太陽能熱水系統在建筑給排水設計中的應用

張欣欣，景麗

（1.江西省桂能綜合設計研究院有限公司；2.上海凱泉泵業(yè)（集團）有限公司濟南分公司）

1 引言

在建筑給排水設計中，除了要保證給排水系統建設質量和使用功能外，還要盡量降低給排水系統能耗。太陽能是一種清潔能源和可再生能源，通過在建筑給排水設計中應用太陽能熱水系統，可以有效實現其節(jié)能設計目標。

2 設計中的應用優(yōu)勢

以節(jié)能、環(huán)保、效率、和諧、持續(xù)為目標進行建筑設計，強調建筑與生態(tài)環(huán)境之間的協調性與統一性，追求在建筑全壽命周期內最大限度地節(jié)約資源及減少污染，是現代建筑設計的基本要求。若想達到該要求，必然離不開對各種清潔能源、可再生能源的應用，太陽能正是其中之一。太陽能熱水系統的應用原理是基于太陽能的可循環(huán)性，利用太陽能熱水系統來代替?zhèn)鹘y的熱水系統，它不但能夠實現節(jié)約電能和煤氣，同時還能夠減少由傳統供熱方式所引起的空氣、廢料污染。成本低、投入少也是太陽能熱水系統的一項重要優(yōu)勢，一方面太陽能本身幾乎沒有成本，另一方面太陽能熱水系統的安裝簡單、造價低。由于太陽能熱水系統的這些優(yōu)勢，使得它在建筑給排水設計中得到了十分廣泛的應用。

3 設計中的應用要點

3.1 熱水系統設置

太陽能熱水系統有很多種類型，例如水箱式（緊湊式）太陽能熱水系統、集熱式（分離式）太陽能熱水系統等，還可分為自然循環(huán)式太陽能熱水系統、強制循環(huán)式太陽能熱水系統，以及直接加熱式太陽能熱水系統、間接加熱式太陽能熱水系統。目前在建筑給排水設計中最常用的是直接加熱式的分離式太陽能熱水系，其特點是對水箱與集熱器進行分開設置，優(yōu)勢是能夠有效保證循環(huán)系統的可承受壓力、減少污染外泄以及提高熱能置換效率。在實際設計中，可以選擇將太陽能熱水系統的水箱設置在地下室中，以便降低維修難度、減輕對建筑立面結構的影響。

3.2 管路設置

太陽能熱水系統的管路設置乃是關鍵，應采取科學措施來保持冷熱水系統壓力的平衡，將其壓差控制在0.02MPa以內[1]。所有管道都要進行有效的保溫處理，這樣才能夠保證太陽能熱水系統的供水溫度。如果是室外管道，還要進行有效的防凍處理，以免出現管道凍裂。對管道方向進行合理安排是一項重要內容，通常情況下，對于室內水平管線應盡量進行隱蔽布設，對于室外管線應進行隱蔽布設，對于豎向管線應布設在與豎向管道井內部相貼近的地方，同時還要做好相關防護措施，以方便后期維護維修。注意，在隱蔽工程的施工中不能留有管線接頭。另外，還要對管道材料進行合理選擇，在選擇管道材料時應充分考慮到管道工作壓力、工作溫度等因素，一般以金屬管材和不銹鋼管線為宜，并做好相關防腐措施；保溫材料則可選擇橡塑。

3.3 控制方式

如果準備在建筑給排水設計中應用太陽能熱水系統的話，需要事先根據太陽能熱水系統的占地尺寸預留出足夠的位置，并結合實際設置輔助性熱源裝置，以保障太陽能熱水系統的正常穩(wěn)定運行。通常是把輔助性熱源裝置設置在水箱周邊，這樣可以方便后期運行和維護；同時根據實際情況對輔助性熱源裝置采取合理的控制方式，如手動啟動、定時啟動、全日重點啟動等[2]。此外，還需對電磁閥和溫度控制閥進行合理設置。

4 應用實例

某高層商業(yè)建筑工程總建筑面積6457.54m2，建筑高度65m，由地下1 層+地上10 層組成，其中1F 為商鋪區(qū)、2F為餐飲區(qū)，3F～5F 為辦公區(qū)、6F～10F 為公寓區(qū)。在本工程的建筑給排水設計中擬應用太陽能熱水系統。

4.1 系統參數

4.1.1 平均日熱水用水量

根據當地氣候溫度情況并參考相關設計標準來計算和確定平均日熱水用水量數值。經計算和比選得出：局部熱水供應時平均熱水用水量為33L/（人· d），集中熱水供應時平均熱水用水量為40 L/（人·d）～50L/（人· d）。

4.1.2 冷熱水溫度取值

根據當地年平均溫度來合理選取冷水溫度數值，該地區(qū)年平均冷水溫度為15℃～20℃，故初始水溫可取值15℃；熱水溫度的取值則需四季保持在45℃～55℃。

4.1.3 太陽能保障率

采用熱管真空管方案，在20℃的進水溫度和70℃的出水溫度情況下，經計算得出太陽能保障率可達到1249kw·h/（m2·a）。 根據實際情況，陽光等級選擇C 級。

4.1.4 水箱容積

水箱容積設計的關鍵是建筑最大熱水使用量，在實際設計中需以高峰用水量和工程投資為依據。由于建筑中人員密度較大、管線分布較多，所以還需考慮到最大用水量。為避免水箱容積的實際值與設計值不相符，應按照最大用水量的0.4 倍計算。

4.2 系統設計

4.2.1 結構設計

首先，在太陽能熱水系統的進水部分設計中，根據實際情況選擇單向閥門方案，注意要對建筑高度、系統布置、壓力等因素進行充分考慮，確保管線連接緊密、布設合理。其次，在太陽能熱水系統的加熱部分設計中，注意要充分考慮水箱的性能，合理選擇太陽能真空管的加熱方式。最后，在太陽能熱水系統的供水系統設計中，采取冷熱水管整體設計方案，管道則進行獨立、封閉布設，注意要盡量排除重力勢能對水箱高度的不利影響。

4.2.2 定溫循環(huán)系統設計

在太陽能熱水系統的進水系統設計中，為提高水管和水箱的連接效果，應處理好差額補水，同時這樣做還可促進冷水與水箱內熱水的均勻混合，從而保證溫度分布均勻。對定溫循環(huán)系統采取循環(huán)加熱的方式，以使水源可以在外力條件下持續(xù)流動，得到良好的保溫 效果。

4.2.3 集熱器排列設計

當地年平均溫度16.7℃、最高溫度39℃、最低溫度-3℃，年平均日太陽輻照量12.613MJ/m2。考慮到是高層商業(yè)建筑，要求較高的太陽能應用效率，所以選擇采用新型復合拋物面聚光集熱器。CPU 綜合采用真空和熱管技術，在設計中遵循邊緣光線原理，并采用非城鄉(xiāng)低聚焦度聚光器，只需定期調整傾角角度即可達到較好的應用效果。根據相關技術規(guī)范并參考地方維度，初步確定太陽能集熱器安裝角度為31.35°。但考慮到太陽能熱水系統主要是在夏季應用，因此經設計優(yōu)化后，確定最終的太陽能集熱器安裝角度為20°。傾斜安裝還需適當調整輻射強度，根據實際情況計算確定輻射強度為765W/m2。集熱器設置總數量為356 組，其中包括屋頂上的193組和小屋頂、斜屋頂至上的163 組；集熱器組與集熱器組之間采用同程連接方式，目的是保證流量分配均勻；組間間距為800cm，能夠給后期維護維修提供充足的空間。

4.2.4 水箱設計

在太陽能熱水系統的水箱設計中，首先根據實際情況確定水箱的體積，以40%為標準來進行設計能夠更好地保障經濟效益；其次根據實際情況合理選擇水箱保溫措施，常規(guī)保溫措施即可滿足要求，即在水箱外部包裹一層保溫材料，或是采用真空包裹法，即在水箱外部增加一個真空層以用于保溫。

5 結語

給排水系統是現代建筑中的重要系統，也是建筑中能耗較高的系統，可以說，給排水系統的能耗水平直接決定著建筑整體能耗水平，所以為實現建筑節(jié)能設計目標，必須要對給排水系統進行有效的節(jié)能設計，而太陽能熱水系統的應用正是其有效舉措之一。在實際應用中，必須要把握好太陽能熱水系統的相關設計要點，以最大限度地發(fā)揮出其在建筑給排水設計中的應用優(yōu)勢。