建筑太阳能热水系统选用

姚月姣

建筑太阳能热水系统选用

姚月姣

姚月姣

天津华厦建筑设计有限公司

以热水的供水范围划分，将建筑太阳能热水系统分为三类，分别介绍每种类型太阳能热水系统的适用范围、设备组成、集热器与储热水箱的布置等内容。系统选型时应考虑的因素，包括建筑的使用功能、热水用水量、可布置太阳能集热器的场所、设备房的位置和采光面积大小等。

前言

太阳能作为主要的清洁和可再生能源正在被日益广泛地应用，我国的太阳能热水技术正在不断地发展成熟，可供选择的太阳能热水系统类型呈多样化发展趋势。按照热水的供水范围划分，太阳能热水系统可分为三种类型：（1）集中供热水系统；（2）集中-分散供热水系统；（3）分散供热水系统。这三种类型既可以单独应用，也可以组合应用。下面结合不同的建筑类型和热水使用要求，在太阳能热水系统选型、设备组成与布置，以及与建筑一体化的结合等方面，逐一介绍。

集中供热水系统

酒店、宿舍、医院、游泳馆、公共浴室、工业企业生活间等热水用量大，用水时间相对集中的建筑，推荐采用集中供热水系统。集热器通常布置在屋面上，这样能够最大限度地减少其他建筑物的遮挡，不受朝向影响，保证集热器的光照时间。不同的屋面形式，集热器的布置和固定方式也不同。集热器在平屋面上，通过支架与屋面固定，倾角等于当地纬度±10度。这种布置对建筑立面无影响，系统管线易于隐蔽，而且平屋面便于日常的维护和检修。坡屋面上，集热器可以紧贴屋顶结构安装，减少风力的不利影响，同时还可以代替保温隔热层，减少屋顶夏天的热负荷。在屋面采光面积不足的情况下，集热器可以与屋面的某些建筑元素结合，达到增加采光面积的目的，例如将集热器设置在屋面的构架或飘板上。

在屋面采光面积不足的情况下，除了想办法增加可设置集热器的空间外，还可以调整集热器的类型。近年来抛物面槽式太阳能集热器在太阳能生活热水系统中的应用日趋成熟。它是聚焦型集热器，属于中高温集热器的一种，区别于目前常用的平板型和真空管型非聚焦性集热器，它能够获得较高的集热温度，在国外已经成功应用于太阳能热发电、空调制冷、采暖和海水淡化等领域。在国内也有多个太阳能设备生产厂家能够提供基于这类集热器的太阳能热水系统解决方案。槽式太阳能集热器，由抛物面反射镜、太阳能接收器和支架3部分组成。它的抛物面结构使反射镜上的太阳光聚集到真空管上，加热真空管内的导热油，最高可加热到300℃。抛物面结构和聚焦原理可以极大地减小集热器的占地面积，在热水用量相同的情况下，占地面积约为平板型和真空管型集热器的1/2。这种类型的集热器有逐日系统，反射镜可以跟踪太阳的方位进行旋转，因此只能安装在平屋面上，无法安装在坡屋面上。当水温过高时，反射镜可自动偏转，不再聚光，防止系统过热。

在集中式的太阳能热水系统设计中，还应考虑换热设备、储热水箱（水罐）、辅助加热设备、循环水泵、自控系统等设备的布置。在平屋面上，空间充足的条件下，推荐设置一处水箱间，将上述设备集中安置在水箱间内，这样有利于日常的维护和管理，而且不占用室内空间。相反，如果平屋面上的空间有限或者是坡屋面，则需要找一处设备间，通常设置在顶层，缩短集热器与换热设备之间的管道长度。储热水箱（水罐）的容积、循环水泵的压力和流量、辅助加热设备等参数，则需要根据设计计算结果确定，此处不再详述。

对于热水用量较少的低层居住建筑，尤其是别墅，日用水量在200L至500L之间，推荐采用分体式的太阳能热水器，而非在屋面安装多个容量200L以下的一体式太阳能热水器。分体式的热水器，集热器既可以设置在建筑屋面，也可以代替护栏或空调百叶，或作为建筑元素以模块化形式自由组合，提升建筑的美感。储热水箱的安装位置也不受限制，可以放置在阳台、卫生间或地下室，不增加屋面的结构荷载。相对于屋面安装的一体式太阳能热水器，水箱设置在室内，热损耗也相对变小。水箱的容积可以根据热水的用量定制，实现多卫多厨多点供水，满足用户的多种家庭用水需求。

对于多层和高层的住宅而言，集中式的太阳能热水系统就不占优势了，不仅存在配水管道长，热损耗大的问题，还经常由于热水的计量收费问题引起业主与物业管理之间的纠纷。这种情况下，推荐采用集中-分散供热水系统和分散供热水系统，或者二者组合应用。

集中-分散供热水系统

对于多层或者小高层住宅，需要视工程的具体情况而定，屋面面积满足集热器采光面积的情况下，可以考虑将太阳能集热器布置在屋面，最大限度地获得太阳能资源。在每个住户内，安装一个具有换热功能和辅助加热功能的承压储热水箱，太阳能集热器与储热水箱内的换热器通过管路相连，形成一个循环回路，通过换热的方式将每户储热水箱中的水加热。这种系统类型即为集中-分散供热水系统。住户使用自家的水和电，不需要物业另行收取太阳能水费和电费，规避了业主和物业管理之间的纠纷，缺点是该系统的初期投资会比较高，住宅内每户需要配置储热水箱及辅助加热设备，占用户内空间。

分散供热水系统

集中供热水系统和集中-分散供热水系统，因集热器均集中设置在屋面，故要求屋面的采光面积必须足够大。但是，随着住宅楼层的增加，高层，特别是小户型高层住宅，屋面的采光面积有限，无法满足全部用户的热水需求。这种情况下可以采用分散式的太阳能热水系统，设计中通常采用壁挂式的太阳能热水器。集热器一般设置在南向阳台栏板上或者窗间墙上，每个住户内设置一个储热水罐，水罐内置电辅助加热装置。太阳能集热系统采用自然循环非承压运行，集热器吸收太阳光，使里面的热媒介质温度升高，热媒通过换热装置与储热水罐中的水进行热交换，从而加热水罐中的水。储热水罐一般安装在比集热器位置高的阳台内或卫生间内，容量根据用水量确定，多为80L和100L。

壁挂式的太阳能热水器的储热水罐，需要占用一定的户内空间。在某些小户型高层住宅，阳台的面积很小或者没有阳台，不适宜设置储热水罐，这种情况下可以采用一种将集热器和储热水罐整合为一体的太阳能热水器，简称为闷晒型一体式太阳能热水器。它是从传统的闷晒加热原理演变而来，通过适当增加真空集热管的管径，在真空集热管内设置不锈钢内胆，储存热水。通过连接底座，将各个模块化的不锈钢内胆固定，并依此串联成一个整体，实现水的储存功能。真空集热管既具有集热功能，也具有真空保温功能。在太阳光的照射下，真空集热管内的吸收涂层将太阳能转化为热能，直接加热不锈钢内胆中的水，具有直接加热、热效率高的特点。在阴雨天气，通过不锈钢内胆内的电辅助加热装置，保证用户的热水需求。为住宅用户配置的太阳能热水器的储水容积多为80L至110L，还可以根据用户的需求，通过调整串联接入的集热管的数量和高度来增加储水量，根据设备生产厂家提供数据，真空集热管的高度最高可达2.5m。设计中需要注意的是，不锈钢内胆中的热水仅依靠真空集热管的真空保温，在华北地区已经有很好的应用，但在寒冷地区应用时，如东北地区，要同设备生产厂家进行确认或参考当地的应用案例。

上述两种类型可以不受住宅楼层数量的限制，各住户独立使用热水，独立计量，互不干扰。集热器设置在建筑外墙上，具有管线较短，安装、检修方便等优点。缺点是系统整体造价较高，而且由于集热器设置在建筑外墙上，在安装角度和建筑物遮挡方面，都会影响集热器的集热效率。往往高层住宅的南向外墙面非常有限，设置在外墙面的集热器要处理好与阳台、窗、空调机位等住宅立面元素的关系，集热器可以固定在阳台栏板、窗间墙、窗下墙、空调室外机百叶等位置。

不同系统的组合应用

高层住宅下部的住户，由于遮挡造成日照时间不足4小时，不适宜采用壁挂式的太阳能热水器。这部分住户可以采用集中-分散式的太阳能热水系统或空气源热泵等其它系统形式。这样一栋高层住宅可以采用两种系统形式，上部楼层采用壁挂式太阳能热水系统，下部日照时间不足4h的楼层采用集中-分散式的太阳能热水系统。这样可以满足全部住户的太阳能热水的需求。各住户的热水能耗计费，可完全通过自来水费和电费来收取，不存在计量收费纠纷问题。

结语

设计过程本身就是一个由建筑师、给排水设计师、太阳能设备供应商、建设单位等多方面人员密切配合的过程。太阳能热水系统的应用与建筑一体化结合还有很大的发展空间，设计人可根据项目的具体情况，选择合适类型的太阳能热水系统，或者采用两种或两种以上的组合式太阳能热水系统，甚至不局限于现有的类型，发展创造出更多的系统形式。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.02.021