高層住宅建筑中集中式太陽能熱水系統(tǒng)的適用性研究

中圖分類號：TK519/TU241.8 文獻標志碼：A

0引言

太陽能熱水系統(tǒng)是種技術成熟的太陽能熱利用方式，近年來，國家及地方層面都出臺了鼓勵安裝太陽能熱水系統(tǒng)的政策或標準[1，例如：GB55051—2021《建筑節(jié)能與可再生能源利用通用規(guī)范》中明確規(guī)定，新建建筑應安裝太陽能系統(tǒng)[2]。中國已成為全球最大的太陽能熱水器生產(chǎn)國和市場，其中，高層住宅建筑中應用最為廣泛的是陽臺分戶式太陽能熱水器。近年來，住宅建筑南立面采用全玻璃落地窗的新建住宅小區(qū)越來越多，導致陽臺分戶式太陽能熱水器的安裝條件被限制，集中式太陽能熱水系統(tǒng)的應用逐漸增多。但與陽臺分戶式太陽能熱水器相比，集中式太陽能熱水系統(tǒng)在冬季室外防凍和物業(yè)管理方面存在一定的弊端[3；在高層住宅建筑屋面面積有限的條件下，可供集中式太陽能熱水系統(tǒng)布置太陽能集熱器的面積有限，導致集中式太陽能熱水系統(tǒng)的熱水產(chǎn)量有限；此外，部分已運行項目的節(jié)能性也受到了一些質(zhì)疑[4]。

基于此，本文首先介紹高層住宅建筑中集中式太陽能熱水系統(tǒng)的形式、安裝形式，然后對比分析3種不同系統(tǒng)形式的集中式太陽能熱水系統(tǒng)的特點，最后結合北京地區(qū)的氣候特點建立平屋面高層住宅建筑模型，對集中式太陽能熱水系統(tǒng)在此類建筑中的適用性進行研究。

1住宅建筑和太陽能集熱系統(tǒng)的發(fā)展

自1998年國務院出臺了《關于進一步深化城鎮(zhèn)住房制度改革加快住房建設的通知》（國發(fā)[1998]23號）以后，中國住宅建筑進入快速發(fā)展階段[5]。經(jīng)過幾十年的快速發(fā)展，中國住宅建筑面積總量得到快速提升，截至2021年底，中國建筑面積總量約為678億 ，其中，農(nóng)村住宅建筑面積約為226億 ，城鎮(zhèn)住宅建筑面積約為305億 。2001—2021年中國建筑面積總量增長趨勢如圖1所示。

住宅建筑能耗在中國建筑總能耗中的占比較大，約占 ，因此，重視住宅建筑節(jié)能是節(jié)能減排的重要途徑之一。生活熱水是住宅建筑能耗的重要組成部分，住宅建筑中生活熱水的制取方式主要有電熱水器、燃氣熱水器、空氣能熱水器、太陽能熱水器，而太陽能熱水器是重要的降低住宅建筑能耗的技術路徑。

從1998年開始，隨著建筑業(yè)的迅速發(fā)展，中國太陽能集熱系統(tǒng)的集熱面積保有量同樣逐年快速增長；截至2021年底，該值達到了61894萬 。2001—2021年中國太陽能集熱系統(tǒng)的集熱面積保有量增長趨勢如圖2所示。

2住宅建筑中的集中式太陽能熱水系統(tǒng)

2.1住宅建筑的太陽能熱利用形式

住宅建筑的太陽能熱利用形式主要為太陽能熱水及太陽能采暖，且以太陽能熱水為主。應用于高層住宅建筑的太陽能熱水系統(tǒng)主要可以分為陽臺分戶式太陽能熱水器、集中式太陽能熱水系統(tǒng)和近年來興起的光伏熱水系統(tǒng)，本文主要針對集中式太陽能熱水系統(tǒng)進行研究分析。

2.2屋面集中式太陽能熱水系統(tǒng)的安裝形式

高層住宅建筑的屋面可以分為平屋面和坡屋面兩種。坡屋面上，集中式太陽能熱水系統(tǒng)的安裝形式主要為與建筑屋面一體化安裝，可稱為“貼合屋面式”，即太陽能集熱器的安裝角度和坡屋面角度一致，順坡屋面安裝。平屋面上，集中式太陽能熱水系統(tǒng)的安裝形式主要有兩種，其中1種是屋面支架式，即將太陽能集熱器安裝在屋面設置的簡易支架上；另1種是屋面飄板式，即將太陽能集熱器安裝在屋面架設的飄板上。集中式太陽能熱水系統(tǒng)的3種安裝形式如圖3所示。

33種集中式太陽能熱水系統(tǒng)形式的對比分析

根據(jù)熱水供應方式不同，集中式太陽能熱水系統(tǒng)可分為集中集熱分戶供水、集中集熱分戶換熱、集中集熱分戶儲熱3種系統(tǒng)形式[8-9]，下文進行詳細介紹。

3.1集中集熱分戶供水

集中集熱分戶供水是將太陽能集熱器收集的熱量儲存到儲熱水箱中，然后將達到設定供應溫度的熱水直接供應給每戶用戶，其結構示意圖如圖4所示。此系統(tǒng)形式通常需要在屋面集中設置輔助熱源進行加熱，以保證儲熱水箱中的熱水溫度；還需要在每戶用戶的熱水入戶接入管處設置計量裝置，此熱水系統(tǒng)控制方式應設置為定溫管道循環(huán)，以保證所供應熱水的溫度。

3.2集中集熱分戶換熱

集中集熱分戶換熱是將太陽能集熱器收集的熱量儲存到緩沖水箱中，然后再通過循環(huán)管道將熱量傳送至每戶用戶室內(nèi)的換熱水箱，其結構示意圖如圖5所示。相比于集中集熱分戶供水形式，本系統(tǒng)形式會在用戶室內(nèi)的換熱水箱處設置電加熱設備作為輔助熱源。由于太陽能集熱器的得熱量會及時傳送給室內(nèi)換熱水箱，因此屋面設置的緩沖水箱容積遠小于集中集熱分戶供水形式屋面儲熱水箱的容積。

3.3集中集熱分戶儲熱

集中集熱分戶儲熱是將太陽能集熱器收集的熱量先儲存到緩沖水箱中，太陽能可提供比較高的基礎水溫；每戶用戶室內(nèi)再設置1個小型儲熱水箱，在緩沖水箱與室內(nèi)儲熱水箱水溫達到設定的溫差值時，通過循環(huán)管道將熱量輸送到室內(nèi)的小型儲熱水箱，即將太陽能熱水分散儲存到每戶用戶的小型儲熱水箱中，其結構示意圖如圖6所示。此系統(tǒng)形式中，需在每戶用戶的熱水入戶接入管處設置計量裝置，在室內(nèi)的小型儲熱水箱處設置電加熱設備作為輔助熱源，并且屋面的緩沖水箱容積小于集中集熱分戶供水形式屋面儲熱水箱的容積。

3.4對比分析

對3種集中式太陽能熱水系統(tǒng)形式的特點進行對比分析，如表1所示。

從表1可以看出：3種系統(tǒng)形式中，集中集熱分戶換熱對住宅建筑物業(yè)管理的影響最小，也是目前應用最多的1種系統(tǒng)形式。因此，本文選用集中集熱分戶換熱作為分析高層住宅建筑中集中式太陽能熱水系統(tǒng)適用性的系統(tǒng)形式。

4集中式太陽能熱水系統(tǒng)適用性分析

4.1高層住宅建筑模型概況

根據(jù)《中國人口普查年鑒2020》[的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，2020年中國每戶家庭的居住面積達到111.18 。本文以屬于寒冷地區(qū)的北京地區(qū)為例，搭建1棟高層住宅建筑模型，每戶的建筑面積按 設定，一梯兩戶，建筑層高設定為 3m 由于坡屋面高層住宅建筑利用集中式太陽能熱水系統(tǒng)較為少見，因此本文僅對平屋面高層住宅建筑中集中式太陽能熱水系統(tǒng)的適用性進行分析探討。

針對住宅建筑的有效太陽能可利用屋面面積，Ordonez等[]采用抽樣分析并映射到整個城市的方法，對西班牙安達盧西亞的住宅屋面太陽能裝機容量進行了分析；李小明等[12]對中國農(nóng)村地區(qū)建筑屋面光伏發(fā)電資源進行評估和效益分析后，將高層住宅建筑中平屋面可利用系數(shù)設置為0.654。基于上述文獻的研究結果，本建筑模型的平屋面可利用系數(shù)選取0.654。若太陽能熱水系統(tǒng)采用屋面支架式安裝形式，最大可安裝太陽能集熱器的集熱面積為 ；若采用屋面飄板式安裝形式，因其不受建筑構件影響，可以實現(xiàn)最大化布置太陽能集熱器，最終可安裝的集熱面積為 。

4.2太陽能熱水系統(tǒng)的日均產(chǎn)熱量計算

太陽能熱水系統(tǒng)日均產(chǎn)熱量 的計算式[13]可表示為：

式中： 為太陽能集熱器的總集熱面積， 為太陽能集熱器采光面的日太陽輻照量， ，按照北京地區(qū)的太陽輻照數(shù)據(jù)，本文取17； 為太陽能集熱器的集熱效率，太陽能熱水系統(tǒng)采用屋面支架式安裝形式時取0.45，采用屋面飄板式安裝形式時取0.42（受太陽能集熱器安裝角度影響，此安裝形式下的太陽能集熱器為水平安裝）； 為屋面太陽能集熱器、緩沖水箱及用戶室內(nèi)換熱水箱的熱損失效率，本文取0.22。需要說明的是，本熱損失效率未包含熱水供回水管道的熱損失量，該熱損失量需按照不同樓層進行計算。

4.3熱水供回水管道的熱損失計算

計算熱水供回水管道的熱損失時，僅考慮高層住宅建筑管道井內(nèi)的熱水供回水管道。管道管型設定為DN50的熱鍍鋅鋼管，外徑為 0.06m 絕熱層采用厚度為 30mm 柔性泡沫橡塑。每平方米絕熱層外表面積對應的熱水供回水管道熱損失量 q 的計算式[14-15]可表示為：

式中： h 為熱水供回水管道的熱水循環(huán)時間，h，本文取24； 為熱水供回水管道的外徑，m； 為絕熱層的外徑， m ，本文取0.12； 為絕熱層外表面與周圍空氣的換熱系數(shù)， ，本文取11.63； 為熱水供回水管道的外表面溫度， ，忽略管壁熱阻的影響，即外表面溫度等于熱水供水溫度，本文取60； 為環(huán)境溫度， 本文取北京地區(qū)的年平均溫度 ）； λ 為絕熱材料的導熱系數(shù)， ），本文取0.036。

根據(jù)式（2），計算得出每平方米絕熱層外表面積對應的熱水供回水管道熱損失量為 折合成每米管道長度對應的熱水供回水管道熱損失量為 。

4.4太陽能熱水系統(tǒng)的日均熱水產(chǎn)量計算

考慮管道井內(nèi)熱水供回水管道的熱損失后，太陽能熱水系統(tǒng)的日均熱水產(chǎn)量 G 的計算式[16]可表示為：

式中： Q 為考慮住宅管道井內(nèi)熱水供回水管道熱損失后的太陽能熱水系統(tǒng)日均產(chǎn)熱量， kJ C 為水的定壓比熱容， ），本文取4.187； 為熱水供水溫度， ，本文取60； 為自來水的計算溫度， ，根據(jù)GB50015—2019《建筑給水排水設計標準》，本文取北京地區(qū)最冷月的平均水溫 ）

對系統(tǒng)形式為集中集熱分戶換熱，安裝形式分別采用屋面支架式或屋面飄板式的太陽能熱水系統(tǒng)在高層住宅建筑的適用性進行計算分析。根據(jù)GB50015—2019中表6.2.1-1，住宅居民的單人單日平均熱水用量為 25～70L ；另外有相關研究證明，當采用集中熱水供應系統(tǒng)時，居民的單人單日平均熱水用量為 ；綜合考慮，本文按照每戶3人，單人單日平均熱水用量為 50L 進行計算。將給出的高層住宅建筑的條件代入式（1）～式（3），計算該建筑中第 11～28 層中每戶住宅的日均熱水需求量和不同安裝形式下太陽能熱水系統(tǒng)的日均熱水產(chǎn)量，結果如表2所示，二者之間的關系如圖7所示。

從表2和圖7可以看出：利用高層住宅建筑的有限屋面面積安裝集中式太陽能熱水系統(tǒng)時，若安裝形式采用屋面支架式，太陽能熱水系統(tǒng)基本可以滿足11層及11層以下高層住宅建筑的居民生活熱水需求；而對于11層以上的高層住宅建筑，采用屋面支架式的熱水產(chǎn)量不能完全滿足熱水需求量，居民生活熱水保證率逐漸降低。若安裝形式采用屋面飄板式，太陽能熱水系統(tǒng)基本能夠滿足17層及17層以下高層住宅建筑的居民生活熱水需求；17層以上的居民生活熱水保證率逐漸降低。但是此安裝形式需要在屋面增設鋼結構將太陽能集熱器整體架空安裝，增加了建筑結構基礎，并增加了屋頂?shù)匿摻Y構工程，由此會增加集中式太陽能熱水系統(tǒng)安裝工程的碳排放量，導致太陽能熱水系統(tǒng)項目的節(jié)能減排效益大幅降低。

5結論

本文對高層住宅建筑中集中式太陽能熱水系統(tǒng)的適用性進行了研究，并結合北京地區(qū)的氣候特點建立平屋面高層住宅建筑模型，對不同類型的集中式太陽能熱水系統(tǒng)的適用性進行了對比分析，得到以下結論：11層及11層以下的平屋面高層住宅建筑，集中式太陽能熱水系統(tǒng)采用屋面支架式安裝形式可基本滿足居民生活熱水需求；17層及17層以下的高層住宅建筑，集中式太陽能熱水系統(tǒng)采用屋面飄板式安裝形式可基本滿足居民生活熱水需求。與屋面支架式相比，集中式太陽能熱水系統(tǒng)采用屋面飄板式時的熱水保證率更高，但此種安裝形式需要利用鋼結構將太陽能集熱器整體架空安裝，增加了安裝工程的碳排放量，導致太陽能熱水系統(tǒng)項目的節(jié)能減排效益大幅降低。

集中式太陽能熱水系統(tǒng)是高層住宅建筑安裝太陽能系統(tǒng)的可選形式之一，從本文分析來看，針對高層住宅建筑太陽能熱水系統(tǒng)的設計選型，應該從建筑層數(shù)、整體節(jié)能性、運行穩(wěn)定性等多個角度進行綜合考量，只有讓太陽能熱水系統(tǒng)能用、適用、好用，才能讓太陽能熱利用行業(yè)更健康的發(fā)展，才能實現(xiàn)真正意義上的節(jié)能減排。希望今后有更多針對高層住宅建筑太陽能熱水系統(tǒng)的節(jié)能研究，為今后住宅建筑太陽能熱水系統(tǒng)的設計安裝，以及政策規(guī)范標準的制定及執(zhí)行提供更好的思路。

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RESEARCH ON APPLICABILITY OF CENTRALIZED SOLAR HOT WATERSYSTEMSINHIGH-RISERESIDENTIALBUILDINGS

Zhai Huawei

（1.School ofArchitecture，Tianjin University，Tianjin 30oo72，China； 2.Dezhou Jiancheng Survey DesignReviewCo.，Ltd，Dezhou253ooo，China）

Abstract： Against the backdrop of the increasing use of centralized solar hot water systems in high-rise residential buildings，it is necessry to study the applicabilityofsuch hot water systems toresidential buildings. This paper first introduces the system forms and installation forms of centralized solar hot water systems in high-rise residential buildings，then compares and analyzes the characteristics of three types of system forms of centralized solar hot water systems.Finally，a flat roof high-rise residential building model is established based on the climate characteristics of Beijing area，and the applicability ofcentralized solar hot water systems in high-rise residential buildings is analyzedand studied.The research results show that for high-rise residential buildings with flat roofs of 11 floors and below，the centralized solar hot water system using roof bracket type installation form can basicaly meet the hot water needsofresidents'daily life.Forhigh-rise residential buildings with 17floors orless，the centralized solar hot water system adopts a rooffoating plate type installtion form， which can basically meet the hot water needs of residents' daily life. Compared with the roof bracket type，the centralized solar hot water system has a higher hot water guarantee rate when using a roof floating plate type， butthis installation form requires the use of steel structures to installthe solar collector as a whole overhead， which increases the carbon emissions of the instalation project，and significantly reduces the energy-saving and emission reduction benefits of solar hot water system project.The design and selection of solar hot water systems for high-rise residential buildings should be comprehensively considered from multiple perspectives such as building floors，overall energy efficiency，and operational stability.

Keywords：high-rise residential buildings；centralized solar hot water system；solarcolector；applicability； domestic hot water