北京某住宅太阳能集中集热—分户储热系统设计实例

郑亚娟 李向军

【摘要】本文介绍住宅太阳能集中集热-分户储热热水系统的应用，结合工程实例，简要介绍了住宅太阳能热水系统的集热器选型、布置 、系统设置等，供设计人员参考。

【关键词】太阳能热水；集中集热-分户储热；住宅；燃气热水器

随着经济社会快速发展，能源需求量不断增加，能源已经成为影响各地经济社会发展的主要因素之一，常规能源日趋紧张，而太阳能是最完美的能源替代方案，太阳能是一种洁净的自然再生能源，取之不尽，用之不竭，而且太阳能是所有国家和个人都能够分享的能源，研究太阳能利用与建筑的“一体化设計”已成为当前建筑节能的一个重要课题。

北京市太阳能热水系统城镇建设应用管理办法【2012】3号文件指出，新建建筑的太阳能热水系统应当按照国家和北京市有关标准规范，进行太阳能热水系统与建筑一体化设计，做到建筑物外观协调、整齐有序，并实行与建筑主体同步规划设计、同步施工安装、同步验收交用。城镇公共建筑和7至12层的居住建筑，应设置集中式太阳能集热系统，13层以上的居住建筑，当屋面能够设置太阳能集热器的有效面积大于或等于按太阳能保证率为50%计算的集热器总面积时，应设置集中式太阳能集热系统。

近几年关于太阳能的应用也接触了不少，下面就以工程为实例，就住宅屋面集中集热、分户贮热太阳能热水系统设计及计算做一次专项介绍。

1.工程概况

本工程为北京朝阳区来广营某住宅项目，地下2层，地上7层，分两个单元，共28户，按北京市现行规范要求设置太阳能热水系统，采用集中集热、分户贮热太阳能热水系统，太阳能热水机房设置在地下一层。

2.太阳能热水系统设计

2.1太阳能热水系统形式的比较

目前太阳能热水系统主要系统形式分为：分散系统、集中系统、集中-分散系统。其中分散系统指各户分散集热、贮热、辅助加热的系统；集中系统指集中集热、集中贮热、集中辅助加热的系统；集中-分散系统指集中集热、集中或分散贮热、分散辅热的系统。各系统在《居住建筑节能设计标准》配套图集 PT-891中已有详细的介绍。三类系统相对比集中-分散系统对建筑外形的影响、系统的运行维护、计费管理上都更具优越性，因此越来越广泛地采用于住宅建筑。

2.2集中集热、分户储热系统的设计

本工程住宅太阳能采用集中集热-分户储热太阳能热水系统，太阳集热板集中设于屋顶，集热系统采用强制循环，间接加热方式加热。一般太阳能机房都设置在屋顶，本工程由于地上面积有限，楼梯间限高原因，应甲方要求，太阳能机房设置在地下一层，集热热水短时间存储在地下一层设备间的缓冲水箱内，达到设定温度后通过水泵和室内管路循环换热，把热量分户储存到每家每户的换热水箱内，每家设置一台卧式换热水箱（内置换热盘管），户内换热水箱的出水管连接到燃气热水器进水管，使用燃气热水器作为辅助热源。按照设定，系统只要有足够热量就将热量储存到各家各户的水箱中，当太阳能资源不足或阴雨天气时，换热水箱中的水温不足，低温水在通过燃气热水器时自动被加热至设定温度，以保证舒适的热水使用，该系统由太阳能集热器、换热水箱、落水水箱、热水供回水管道、循环泵组和必要的控制设备等组成，集中集热系统采用温差循环模式控制，控制仪表采用温差循环和定温循环双重模式控制，控制仪表采用PLC太阳能热水系统智能编程控制器。

各住户使用自家水箱里的热水和辅助能源，不存在收费问题；不受楼层高低限制，并可以实现太阳能热能资源共享；运行过程中，用户无须支付太阳能产生的热量的费用，只需支付少量热媒循环所需的费用；集热器集中放置在屋面位置，采光好，建筑平面布局相对灵活，各户贮水箱放置在各户室内的厨房，靠近楼梯间管井，户内水箱承压运行并结合燃气热水器辅助加热，热水与冷水同源同压供水，易于平衡；只有一个系统，运行可靠，上楼维修率低，楼面太阳能可由物业负责维护管理，能够更有效地保证系统长期运行稳定，可以根据楼面建筑情况灵活布局，最容易实现与建筑物相协调，屋顶集热热水管道。

系统为方便使用和安全可靠，采用承压型储热水箱，并由户内燃气热水器辅助加热。因此水箱+燃气热水成本高，从而造成系统成本较高，辅能源单一，另一方面，燃气热水器做为辅助热源更多的适用于中低端住宅楼，燃气热水器水温升25℃时，热水器每分钟产热水量12L/min左右，不适合卫生间较多，用水量大的高级住宅。

3.工程相关计算及设备选型

3.1当地气象、地理条件

北京地理位置：东经116°20′、北纬39°56′之间。

当地年太阳能辐照量：水平面5178.754MJ/m2，当地纬度倾角表面5844.4MJ/m2。根据民用建筑太阳能热水系统工程手册可得知北京地区同纬度太阳能月平均日辐照量为表1所示。

3.2集热器总面积计算（表中规范均指《建筑给水排水设计规范》GB50015-2003（2009年版），见表2）

由于系统有换热，为间接系统，所以集热器面积需要按下表进行修正（见表3）。

3.3集热器确定

本工程最终选用热管型集热器，通过计算间接系统采用集热器规格C4-SD8×16L，4.33m2/组，每组集热器16支Ф100mm×2000mm热管真空管组成，本楼28户需要安装17组73.61m2，满足表3计算要求。

太阳能集热器与建筑同方位，吸热翅片朝向正南，保障周边无附属建筑物的遮挡，为了最大限度的吸收太阳能辐射，根据当地纬度与项目的实际情况，集热器外观安装角度为0度，即水平安装，真空管内的吸热翅片调整为40度，保证吸热效率不受影响。

3.4循环流量及集热循环水泵选择

集热循环流量按照集热面积流量确定，每平米集热器面积按0.012L计算，水泵流量70L/min；集热系统采用同程连接，集热器水泵扬程，考虑集热器顶与贮热水箱最低水位之间的几何高差（本工程太阳能热水机房设于地下一层）、沿程及局部阻力损失、计算得0.35MPa（计算过程略）；机房内设置缓冲水箱。

3.5燃气热水器及储热水箱的选取

辅助热源采用家用燃气热水器，电能直接作为辅助热源已不符合节能标准规定，故分散辅助加热优先选用燃气热水器，选取的燃气热水器带有保证使用安全的装置。而目前家太燃气热水器每分钟的产水量约12L左右，不适用于户内设有浴盆的用水量大的系统。每户厨房设一台100升换热水箱，换热水箱需要的真空热管集热器面積为1.362m2，表3集热器面积满足要求。

4.太阳能系统功能说明

4.1太阳能热水系统原理（示意图如下）

4.2温差强制循环加热

太阳能热水系统采用温差强制循环方式运行。温度传感器将集热器出口温度T1、缓冲水箱温度T2传递给控制器。当T1-T2>温差循环启动值时，控制器发出控制信号，启动太阳能循环泵，系统开始循环，不断地将集热器吸收的热量置换到缓冲水箱中，随着缓冲水箱内热水温度不断提高，T1与T2之间温差越来越小，直至T1-T2<温差循环停止值时，控制器关闭太阳能循环水泵。

4.3户侧热水系统

用户侧热水循环泵是定温循环。当缓冲水箱温度T3≥60℃时，用户侧热水循环泵开始运行，当缓冲水箱温度T3≤55℃，P2停止。运行温度设定值可调。

4.4太阳能系统补水

太阳能热水系统水中的循环介质水作为热媒使用，并没有使用消耗，所以减少量很少，减少的量基本上都是由于蒸发引起的。其补充水量通过水箱上面安装的电磁阀来实现，当缓冲水箱中的水位下降到某一高度时电磁阀开启给系统补水，当水位达到设定水位时，电磁阀关闭，停止给系统补水。补水管设水表及倒流防止器。

4.5太阳能系统防冻

系统防冻：本太阳能热水系统采用回流防冻的方式防冻（要求集热器的最低位置高于水箱的最高位置，同时集热器和管路要有不小于1%的坡度，坡向水箱，有利于排空），另一个方案屋面供水换热管路防冻采用电伴热带防冻，也就是在屋面供水换热管路上设置管路温度传感器以及缠绕电伴热带，当屋面管路温度低于设定的启动温度时，电热带通电加热，防止管路冻结，直到屋面管路温度高于设定的停止温度时，电伴热带断电，以此保护屋面供水换热管路不在冬季发生冻结。

4.6太阳能系统过热保护

过热保护主要是指水箱过热保护。在天气情况很好的情况下，很容易就能够加热出足量热水，若此时分户水箱中的热水均达到使用温度时，水箱中的水还会通过强制循环加热持续升温，考虑水箱的安全使用和用水不至于过热等因素，我们设定水箱高温保护。

4.7系统水泵运行保护

控制器对太阳能系统中的水泵均有低水位保护功能，即当水箱中的水位低于最低水位时，控制器关闭水泵运行，防止水泵干抽。由于太阳能循环系统中的水未被用户直接利用，因此损失的水量也不至于达到最低水位，但为了系统的安全可靠，需要设置水泵的保护措施。

5.结论

目前集中集热-分户储热太阳能是在住宅中常用的热水系统，笔者结合实例就是将太阳能热水系统所包含的集热器、储热装置、循环泵、辅助加热设备以及管路等，与建筑充分结合并实现整体外观的和谐统一，而集中集热、分户储热系统还可以减少分摊费用，便于物业管理，在住宅设计中已成为主流的太阳能热水解决方案。

参考文献

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

[2]《居住建筑节能设计标准》配套图集PT-891.北京市规划委员会

[3]《绿色建筑评价标准》GB/T 50378-2006.中国计划出版社2006

[3] 郑瑞澄.民用建筑太阳能热水系统工程技术手册.北京：化学工业出版社，2006.2

（作者单位：北京冠亚伟业民用建筑设计有限公司）

【中图分类号】TU111.45

【文献标识码】B

【文章编号】1671-3362（2018）10-0048-03