太阳能热水系统在高层建筑中的应用

鲍晓丽

上海航天建筑设计院，上海 200033

太阳能作为一种可再生的清洁能源，近年来在建筑中的利用日益受到关注。其中，太阳能热水系统是目前太阳能利用领域中技术发展最成熟、经济上也具有竞争力的绿色能源技术。

太阳能热水系统在中小城市，特别是在多层住宅中的设计已趋近成熟。但随着太阳能热水系统的推广和发展，其在小高层、高层建筑的设计显得更为重要。目前太阳能热水系统在小高层、高层建筑中的应用，主要采用集中集热分户换热、集中集热分户供水、集中集热分户辅热和分户集热分户辅热（阳台型）热水系统四种类型。

图1 集中集热分户换热系统原理图

1 集中集热分户换热

集中集热分户换热是指采用集中的太阳能集热器和分散式的室内水箱供给一个单元或者一栋建筑物所需热水的系统。一般以一个单元或者楼为系统单元，系统多为承压系统，通过强制循环将太阳能转化成的热量传递给每家每户，阴雨天或者水量大时可启动户内辅热。

系统特点是太阳能集热器根据需要集中设置，可以设置在建筑屋面、墙面等可充分接受阳光的位置。楼顶放置一个集热水箱，而每户室内再设置一个小的分户储水箱。太阳能与室内水箱进行换热，室内水箱辅助加热，太阳能系统可以是承压系统也可为非承压系统。优点：物业管理和计量方便，各室内的储水箱为系统独立，太阳能进行换热，从而达到节能的效果，维护方便。缺点：该系统的投资大，管道热损失大。太阳能系统效率低，低层系统压力大，设备及设计要求高。

2 集中集热分户供水

集中集热分户供水是指采用集中的太阳能集热器和集中的集热水箱供给一个单元或者一栋建筑物所需的热水，通过热水计量方式计算用水量。集中的储水箱配置辅助加热。系统运行费用计入热水水费中。

图2 集中集热分户供水系统原理图

系统特点是太阳能集热器根据需要集中设置，设置一个或者两个（一个用于集热，一个用于储热）储水设备，进行供水；供热终端则有计量装置。优点：节约投资；系统采用定时定温管道循环，打开即有热水，热损失相对小；开式系统、设备投资小、系统简单；采取定水量或者定水箱使用辅助能源加热，节约能源和缩短时间；合理的水费可为物业盈利。缺点：物理管理和计量收费相对麻烦，用水时间不统一造成后续用水量不足或者辅助能源消耗量增加。

3 集中集热分户辅热

图3 集中集热分户供水系统原理图

集中集热分户辅热是指采用集中的太阳能集热器和集中的集热水箱，每户配置一个燃气挂壁炉或者电热水器，太阳能提供比较高的基础水温，供给一个单元或者一栋建筑物所需的热水，太阳能不能满足需求时启动室内设备，热水按照冷水进行计量，将系统运行维护费用计入物业费里面。

系统特点是太阳能集热器根据需要集中设置，同样可以放置在建筑屋面、墙面等可充分接受阳光的位置。楼顶放置一个集热水箱，而每户室内再设置一个小储水箱或者燃气壁挂炉。太阳能提供比较高的基础水温，各户有独立使用的储水箱（或者燃气挂壁炉），并设有水表，各户使用的热水都是各户内的储水箱（或者燃气挂壁炉）辅热后生成。优点：物业管理和计量方便，室内系统独立，太阳能提供比较高的基础水温，从而达到节能的效果，维护方便，系统可以起到最大化的互补。优点：因天气变化进入各户储水箱（或者燃气挂壁炉）的基础水温变化较大，对后续的辅热设备提出了较高的要求。

4 分户集热分户辅热（阳台型）

此系统是将集热器安装在建筑南立面、阳台等位置，适合高层、小高层建筑中安装，集热器采光时间不少于4h。水箱主要安装在阳台位置，减少热损失。集热器要有防止真空管掉落的措施。系统承压运行或常压运行、增压供水，每户为独立系统，系统简单，和建筑完美结合。此系统的优点为每户独立系统，弥补了目前很多住宅建筑入住率低的缺陷。缺点：因集热器安装在建筑的南立面，每户独立系统，建筑的高度、位置以及每户所处的位置不同等等都将决定该系统的运行。

根据该系统的循环方式，分为阳台强制循环系统和阳台自然循环两种。

1）阳台强制循环系统

集热器、换热器和循环管路中的太阳能站构成了温差循环管路。温差循环功能通过控制器的温差设定完成，当集热器与储水箱的温差大于太阳能的启动温度时，太阳能启动，使管路中的传热介质流动，通过换热器将热量传递给水箱内的水；反之同理。电加热构成辅助热源部分，用于太阳能不足或对水温要求较高时的热量补充。

2）阳台自然循环系统

整个系统由集热器、水箱、介质循环管路构成温差循环管路。阳光照射到真空管上，光能被真空管内管外壁上的选择性吸收涂层吸收，并转化为热能，加热集热器内的介质，集热器内的介质温度升高后，密度变小，与水箱夹套的介质形成对流，热的介质自然往上循环，冷的介质从水箱的夹套回流到集热器，集热器再将回流的介质加热，如此往复，水箱内的水被加热，水温上升。整个循环过程靠介质对流完成，不需要循环泵强制运行。

考虑到阴雨天及冬季太阳能不能提供满足设计需求的热量，因此，相对其它热水系统，太阳能热水系统的特别之处就在于其辅助加热必不可少。常用辅热方式有：电、蒸汽、燃油燃气锅炉、空气源或水源热泵加热等。按照辅热的集中与否分为集中辅热和分户辅热。

集中辅热的优点：集热、储热及辅助加热均集中设置，可达到资源共享，总能耗低。缺点：系统集中运行，一旦出现故障，所有用户热水将不能得到保证；管道及系统控制相对复杂，需专门人员维护管理；需要消耗公共能源进行辅助加热，故需要分户计量并收取生活热水费用，给物业管理增加难度；入住率对热水运行成本有较大影响；初投资较高。分户辅热的优点：太阳能集热器集中设置，可达到资源共享；阴雨天太阳能不足时，由住户根据需求自主选择是否辅助加热，使用时互不干扰；初投资较低；减少了集中辅热带来的费用分摊和管理上的矛盾。缺点：用水不如集中辅热方便、舒适；安全度不如集中辅热系统。

随着太阳能热水系统的大力开发，选择何种辅助热源以及如何将辅热方式和太阳能热水系统更好地结合将成为新的研究方向。同时，随着人们对生活质量要求的进一步提高，如何将太阳能热水系统与住宅建筑密切结合，寻求外形美观、布局合理的太阳能热水系统与建筑一体化的住宅设计将成为当代太阳能利用的主要潮流。