太陽能熱水系統在建筑給排水設計中的應用和探析

徐 靜

（蘭州工業學院，甘肅 蘭州 730050）

1 太陽能熱水系統在建筑給排水中的應用要點

1.1 太陽能熱水系統的設計

太陽能熱水系統類型較多，包括水箱式、即熱式。水箱式屬于緊湊型，即熱式屬于分離型。除此之外，也包括自然循環式、強制循環式等多種模式。現階段，在建筑給排水設計中最常使用的太陽能熱水器系統是直接加熱的分離式太陽能熱水系統。該系統的主要優勢是通過水箱與集熱器之間的獨立設置，保障加熱時循環系統可承受壓力提升，除此之外，也減少污染外泄的可能性，使太陽能的熱能能夠提高轉換效率。對熱水系統進行設計時，通常將太陽能熱水器的水箱部分設置在偏低的地面結構處，或設置在地下室空間內，這樣能夠減少后期損壞時維修的難度，也能避免太陽能熱水系統水箱對建筑立體結構壓力過大，影響立體結構整體使用效果。太陽能熱水系統設計的要點一方面是考慮太陽能熱水系統與建筑給排水項目使用需求之間是否匹配，另一方面也要考慮太陽能熱水器的結構是否會對建筑物造成過大壓力影響，分別從熱水系統與建筑物兩方面，對太陽能熱水系統進行設計選擇。

1.2 給排水管路的設計

管路設計部分是太陽能熱水系統功能實現最關鍵的部分，需要采取科學措施，保持冷水與熱水系統之間的壓力處于平衡狀態，要將冷水管與熱水管的壓力差控制在0.02 MPa以內，對太陽能熱水系統所有管路進行設計時，都要采取有效的保溫處理，這樣才能保證太陽能熱水系統的供水溫度達到預期標準，避免熱水溫度散失后，影響整體供水質量，如果太陽能熱水系統部分管道處于室外，需要采取相應的防凍處理方法，在冬季氣溫過低時，如果管道內部的水結冰，容易出現管道凍裂的情況。因此，要對管路進行合理布置，在管道方向安排中盡可能減少室外管線數量，室內水平管線的設置要保持隱蔽。除此之外，在管路設置中也要考慮后期故障維修是否方便進行，采取相應的保護措施后，便于維修工作開展。隱秘部分管線工程施工中，不能留有管線的接頭處，要將管線的接頭處設置在明顯區域，這樣后期防護以及維修工作開展才更方便進行。可以選擇橡塑作為保溫材料，不僅保溫效果好，并且在使用中不用擔心由于生銹而影響到整體排水管路系統的安全性。

1.3 太陽能熱水系統控制方式

在建筑給排水系統設計中應用太陽能熱水系統，要根據太陽能熱水系統自身的占地尺寸預留出足夠的建筑空間，這樣才能確保施工中各類設備能夠順利安裝。更要結合功能需求以及實際情況，設置輔助性的熱源裝置，這樣才能保障太陽能熱水系統不受外界天氣環境變化影響，始終能夠正常穩定地運行。通常情況下，將輔助性的熱源裝置安裝在太陽能熱水器的水箱周邊，這樣后期輔助性熱源裝置，一旦出現故障，也更方便維護、維修。同時也要根據實際情況對輔助性熱源的安裝數量、啟動方式進行合理控制，通常采用定時啟動的設計方式，在夜間，太陽能熱水器不能捕捉到足夠的太陽能，需要輔助熱源裝置幫助維持熱量。采用定時啟動的控制方式，不僅能夠達到最理想的加熱狀態，也能節省系統使用。除此之外，在控制方式設計選擇中，還需要對電磁閥和溫度閥進行合理設置，確保所安裝的位置安全，并且能夠達到預期使用效果。太陽能熱水系統控制方式選擇中，是對太陽能熱源系統選擇輔助性的熱源裝置，并對各控制閥啟動開關進行安裝設計，使太陽能熱水器能夠正常運行，同時也利用其他輔助性的熱源裝置，保證太陽能熱水器使用中整體穩定性提升。

2 基于應用實例的系統參數設計

將太陽能熱水系統應用在建筑給排水設計中，選擇具體的建筑工程作為研究案例。某高層商業建筑工程的總建筑面積為6457 m2，建筑高度為65 m。由地下一層、地上十層組成，對該建筑工程的建筑給排水進行設計中，太陽能熱水器能夠節約后期使用成本，因此擬定使用太陽能熱水系統。對于該工程給排水設計中太陽能熱水系統的具體使用方案，作出如下參數設計。

2.1 平均日熱水用水量

首先計算出該建筑工程平均日用水量情況。對于平均日用水量的計算，參照當地氣候溫度變化以及高層建筑物的相關設計標準來進行，保障建筑物的平均日用水量能夠滿足使用需求。經過計算與對比，最終確定平均日用水量方案為局部熱水供應量為每人33 L/d。對平均日熱水用量進行計算時，輔助計算系統來完成。平均日熱水用水量關系到太陽能熱水系統設計時水箱器材的選擇。水箱容量要滿足平均日熱水用量使用需求，這樣在接下來的使用中才能保障熱水供應達到穩定。如果平均日用水量高于太陽能熱水系統的最大蓄水能力，那么在使用時，熱水用量高峰時期容易出現供應不足的問題。太陽能熱水系統中所儲存的熱水需要經過循環與冷水相結合，最終達到平均溫度后，符合日常熱水使用溫度標準，這樣才能夠向建筑主體供應。因此，在對平均日熱水用量進行計算時，與地區的氣候溫度相結合，在氣候溫度較低的地區，平均日熱水用量相對較高。

2.2 冷熱水溫度取值

對于冷水、熱水溫度取值的計算，是根據建筑物所在地區全年的平均溫度來進行。文章所列舉的建筑案例所在地區年平均冷水溫度為15～20 ℃攝氏度之間。因此，在對冷水溫度進行取值時，初始水溫度取值為15 ℃，對熱水溫度進行取值時，全年四季保持在45～55 ℃，便能滿足使用需求。冷水、熱水溫度取值計算結果得出后，對太陽能熱水系統進行系統參數設置時，可以按照這一溫度取值標準來完成。冷水、熱水溫度隨著室外環境變化，會出現波動，因此在取值時要考慮季節溫度變化對水溫的影響。在秋冬季一些室外溫度比較低的時候，冷水溫度通常在20 ℃以下。此時，需要將熱水溫度控制在55 ℃以上，這樣才能夠滿足整體使用。夏季室外溫度較高，冷水平均溫度達到20 ℃，此時熱水溫度可以保持在45～50 ℃之間，這樣整體太陽能熱水系統的水源供應才能平穩。

2.3 太陽能保障率

太陽能保障率，也就是太陽能板的轉換效率。計算公式為：太陽能板得轉換效率=[太陽能板的功率(瓦)/太陽能板的面積(mm2)]*1000，太陽能熱水系統在使用中，隨著太陽能電池板使用壽命延長，所輸出的功率也會慢慢衰減，太陽能板的轉換率也會逐漸降低。太陽能熱水系統的太陽能保障率是由太陽能部分提供的能量占系統總負荷百分比率所得出。太陽能保障率的大小與取值，是受建筑物太陽能熱水系統使用中太陽輻照氣候條件、系統投資回收期等經濟性參數，以及用戶要求所影響的。如果太陽能熱水系統的太陽能保障率取值過低，會影響到太陽能熱水系統所發揮的調節作用。因此，對于太陽能板的轉換率要長時間記錄，更要考慮平均情況，根據建筑給排水項目的使用需求，計算得出太陽能熱水系統的太陽能板更換時間，及時維修養護，確保太陽能板在轉換效率方面能夠滿足使用。在對太陽能熱水系統進行設計時，關于太陽能保障率的設計采用熱管真空管方案來進行。當建筑所在地區的平均冷水溫度為20 ℃時，進水溫度達到20 ℃，出水溫度達到70 ℃，此時經過計算可以得到太陽能保障率，太陽能保障率為1249 kw·h（m2·a），根據該地區的平均陽光照射情況，陽光等級為C級別。

2.4 水箱容積

太陽能熱水系統水箱容積是設計最關鍵的部分，為是否能夠滿足建筑物給排水系統最大熱水的使用，尤其是對建筑物高峰用水量的設計。在實際水箱容積計算設計時，還要結合工程投資依據來進行，確保在合理經濟范圍內能夠滿足高峰用水量需求。該文所設計的太陽能熱水系統，由于所選擇的建筑案例中人員密度程度比較大，管線分布也相對比較復雜，除此之外，還要考慮高峰用水時期最大熱水使用量的需求。為避免水箱容積設計計算出的結果在實際使用時不能滿足需求，選取設計值時，按照最大用水量的1.4倍進行計算，這樣的水箱容積能夠滿足高峰用水使用需求。1.4倍的水箱容積計算結果，在實際太陽能熱水系統使用時，如果高峰用水量提升，也不會導致熱水供應不足。水箱容積是太陽能熱水系統設計中最為關鍵的部分。如果太陽能熱水系統在建筑主體中的管線排布存在不合理的部分，通過后期維修優化也能及時處理。但如果水箱容積選擇不足，后續使用時將會導致太陽能熱水系統的整體使用效率下降，后期維修更換也十分麻煩。因此對于水箱容積的計算，要保證各類數值取值準確，反復對比實際參數，達到最符合實際使用需求的水箱容積計算結果。

3 系統設計

3.1 結構設計

太陽能熱水系統應用在建筑給排水中，對結構進行設計時，要嚴格按照太陽能熱水系統的安裝順序以及功能重要程度進行設計，避免在結構方面出現缺陷。首先，對太陽能熱水系統的進水部分進行設計，根據前期所計算得到的參數結果，選擇單向閥門方案。在閥門方案選擇時，要與建筑物主體的高度以及太陽能熱水系統布置、水壓等實際情況相結合，保障單向閥門與管線之間的連接緊密，所在位置合理，避免將單向閥門設置在隱秘部分。這樣如果后續出現結構故障問題，維修難度將會增大。其次是，對太陽能熱水系統的加熱部分進行設計，也就是水箱性能選擇以及太陽能板的選擇，太陽能板的功率要滿足熱水容量需求，要重點考慮水箱的性能，對太陽能真空管的加熱方式進行合理布置，根據太陽能加熱板使用中的損耗情況計算出平均更新年限。最后針對太陽能熱水系統的供水端進行設計，供水端是冷熱水管整體方案設計中的最終階段，在管道設計中要保障獨立密封。當水箱高度升高時，由于內部水壓較大，重力勢能會增大。

3.2 定溫循環系統設計

對建筑物太陽能熱水系統的定溫循環系統進行設計時，重點針對進水部分來進行，提高水管與水箱之間的連接緊密程度。尤其是針對差額補水要重點設計，確保冷熱水箱內所存儲的水能夠均勻混合，這樣才能確保溫度循環分布均勻。對于太陽能熱水系統的定溫循環系統，在設計時采用循環加熱方式來進行，水源能夠在外力條件下持續流動循環，這樣能夠達到良好的保溫效果，也能使冷水、熱水混合后的溫度均勻分布，滿足熱水供應需求。定溫循環系統設計時，重點強化水源在外力條件下的流動能力，以及水管與水箱之間的連接線。

3.3 集熱器排列設計

針對集熱器排列方式進行設計時，該文所選擇的建筑案例所在地區年平均溫度為16.7 ℃，最高溫度可達到39 ℃，最低溫度為-3 ℃，年平均太陽輻照量為12.613 MJ/m2。由于建筑案例屬于高層商業建筑，因此太陽能應用效率要求較高，在針對集熱器排列進行設計時，考慮高層商業建筑自身需求，選擇最新型的復合拋物面聚光集熱器。見圖1。

該種集熱器的優勢在于占地面積比較小，并且能夠在有限建筑面積基礎上，最大程度擴大聚光集熱范圍，能夠將光能采集后更好地轉化為熱能。在排列設計時，采用圖1的排列分布方式來進行橫向延長，縱向排列設計時根據建筑物可供利用的面積，合理設計總行數。這種排列設計方式不會影響到本身，使每一個復合拋物面聚光集熱器都能在陽光照射下運轉工作。不會由于排列設計方式不合理，導致集熱器出現前后遮擋從而產生陰影的情況。

圖1 復合拋物面聚光集熱器

4 結語

在現代建筑中，給排水系統承擔著重要的角色，也是建筑物整體中耗能較高的部分。給排水系統的能耗水平以及環保指數，直接決定著建筑整體的能耗情況，也是綠色建筑設計中重點關注的部分。將太陽能熱水系統與建筑給排水系統相結合，替代傳統熱水系統，使建筑給排水系統的整體能源消耗得到明顯控制。經過實際案例分析結果顯示，太陽能熱水系統具有明顯的能源節約效果，并且運用太陽能熱水系統，能夠滿足建筑物使用中的熱水供應需求。未來，太陽能熱水系統將成為建筑給排水設計中的主體，全面替代傳統熱水系統，使建筑物整體設計更加科學合理。