集中式太阳能热水系统在宁波地区高层住宅中的设计应用探讨

文/ 陈 谊 宁波市建筑设计研究院有限公司 浙江宁波 315012

叶 探 浙江华展工程研究设计院有限公司 浙江宁波 315012

鞠兴沂 浙江省城乡规划设计研究院 浙江杭州 310030

集中式太阳能热水系统在宁波地区高层住宅中的设计应用探讨

文/ 陈 谊 宁波市建筑设计研究院有限公司 浙江宁波 315012

叶 探 浙江华展工程研究设计院有限公司 浙江宁波 315012

鞠兴沂 浙江省城乡规划设计研究院 浙江杭州 310030

本文就宁波地区普遍设计使用的集中集热﹑分户储热﹑加热的半集中式太阳能热水系统进行分析研究，并以江北区某高层住宅小区项目为例，对该太阳能热水系统的基本组成﹑系统设计﹑工作原理及运行性能进行了分析阐述,并从运行管理﹑安全性问题﹑设计使用年限问题﹑施工问题等方面对该系统应用的情况进行经验总结，从而对该系统在高层住宅建筑的应用提供一些微薄的建议。

集中集热﹑分户储热﹑加热的半集中式太阳能热水系统 高层住宅 集热器 储热水箱

1、前言

太阳能做为一种清洁免费的能源，在目前环境破坏日益严重和能源危机的今天，其在住宅建筑中的利用可谓意义深远，而太阳能热水系统是太阳能资源利用的最有效﹑最简便的方式，因此太阳能热水系统在住宅建筑中的应用，具有不可替代的地位。

近年来，国家颁布了可再生能源法，建设部也先后出台了建筑节能管理条例，国内大批省份也推出各种鼓励或强制要求住宅建筑安装太阳能的政策规定。

宁波市做为沿海经济发达城市，于2010年也推出《宁波市民用建筑节能管理办法》和《宁波市民用建筑太阳能热水系统与建筑一体化设计﹑安装及验收实施细则》 ，规定新建有生活热水系统的公共建筑﹑12层以下的居住建筑以及12层以上居住建筑的逆6层，应当将太阳能利用与建筑进行一体化设计。并规定新建建筑太阳能热水系统应纳入建筑工程设计，统一规划﹑同步设计﹑同步施工﹑同步验收，与建筑工程同时投入使用。高层住宅目前在城市新建住宅中占很大比例，因此研究适合该地区高层住宅建筑的太阳能热水系统是极为必要和亟待解决的问题。

2、太阳能热水系统形式

2.1 集中集热﹑分户储热﹑加热的半集中式太阳能热水系统

该系统采用集中集热﹑分户储热﹑加热的半集中式太阳能热水系统（以下该系统简称为“集中式太阳能热水系统”）。在住宅的每个单元设置一套系统，集热器﹑中间换热水箱和循环泵设置于屋面，每户户内设置储热水箱，间接加热，通过储热水箱的换热器为用户制备热水，采用电加热或燃气辅助加热。该系统的优点：(1)强制性循环，热水制取效果较好；(2)太阳能热媒系统与户内热水系统完全独立，户内热水管道不存在冬季冻裂和结垢问题；(3)储热水箱为承压水箱，户内冷热水压力平衡；(4)不存在水费公摊问题。该系统缺点：(1)如系统出问题，该单元所有用户的热水系统都会受到影响；(2)对系统整体运行和管理要求较高。

2.2 紧凑整体式太阳能热水系统

该系统的太阳能集热器和热水箱为一个整体，放置于住宅屋顶，冷水通过自来水的压力注入热水箱，通过温差异重的热虹吸进行自然循环，热水通过管道引入户内使用。该系统优点：(1)每户相互独立，互不干扰，管理方便；(2)初期投资较省。该系统缺点。(1)户内冷热水压力很难平衡；(2)需每户设置一套循环泵，否则热水供管距离会过长；(3)管道数量较多，屋面和管道井布置管道困难；(4)集热器资源不能共享。

2.3 阳台壁挂式太阳能热水系统

该系统的集热器和水箱相互分离，集热器安装在阳台外立面上，利用水箱和集热器的高度差进行自然循环，靠自来水压力顶出热水。该系统优点：(1)分户管理，互不干扰；(2)户内冷热水压力平衡。该系统缺点：(1)存在遮光问题；(2)建筑立面受影响；(3)集热器挂在阳台外立面上存在安全隐患。另外太阳能应用技术规程对日照的要求是保证大寒日连续日照4h，而住宅建筑规范对日照的要求是保证大寒日连续日照2h，这就导致了高层建筑的低层用户日照时间会不足，再加上有可能存在的树木及建筑自身遮挡，热效率不高的问题会更加严重。因此阳台壁挂式太阳能热水系统不适合高层住宅建筑。

上述3种系统是住宅中最普遍使用的太阳能热水系统，从系统的整体性能﹑热效率﹑使用舒适性﹑运行管理的方便性及投资的经济性等进行考虑。这三种太阳能热水系统各有优缺点，从整体性能﹑热效率和使用舒适性方面排序，集中式太阳能热水系统最优。从运行管理和投资方面排序，紧凑整体式太阳能热水系统最优。

综合考虑，集中式太阳能热水系统整体性能好，运行稳定，热效率较高，集中管理方便，使用舒适性较好，不存在计量收费问题，因此该系统较适合该地区的高层住宅。

3、集中式太阳能热水系统的应用

3.1 项目概况

宁波地区位于东经120°55'～122°16'，北纬28°51'～30°33'，年均日辐射量约为13.12MJ/m2·d,年太阳能辐射量约为4.50×106KJ/m2·a。

江北区某高层住宅小区项目位于江北区湾头区域，地上共有5栋高层建筑，楼层为15层到18层不等。每栋楼的逆六层设置集中式太阳能热水系统，共156户。

3.2 系统设计

本工程太阳能热水系统采用集中集热﹑分户储热﹑加热的半集中式系统。每个单元设置一套系统。每户户内设置储热水箱，间接加热，通过水箱的换热器为用户制备热水，采用电辅助加热。每套系统分别由太阳能集热板﹑中间水箱﹑集热循环泵﹑换热循环泵﹑户内储热水箱﹑管路阀门和控制系统等组成。

3.2.1 太阳能集热器

本工程选用全玻璃真空管集热器，该种集热器透光性好，热稳定性高，热膨胀系数低，耐热冲击温差大，热损小，集热效率高，而且造价不高。缺点是设计不当或安装不良会出现爆管现象。

宁波地区集热器安装方位应朝向正南或正南偏西。安装倾角根据热水的使用季节和地理纬度确定，本工程集热器安装角度定为30°。

集热器的位置布置方式是太阳能热水系统与建筑结合的关键，一般有3种布置方式。布置方式1：集热器平铺于屋顶，这种布置方式适合高层住宅屋顶的机房面积相对较小，且屋顶无其他遮挡物。布置方式2：集热器架空于屋顶，架空形式可为倾斜角度或者水平形式架空，此种布置方式适合屋顶设备较多或者屋面女儿墙或架构结构遮挡较为严重时。布置方式3：集热器设置于坡屋顶，坡屋顶由于可设置集热器的部分面积较小，一般直接将集热器铺设与坡屋面。

本工程的屋面均为平屋面，屋面基本无遮挡，采光情况较好，因此集热器直接布置于屋面。

集热器通过串联方式连接成集热器组，并采用强制循环方式循环加热。

集热器面积根据用户每日的用水量和热水温度要求以及当地太阳能辐照量等参数计算。计算公式如下：

式中，Ac—直接加热系统太阳能集热器总面积，m2；

Qw—日均热水用水量，L（可按最高日用水量的下限取值）；

Cw—水的定压比热容，4.187kJ/kg·℃；

tend—储热水箱内水的终止温度，℃；

ti—储热水箱内水的初始温度，℃；

f—太阳能保证率，无量纲（0.4～0.8）；

ρ—水的密度,1.0kg/L；

JT—集热器采光面上月均日辐射量（KJ/ m2·d）。

ηcd—集热器全日集热效率，无量纲（0.46～0.55）；

Ain—间接加热系统太阳能集热器总面积，m2；

Fhx—间接加热系统换热器换热因子；

因此，经计算，每户集热器面积取2.50m2。

3.2.2 管路设计

太阳能热水管道的布置比较重要，首先热媒主管道需做到同程布置，管线的设计应尽量短捷顺畅，减少热损。另外热媒立管位置应尽量靠近储热水箱，这样储热水箱热媒支管不会形成短路，换热效果会较好。如储热水箱设置于设备平台，太阳能热媒立管也应尽量就近设置于设备平台。

由于太阳能热水管道温度很高，特别是夏天太阳暴晒情况下，热水可能接近沸点，所以对太阳能热水管道材料和配件的质量要求较高，目前热水管普遍采用的主要有不锈钢管和不锈钢复合管两种。不锈钢管质量可靠，但造价高，一般应采用焊接连接，不宜采用橡胶圈卡压连接。不锈钢复合管价格稍便宜，但使用年限一长，质量难以保证。

另外太阳能热水系统的管道设计应有可靠的防冻﹑防超温﹑超压措施。具体如下：

过热保护：(1)当中间水箱温度≥80℃时，换热循环泵停止运行，且集热循环泵也停止运行；且优先级要低于换热系统，高于集热系统。(2)当集热器热水温度≥90℃时，集热循环泵运行10分钟，停20分钟，防止集热器爆管。

防冻控制：当中间水箱温度≤5℃时，集热循环泵开启，将中间水箱内温水打进集热器；中间水箱温度≥10℃时，循环泵关闭，以防止循环管路冻结。此控制仅限冬季使用，且优先级要低于集热系统控制。

3.2.3 户内储热水箱

根据规范要求，集中式太阳能热水系统户内储热水箱容积可按下面公式计算确定。

Vrx—储热水箱有效容积（L）；

Aj—每户集热器面积（m2）；

qrjd—集热器单位采光面积平均每日产热水量[L/m2·d]；根据集热器产品的实测结果确定；间接供水系统qrjd一般取30～70 L/m2·d；

本工程，户内储热水箱容积取120L。储热水箱采用立式储热水箱，设置于设备平台。

工程中有时根据项目情况，储热水箱需要设置于卫生间内，采用挂式安装，这时设计要注意挂式水箱的容积，一般最大只有100L，另外，储热水箱位置应避开卫生间排水管位置，避免卫生间层高不足的问题。

3.2.4 户内储热水箱辅助热源

户内储热水箱辅助热源一般可采用电加热或燃气等辅助热源，电加热比较方便，直接在储热水箱内胆内内置电加热，投资较省。燃气辅助一般是储热水箱出水直接进燃气热水器加热，再产出热水，运行费用比电加热省，但初期投资较大，需再配一台燃气热水器，因此工程中，普遍采用电辅助加热。

最终，本工程每户设计人数取3.5人，每个单元共12户，热水用水量为40L/人·d。计算生活热水温度：60℃，计算冷水温度15℃。集热器设置于屋面上，集热器为非承压，每户集热面积2.50m2，每单元集热器面积30m2。分户储热水箱设置于户内设备平台，容积120L/户。屋顶设置中间水箱，容积为1000L。

3.3 工作原理

屋面中间水箱的水通过集热器加热后，中间水箱热媒水通过管道循环加热户内储热水箱。

集热循环：太阳能热水系统集热循环泵与温度传感器T1（集热器热水温度）﹑T2（中间水箱热水温度）连锁，当T1-T2≥10°C（可调）时启泵；当T1-T2≤2°C（可调）时停泵。

换热循环：太阳能热水系统换热循环泵与温度传感器T2（中间水箱热水温度）﹑T3(热媒回水管热水温度)连锁，当T2-T3≥10°C（可调）时启泵；当T2-T3≤2°C（可调）时停泵，电磁阀由各户控制器控制。

储热水箱换热：当T6（热媒主管热水温度）-T5（储热水箱热水温度）≥10°C（可调）时，分户电磁阀开启；当T6-T5≤5°C（可调）时，分户电磁阀关闭。储热水箱辅助加热功率为3.0KW，当T5≤35°时启动（可调），加热至55°C时关闭。启动时间根据住户要求可分别设置。

3.4 运行情况

本工程太阳能热水系统由专业厂家负责安装施工，于2015年10月底施工基本完成，然后开始调试，对每栋楼的太阳能热水系统进行调试﹑测验，对出现的问题进行整改完善，最终于2015年底验收竣工。经调试，该系统总体运行正常，系统基本合理，设备布置整齐有序，户内热水温度和水量能满足用户需要。

4、问题分析

目前集中集热﹑分户储热﹑加热的半集中式太阳能热水系统在宁波地区高层住宅的应用已经比较普遍，经过几年的应用和摸索，还是存在着很多问题。

4.1 相关政策问题

虽然目前宁波地区对高层居住建筑的节能要求非常严格，但对于12层以上的高层建筑只要求逆六层必须设置太阳能热水系统，对于其余楼层未做强制要求，高层住宅除逆六层以外的用户无法享受太阳能热水系统。另外太阳能热水器产品的技术要求和试验方法己有国家标准和行业标准，但缺乏与建筑相关的通用设计图集和应用技术标准与规范，缺少相关对口的政府管理部门的监督管理。尤其在目前高层住宅快速建设阶段，这方面有待跟上。

4.2 运行管理问题

高层住宅的太阳能热水系统应方便物业管理，避免业主与物业管理之间由此产生纠纷。对于高层住宅，集中太阳能热水系统，这种方案也会带来业主与物业管理之间的纠纷。由于目前物业管理水平参差不齐，物业能否很好的完成太阳能热水系统的运行管理是个重要问题。集中式太阳能热水系统刚投入使用可能系统还比较稳定，但使用年限长了后，可能会出现设备老化，系统故障等问题，该系统的日常维护管理尤为重要。因此，高层住宅太阳能热水系统，需制定一套合理完善的运行管理方案。

4.3 安全性要求

太阳能集热器安装时，本身重量和支架重量给建筑带来额外荷载，管线安装﹑基础埋设也会破坏原有的建筑结构﹑防水保温构造。因此安装集热器时应注意以下几点：（1）设计时应计算集热器支架和连接件的额外荷载。（2）应设计适配的预埋件及布置位置，宜考虑与建筑结构的结合，如梁﹑柱﹑板能否成否集热器的风荷载和雪荷载。施工时做好保温﹑防水﹑排水等措施。（3）管线需穿过屋面或墙面时，应预埋相应的刚性防水套管，不影响建筑原有的防水保温构造。

4.4 设计使用年限问题

在正常维护下，太阳集热器从目前的状况看大约有15年左右的使用寿命，而建筑的寿命一般都在50年以上，太阳热水系统存在更换问题。因此，其中连接件的材料及构造宜同建筑结构的使用年限。太阳热水系统与建筑结合不能只关注一时的美观，如果不注意寿命矛盾，那就会在将来的更替中给建筑带来新的疤痕。

4.5 施工问题

目前太阳能热水系统大多数由太阳能厂家或代理商负责施工安装，由于各太阳能厂家或代理商施工水平参差不齐，施工质量往往难以保证。另外由于太阳能厂家﹑开发商﹑设计院和施工单位之间的关注点和利益点不同，使得目前已经建成的高层住宅太阳能热水系统依然存在设计或施工安装方面的不足。

总结：

本文针对目前宁波市集中集热﹑分户储热﹑加热的半集中式太阳能热水系统在高层住宅的应用进行了探讨﹑分析。希望能为今后高层住宅建筑太阳能热水系统的设计应用提供建议，为扩大太阳能热水系统的使用范围，倡导发展绿色住宅建筑起到一定的帮助作用。

[1] 万水. 高层住宅太阳能热水系统类型选用探讨[J]. 给水 排水, 2009, Vol. 35 No. 12.

[2] 王 悦，黄中伟.太阳能热水系统与高层住宅一体化结合的运行方式[J]. 应用能源技术, 2012年第4期(总第172期).

[3] 钱斌.太阳能热水系统在建筑工程中的应用与探讨[J]. 建筑节能, 2010年第1期（总第38卷 第227期）.

[4] 建筑给水排水设计规范（GB50015-2003(2009年版)）. 中国计划出版社, 2010.

[5]民用建筑太阳能热水系统应用技术规范(GB50364-2005) .中国建筑工业出版社.2006.

[6] 建筑给水排水设计手册-第二版（上册）.中国建筑工业出版社, 2008.

结语：

随着我国经济的飞速发展，社会不断进步，历史文化随着人类的发展已经很少能够留存至今。杭州奎元馆是一个百年老店，其历史文化底蕴极其深厚，但是其建筑结构老旧，有些地方已经出现损坏，这就需要对其进行良好的整改工程。在进行实际地块设计的时候，应确保其历史文化的保存，并能够体现杭州本土特点和文化，还需结合我国现代传统文化对其进行设计，满足人们对建筑设计的需求和使用功能，良好的对杭州奎元馆进行地块设计，促进杭州的经济和社会的发展进步。

参考文献：

[1]郭佳，田军.内陆城市滨水空间研究——论成都府南河工程与建设[J]．时代建筑，2013，(03)：236-237.

[2]吴雅萍，高峻．城市中心区滨水空间形态设计模式探讨[J]．规划设计，2012，(12):198-200.

Centralized collector, household heat storage, heated semi-centralized solar water heating system application of high-rise residential building in Ningbo area design application

Chen Yi Ningbo architectural design and research institute co.Ltd, Ningbo 315012, China
Ye Tan Zhejiang Huazhan institute engineering research & design, Ningbo 315012, China

In this paper, the commonly used design of ningbo area of centralized collector, household heat storage, heated semi-centralized solar water heating system are studied, and a high-rise residential building in jiangbei project as an example, the basic composition of the solar hot water system, the design requirements, working principle and operation performance are analyzed, and the operation management, security problem, design life issues, construction problems after the application of the system are analyzed in experience, thus to provide some suggestions to the system application in high-rise residential building.

Centralized collector, household heat storage, heated semicentralized solar water heating system；High-rise residential；Collector；Hot water tank

；

陈晔（1968—），男，浙江杭州人，国家一级注册建筑师﹑高级建筑师，项目公司设计总监﹑开发部经理等职，杭州勘察设计评标专家，浙江省和杭州市土木建筑学会建筑创作会员。