，與建筑墻面融為一體，不占用室內面積，且與墻面平行，較為美觀。

2.2 酒店、醫院等公共建筑

公共建筑一般要求24h用水，大多采用集中集熱、集中儲熱、集中供熱太陽能熱水系統，與建筑的結合除了采用上文提到的中高層住宅和宿舍屋面布置集熱器方法外，還可在屋面鋪設鋼架結構，將集熱器固定在鋼架結構上。

圖6 建筑構件型集熱蓄熱太陽能熱水器

圖7 某建筑構件化太陽能熱水系統項目

（1）某酒店的太陽能熱水系統項目，由于屋面上有中央空調、消防設備、通風設備和管道等，因此，太陽能集熱器和設備位置需根據現場條件進行合理設計布置。利用現有基礎進行生根焊接，在槽鋼鋪設完成后，繼續在上面焊接集熱器支架，將集熱器安裝在支架上（圖8）。

（2）某醫院太陽能熱水供應系統，采用集中集熱、集中供熱系統，定溫出水和溫差強制循環，充分利用太陽能資源，減少污染，為醫護人員及病人提供充足的醫療及生活用水（圖9）。

2.3 別墅等低層建筑

一般別墅等低層建筑采用的太陽能熱水系統多為分體式，即水箱和集熱器分開放置。在設計時，一般將集熱器布置于南向屋面，水箱放置于樓下陽臺或其他隱性位置；同時，集熱器邊框等顏色盡可能與建筑屋面主色調保持一致，以保持美觀和諧。

例如，某低層建筑項目的分體式平板型太陽能熱水系統，采用分體式平板型太陽能集熱器。集熱器布置于屋面，傾角與屋面坡度一致（圖10）。

圖8 某酒店太陽能熱水系統項目

圖9 某醫院太陽能熱水供應系統

2.4 太陽能幕墻

除了上述的常規的建筑一體化結合方式外，光熱幕墻是一種新的理念，即用高效平板集熱器代替部分建筑材料，作為建筑幕墻的一部分，不僅具有美觀、遮風擋雨的功能，還能在保證集熱器本身作用的基礎上，節省部分建筑材料。

圖11為上海某高校建造的太陽房。它采用平板集熱器做屋面和南向墻面構建，替代了傳統屋面和墻體材料，不僅可以起到常規圍護結構的功能（熱工性能好于傳統墻體），還能產生熱水供建筑使用。

2.5 太陽能熱泵熱水系統

近年來發展較快的還有太陽能熱泵熱水系統。其特點是采用直膨式熱泵工作原理，將熱泵蒸發器與太陽能集熱器合二為一，具有安全性好、供熱穩定、節點效益顯著等突出特點，特別是用于高層住宅，建筑結合安全可靠。

圖10 某低層建筑分體式平板型太陽能熱水系統工程項目

圖11 某高校采用太陽能屋面和墻體的太陽房

如圖12所示的某小區應用的太陽能熱泵熱水系統，采用蒸發/集熱板替代空調欄板，與建筑外觀協調，供熱效果較好。

3 上海太陽能熱水系統住宅應用情況

相對于公共建筑，居住建筑應用太陽能熱水系統更為廣泛。為了充分了解《上海市建筑節能條例》實施后，太陽能熱水系統在上海住宅中的應用情況，筆者所在的調研小組，對太陽能熱水應用較廣的上海郊區，共4個區、15個多層住宅和別墅小區的4 066戶太陽能熱水系統項目進行了調研，以充分了解太陽能熱水系統住宅應用效果。具體調研內容包括：太陽能熱水系統類型、太陽能集熱器產品形式、太陽能熱水系統建筑一體化結合情況、輔助熱源使用狀況、使用效果用戶調查等情況。

3.1 太陽能熱水系統類型

目前，住宅使用的太陽能熱水系統主要形式包括：緊湊式、分體式、集中集熱分戶儲熱式（集分式）和集中集熱集中供熱（集中式）四類。

本次調研發現，緊湊式太陽能熱水系統的使用數量最多，占全部用戶的47.3%；分體式太陽能熱水系統次之，占比41.1%；集分式占全部用戶的11.6%。同時，在此次調研范圍內，尚沒有項目采用集中式太陽能熱水系統的形式。

3.2 太陽能集熱器

目前，應用于太陽能熱水系統的太陽能集熱器主要為真空管集熱器與平板集熱器。真空管集熱器具有熱效率高，抗凍性強，保溫效果好等優點；而平板集熱器外形美觀，易與建筑結合，安裝方便，安全可靠。在本次調研中，這兩種集熱器均有使用，其中，有1 924戶采用了真空管集熱器，占總調研數量的47.3%，數量略低于采用平板集熱器的2 142戶（52.7%）。

圖12 某小區太陽能熱泵熱水器

對于真空管集熱器來說，大部分用戶（共5個小區的1 388戶）集熱器安裝傾角為30°或45°。其中，有3個小區1 100戶為30°；2個小區288戶為45°。另外，也有少部分用戶（1個小區536戶）為了使太陽能集熱器與建筑結合后更加美觀，集熱器的傾斜角度較小（20°）。

對于使用平板集熱器的用戶來說，由于部分平板集熱器與建筑的結合方式為陽臺壁掛式，集熱器的傾斜角度較大。其中，包括2個小區96戶居民集熱器傾斜角度約為75°；1個小區24戶居民集熱器傾斜角度約為70°；還有1個小區60戶屋頂安裝的平板集熱器由于屋頂的結構，傾斜角度約為50°。除此之外，大部分用戶（1 686戶居民）的平板集熱器傾斜角度在30～45°之間；另外，還有少部分（1個小區276戶）平板集熱器的傾斜角度為15°。

另外，在本次調研中，除了1個小區的64戶居民由于建筑本身的結構原因，其采用的真空管集熱器朝向為西南方向，其他所有小區住戶的太陽能集熱器朝向均為南向。

3.3 太陽能熱水系統建筑結合方式

一般地，太陽能熱水系統與建筑結合方式有屋頂支架、嵌入屋面、陽臺壁掛式以及墻面壁掛式等。在本次調研中，僅出現了屋頂支架和陽臺壁掛式兩種方式。其中，共有3 946戶的太陽能熱水系統采用了屋頂支架方式，占總調研數量的98.5%，遠大于采用陽臺壁掛的120戶。這主要是因為屋頂的太陽能輻射更好，且部分緊湊式太陽能熱水系統只能安裝于屋頂。但是，與屋頂支架方式相比，尤其是與水平屋頂的屋頂支架方式相比，陽臺壁掛方式（平板集熱器）能使集熱器與建筑更好的結合，采用陽臺壁掛方式的建筑均比采用屋頂支架方式的建筑物更加整齊美觀。

3.4 輔助熱源情況

對4個區共4 066戶居民的太陽能熱水系統輔助熱源的使用情況進行了統計調研，發現以電加熱作為太陽能熱水系統輔助熱源的使用數量為2 849戶，占全部用戶的70.1%，其余29.9%的太陽能熱水系統均未安裝任何型式的輔助熱源。

在已安裝輔助熱源的用戶中，89.5%的太陽能熱水系統輔助熱源的啟動方式為自動啟動，實現了無人值守的自動控制。剩余10.5%的用戶仍以手動啟動輔助熱源為主。從總體上來說，太陽能熱水系統輔助熱源的啟動方式已基本實現了無人值守下的自動啟動。

4 上海太陽能熱水系統下一步發展的思考

4.1 太陽能熱水系統與輔助熱源選擇多樣化

太陽能本身是一種不穩定和不持續的能源，在使用過程中有一定的局限性，天氣和季節變化的影響非常顯著。因此，太陽能熱水系統需要有系統化的理念，與合適的輔助熱源相結合，通過整個系統為建筑及用戶提供熱水。目前，廣大設計部門和個人用戶都已認識到太陽能與輔助熱源結合的重要性，基本上每個項目都配有輔助熱源，且部分用戶還會自行添加更為穩定的熱源。

與太陽能相結合的輔助熱源可以有很多種，除了電加熱以外，還可以通過燃氣加熱，空氣源熱泵加熱等其他手段對生活用水進行加熱，以達到特定的使用效果。例如，利用燃氣加熱可以更快地輸出熱水，而利用空氣源熱泵可以更為高效地利用電能。事實上，越來越多的太陽能熱水系統建筑結合應用項目在輔助熱源的選擇方面更加多樣化，如與燃氣結合、與熱泵結合等。未來太陽能熱水應用，除了經濟性以外，應更多地從舒適度和安全性等方面考慮。

4.2 進一步完善和優化太陽能產品

太陽能熱水系統主要由集熱器、水箱、控制器、循環管路、保溫結構、水泵和控制器組成。太陽能產品的質量直接影響系統運行效果，表現在集熱效率的高低、生產熱水穩定性等方面。

從集分太陽能系統反映的問題來看，該太陽能系統技術不能保證熱量按需分配，收費機制也存在不合理性，容易對用戶的使用體驗產生負面影響；另外，部分分體式太陽能熱水系統管線太長，沒有輔助熱源，都是不合理的技術方案。

此外，還存在太陽能系統中，部件使用壽命不同的問題。如太陽能集熱器一般要求10～15年壽命，而水箱一般5～10年，一些閥門、密封件更是易損件，需要定期保養維護。

因此，需進一步完善和優化太陽能產品，提出并制定相關產品和系統參數的指標和技術要求，嚴控太陽能熱水系統的產品和技術，以保證太陽能建筑結合熱水應用的良性發展。

4.3 加強前期規劃和太陽能建筑一體化設計

太陽能熱水系統主要分為兩部分，第一部分即太陽能集熱系統本身，而另一部分則是輔助熱源系統。這兩部分都與建筑前期規劃和太陽能熱水系統建筑一體化設計有著密不可分的關系。

若想讓太陽能集熱系統與建筑更為合理、美觀地結合在一起，集熱器和水箱放置的位置也更為合理，則在建筑設計初期，就應與太陽能熱水系統的廠家或者設計人員共同參與設計。此次調研中，在設計初期就考慮到加入太陽能熱水系統的小區，無論在美觀度還是在使用效果上，相較于后期加裝的太陽能熱水系統小區，都有很大的優勢。

5 結語

太陽能熱水系統方案的合理設計、與建筑的有機結合及運行維護，是影響太陽能熱水系統效果的關鍵。太陽能熱水系統與建筑結合的規模應用，在上海有很大的發展潛力和節能空間。只要繼續嚴格控制產品和技術門檻，不斷提高建設單位利用可再生能源的意識，上海的太陽能熱水系統建筑應用工作，在與城市建筑結合，更可靠、更舒適地實現生活熱水節能方面，會繼續引領全國。