太阳能热水系统在杭州某住宅小区中的应用

邱玉琴 吕宝莹

[摘要]本文阐述了太阳能热水系统的分类及适用范围，并以杭州市某住宅小区为工程实例，介绍了集中集热分散供热水系统的系统工作原理、控制方法及设计计算过程。

[关键词]太阳能;集热板;热水系统

一、引言

太阳能作为取之不尽用之不竭的清洁能源，如果能对太阳能加以合理的使用，可以为人们的日常生产生活提供很大的便利。太阳能热水系统是以太阳能为热源制备生活热水，并通过管路将热水输送到用水点的系统，具有节能、环保、节约运行费用等优点，越来越得到人们的青睐。我国很多省市对新建建筑设置太阳能热水系统都有相关规定，比如在浙江省，低于12层（含12层）的新建住宅小区需每户设置太阳能热水系统，高于12层的新建住宅小区逆六层住户需设太阳能热水系统。这些相关规定使太阳能热水系统的应用范围越来越广。

二、太阳能热水系统的分类

太阳能热水系统按集热与供热水的关系可分为三类：集中集热集中供热水系统，集中集热分散供热水系统，分散集热分散供热水系统。

1，集中集热集中供热水系统：采用集中的太阳能集热器和集中的储熱水箱供给建筑物所需热水的系统，热水通过热水管网直接供给用户，用户末端装热水计量表计量收费。该系统的优点是集中控制、统一管理，系统集热效率高。缺点是需要解决热水计量收费的问题，同时要解决热水管网的热平衡问题。

2，集中集热分散供热水系统：采用集中的太阳能集热器和分散的储热水箱供给各个用户所需热水的系统。该系统的优点是提供给用户的是热量而不是热水，用户不需要缴纳热水费用，解决了收费问题。缺点是该系统会增加后期物业管理的工作和费用，开发商会有所顾虑。

3，分散集热分散供热水系统：采用分散的太阳能集热器和分散的储热水箱供给给各个用户所需热水的系统。该系统的优点是用户独立控制，不需要物业管理。缺点是如果太阳能集热板都安装在屋顶的话，从屋顶至各用户的热水管数量很多，需要解决热水管安装问题。如果太阳能集热板分散安装在各户的话，楼宇间距较密时，底层用户的日照时间太短，太阳能热水系统使用会受影响。

在高层住宅建筑中，集中集热集中供热水系统由于存在储水水箱过大，高层住宅需分区供水及热水计量收费困难等问题，一般不采用。另外两个系统，可综合考虑高层住宅的实际情况以及业主需求进行选择。

三、工程实例

1，工程概况

本工程为杭州市区内的一个住宅项目，总用地面积46069平方米，总建筑面积为151629平方米，主要由14栋17层住宅以及一个大地下室组成，每栋住宅一层四户，总共952户。根据业主需求，每栋住宅逆8层，共448户需设置太阳能热水系统。

2，系统选择

经过方案论证和辩选，该项目选用集中集热分散供热水系统。太阳能集热器集中安装在屋面上，集热器收集太阳能储存在屋顶的太阳能储热缓冲水箱中，通过太阳能循环水泵将热量输送至每户人家的热水箱中，通过水箱内的铜盘管对热水箱中的水进行加热。

3，系统工作原理

太阳能储热缓冲水箱的设置：每个单元出屋面的楼梯间内设置一个独立的缓冲水箱，水箱体积200L，通过高区生活水管对缓冲水箱进行补水，以补充循环过程中的水量损失。

分户水箱的设置：根据住宅用水量的要求，每户设计储热水箱，水箱通过内置换热盘管接收太阳能热量来加热水，每台水箱设置燃气加热，在没有太阳能的情况下，可以采用燃气辅助加热。

控制器的配置：整个系统的控制分为总控制器和分户控制器，其中总控制器安装在屋顶楼梯间休息平台，分户控制器安装在每户的热水箱附近。

系统控制原理：

（1）循环泵控制原理：每日太阳辐射达到一定强度时，集热器出水温度T1开始上升，当集热器出水温度T1与集热器进水温度T2的温差达到8℃时，循环水泵启动，将集热器内的高温水储存至缓冲水箱，当温差降至4℃时，循环水泵关闭。

（2）电动阀控制原理：当缓冲水箱温度达到60℃时，电动阀关闭，此状态下若循环泵启动，则进行整个环路循环，即太阳能集热板收集的热量通过热媒管输送到各用户内的储热水箱中。当缓冲水箱温度降至50℃时，电动阀打开，此状态下仅进行集热循环，即集热板收集的热量仅输送至设置在屋顶的缓冲水箱中。通过电动阀的启闭，可有效减少管道的热损失。

（3）防热倒流控制：在换热循环进户管段安装电磁阀，当热媒循环管道的温度高于用户内储热水箱温度4℃时，电磁阀打开进行换热;当温差小于等于0℃时，电磁阀关闭，从而防止储热水箱内的热量倒流至热媒管中。

（4）辅助热源：用户内的储热水箱上安装燃气加热装置，在阴雨天气没有太阳时，启动燃气加热装置加热水。

（5）系统保温：热水管采用聚氨酯保温管，这种水管由无缝钢管层、聚氨酯保温层和高密度聚乙烯保护层3层组成，热损耗仅为传统管材的25%。

（6）系统防冻：采用落水排空的方法防冻，即当水泵停止的同时，集热器和循环管路的水由于重力作用，全部落回到供水箱内。

集中集热分散供热水系统的原理图参见图1.

图1   集中集热分散供热水系统原理图

4，太阳能设计计算

（1）设计参数

年日照时数：杭州市年日照时数1800～2100小时，设计取1950小时

年平均温度：杭州市年平均温度15.3℃～17℃，设计取16℃

太阳辐射角：杭州市太阳辐射角30度，太阳能集热板安装角度为30度

年平均日太阳辐射量：杭州市年平均日太阳辐射量1.19×104kJ/m2～1.23×104kJ/m2，设计取1.21×104kJ/m2

集热器规格：2m×1m

（2）集热器总面积计算

以其中一栋住宅为例，每层4户，8层共32户设置太阳能，按每户3人计算，用水人数约96人。

m：用水计量单位数（人数或床位数），m=96;

qr ：热水用水定额，L/（人？d），根据GB50015-2003《建筑给水排水设计规范》 （2009年版）表5.1.1，取下限，即qr=60;

c：水的比热，取c=4.187 kJ/（kg. ℃）

tr：热水温度，tr=60℃ ;

tl：冷水温度，根据GB50015-2003《建筑给水排水设计规范》（2009年版）表5.1.4，取tl=5℃ ;

ρr：热水密度，1 kg/L;

f：太阳能保证率，一般在50%～60%之间，设计取f=0.5

Jt：集热器采光面上年平均日辐射量，Jt=1.21×104kJ/m2

ηj：集热器年平均集热效率，按集热器产品实测数据确定，经验值为45%～50%，设计取下限，即ηj=0.45

ηl：储水箱和管路的热损失率，根据经验值取20%～25%，设计取ηl=0.20

计算得Ajz=137m2，集热器规格为2m2一块，共需69块集热器，集热器总面积为138m2。

四，结语

随着社会对节能要求的不断提高，太阳能热水系统作为节约能源的一种有效措施，应用范围也越来越广，已成为整个居住建筑设计的重要组成部分。在太阳能热水系统的设计过程中，系统选择、产品选用应符合建筑功能和建筑设计要求，要让太阳能集热器作为建筑的组成元素，与建筑有效结合，和谐共存，做到造型美观、经济适用，真正服务于居民生活。