2019版建水标住宅太阳能热水新系统设计探讨

王 永 强

(晋城市建筑设计院，山西 晋城 048000)

0 引言

GB 50015—2019建筑给水排水设计标准(以下简称《建水标》)中关于太阳能、热泵热水供应系统作为单独一节编写，关于太阳能热水系统规定更加系统全面，其主要变化是引入一种全新的集热贮热一体式无动力循环太阳能集热系统，这种太阳能集热器主要采用热传导集热方式，大大简化太阳能集热系统，为有效推广太阳能热水系统提供了强有力的技术支持。

本文从《建水标》住宅集中集热分散供热太阳能设计分析，探讨住宅建筑采用无动力循环贮筒式集热器设计及利用。

1 传统住宅太阳能热水系统存在问题分析

从2008年9月《山西省民用建筑节能条例》发布，鼓励既有民用建筑的所有权人或者使用权人安装使用太阳能等可再生能源；到2013年8月《山西省开展绿色建筑行动实施意见》发布，强制推进太阳能光热应用。太阳能屋顶计划已经在我省走过了10多个年头，住宅建筑更是太阳能屋顶计划的重要组成部分，但是实际使用情况并不理想。

从现有设计及实际竣工项目使用情况来看，住宅采用分散集热—分散供热即阳台壁挂太阳能热水系统设计使用简单，但实际使用中存在换热效率低，同时受规划、建筑方案等影响未进行大面积推广；住宅采用集中集热—分散供热太阳能热水系统多采用间接换热，系统简单，但换热效率不高，户内需设热水箱，初期投资大，存在跨层换热的风险；住宅采用集中集热—集中供热太阳能热水系统较为常见，但该系统不能适应住宅入住率变化，当入住率很低时，整个热水系统使用费较高。如晋城某住宅项目达到入住率77.5%时，每户每月平均分摊电辅助加热费用支出约为25元。住宅太阳能热水系统实际使用过程中存在集热器爆管、电加热棒易损坏、热水循环泵易损坏等问题，加上运行费用高，物业管理水平有限等缺点致使系统用不了多久就被迫停止使用。

2 住宅太阳能热水新集中集热、分散供热系统应用

根据《建水标》住宅类相似建筑设计宜采用集中集热、分散供热太阳能热水系统时，应由集热、贮热、换热一体间接预热承压冷水供应热水的组合系统直接向分散带温控的热水器供应预热水。这种组合系统是由国内有关科研设计企业经过多年的科研实践的一种新系统，其核心组成部件就是集热、贮热、换热一体的贮筒(内外筒)组合式集热器，因为这种新型太阳能热水集热系统不需要机械循环，仅通过自然循环集热、传导对流换热，将太阳能集热、贮热、换热集成一体的模块化太阳能热水装置，因此也被称为无动力集热循环太阳能集贮热装置。

2.1 无动力集热循环太阳能集热器面积计算

《建水标》对太阳能集热器总面积的计算进行了修编，以平均日耗热量代替最高日耗热量指标；同时结合T/CECS 48—2017无动力集热循环太阳能热水系统应用技术规程，以晋城丹河新城某住宅项目为例进行计算，无动力集热循环太阳能集热器按每个单元独立设置，每个单元2户，考虑逆12层设置。以每单元为单位计算无动力集热循环太阳能集热器面积如表1，表2所示。

表1 平均日耗热量计算

表2 无动力集热循环太阳能集热器面积计算

2.2 无动力集热循环太阳能集贮热装置设计选型及平面布置

无动力集热循环太阳能集贮热装置目前国标规范和协会行业标准比较齐全，但是标准图集里仅有内筒式太阳能集热器部分资料，无动力集热循环太阳能集贮热装置基本没有选型资料。设计过程中笔者咨询了T/CECS 48无动力集热循环太阳能热水系统应用技术规程主编单位及标准图集《太阳能集中热水系统选用及安装》参编单位，国标图集参编企业提供参数如表3所示。

表3 无动力集热循环太阳能集贮热装置参数表

本次设计选用无动力集热循环太阳能集贮热装置型号为SLY-320/24-5821，集热面积为4.2 m2，根据集热器总面积计算需要集贮热装置15.2套，实际设计根据屋面面积总计布置16套。

丹河新城某住宅项目3个单元，每单元2户，边户屋顶集热器及管道布置见图1。

2.3 住宅集中集热、分散供热无动力集热循环太阳能热水系统设计

2.3.1太阳能热水系统设计及运行

丹河新城某住宅项目采用集热、贮热、换热一体间接预热承压冷水供应热水系统的组合系统直接向分散带温控的热水器供水。各层住户分散带温控的热水器考虑到本地住户使用习惯采用具有双温度传感器的智能恒温燃气热水器，系统原理见图2。

屋顶集热系统采用无动力集热循环太阳能集贮热装置，集热系统大大简化，省掉集中供热水箱同时省去集热循环水泵；热水供水系统与传统集中热水系统一样，并设有热水回水循环水泵。

1)热水用水时，太阳能预热水经电子恒温混合阀控温后进入住户燃气热水器，经热水器定温加热后供至用水端；住户燃气热水器采用具有双控传感器的智能恒温多段点火燃气热水器，当热水进水温度不低于50 ℃时，燃气热水器不启动。当热水进水温度低于50 ℃时，智能恒温燃气热水器电控程序通过测量进出水温度差值及水流量，计算达到燃气热水器出水温度时所需的燃气量，并通过燃气比例阀调节燃气进气量，加热达到设定温度。2)为防止太阳能热水供水温度过高发生烫伤事故，设计在热水供水管上设置电子恒温混合阀与生活冷水管道混合，控制电子恒温混合阀阀后供水温度不高于60 ℃。3)回水管网控制采用常用的温差循环，当回水干管温度(T2)不高于45 ℃且太阳能集贮热装置内太阳能热水(T1)-回水干管温度(T2)≥5 ℃时，热水回水循环泵开启；当回水干管温度(T2)高于50 ℃时，热水回水循环泵关闭。4)当集热系统发生故障检修时，需关闭太阳能集热系统时，关闭1，2，3号闸阀，打开4号检修阀，由冷水直接供给用户使用。

2.3.2屋顶太阳能设备间设计

丹河新城某住宅项目采用无动力集热循环太阳能集贮热装置省掉屋顶供热水箱后太阳能设备间面积大大减小，仅需要设置热水回水循环泵及灭菌消毒设施等阀门附件。屋顶太阳能设备间的设计采用屋顶扩大水暖井至住宅公共走道上部，避免热水循环泵设置在居住用房上方，省掉设备夹层，节省投资(见图3)。

2.3.3太阳能热水供应循环系统设计

住宅集中集热、分散供热太阳能热水新的系统与传统热源集中热水供应的循环系统相似但又略有不同，住宅集中集热、分散供热太阳能热水系统通过屋顶集中放置的无动力集热循环太阳能集贮热装置预热承压冷水向住户供应不确定温度的热水，因此在设计过程中热水循环水泵的出水量取《建水标》规定的下限值。以丹河新城某住宅项目为例进行计算，无动力集热循环太阳能集热器按每个单元独立设置，每个单元2户，逆12层设置。

1)循环水泵出水量计算。

全日集中热水供应系统的热水循环流量计算见表4，设计小时耗热量计算见表5。

表4 全日集中热水供应系统的热水循环流量计算

表5 设计小时耗热量计算

集中热水供应系统循环水泵出水量按《建水标》规定下限值1.5倍循环流量取值为554.4 L/h(0.000 154 m3/s)。

2)太阳能热水供应循环水泵扬程计算。

循环水泵的扬程按循环流量通过配水管网及回水管网的水头损失之和计算(见表6)。局部水头损失按沿程损失2倍取值，则循环水泵扬程为2×(0.11+2.22)=4.66 kPa。

表6 循环流量通过配水管网及回水管网沿程水头损失计算

3)循环水泵选型。

经过计算热水循环水泵流量554.4 L/h，扬程4.66 kPa，热水循环泵选用最常用的PH-041E(额定流量3 600 L/h，额定扬程3.5 m，额定功率90 W)，热水循环泵精巧简单，耐高温，低噪声，自动高效节能，寿命持久，易于安装维护使用。

3 住宅太阳能热水集中集热、分散供热全新系统与传统系统经济对比分析

住宅集中集热、分散供热全新系统与传统系统一次性投资及运行费用分析见表7，表8。

由表7,表8可知，集中集热、分散供热无动力循环太阳能热水系统不仅从前期一次性投入还是后期运行费用都比传统的集中集热、分散供热间接太阳能热水系统更加经济。

表7 住宅集中集热、分散供热全新系统与传统系统一次投资估算表

表8 住宅集中集热、分散供热全新系统与传统系统运行费用估算表

4 结语

高位住宅太阳能热水新的集中集热、分散供热系统及无动力集热循环太阳能热水系统，突破了传统集热理念，改变以往对流换热为主改为热传导换热为主的集贮热方式，集热水箱采用开式水箱储热与真空管连接，大大降低了爆管率，贮热内水箱由同一分区冷水系统直接供给，同组布置贮热内水箱阻力损失约1 m～2 m，更有利于冷热水压力平衡。同时将太阳能热水系统与户内燃气热水器直接连接，更符合本地住户的使用习惯，但是系统也存在加装热量表计费的缺点。无动力集热循环太阳能热水系统相比传统太阳能供热系统优势明显，运行费用低，后期维护管理方便，更有利于太阳能热水系统推广应用，达到真正节能的目的。