浅谈太阳能热水器与建筑物一体化的防雷设计

刘威

摘 要：太阳能热水器的安装数量逐年递增，其与建筑物一体化的安装技术也在不断发展。与此同时，太阳能热水器存在的安全隐患—雷击事故也备受人们关注。该文通过分析太阳能热水器常见的雷击安全隐患，结合有关标准规范及工作实践经验，就当前建筑物与太阳能热水器的综合防雷设计进行剖析。

关键词：太阳能热水器 建筑物 防雷设计

中图分类号：TK519 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）05（b）-0053-02

近年来，随着国家政策不断向节能环保方向的倾斜，太阳能作为一种新型可再生能源，因其具有清洁、环保等特点被广泛应用。太阳能热水器做为其产物，因价格低、使用方便而走进人们的生活，而为了使太阳能热水器能够充分的吸收太阳光，人们通常习惯性的将其安装在室外屋顶最高处，集中排列安装（农村自建房屋，多数还是分散、无序、不规范的安装），往往超出了建筑物原有的接闪器保护高度平面，加上四周比较空旷，很容易留下较大的雷击安全隐患。随着科技的进步，越来越多智能化系统运用到太阳能热水器。控制、信号、传感等设备，一般工作电压较低，建筑物一旦遭遇雷击，太阳能热水器将首当其冲。因此，研究太阳能热水器与建筑物一体化防雷设计，对避免或减少雷电对设备运行、人身安全的危害具有非常重要的意义。

1 太阳能热水器的组成及工作原理

太阳能热水器从集热部分不同可分为：真空玻璃管太阳能热水器和金属平板太阳能热水器；从结构不同来分可分为：普通式太阳能热水器和分体式太阳能热水器；从贮水箱受压来分可分为：承压式太阳能热水器和非承压式太阳能热水器；就其水流方向来分可分为：循环式、直流式和整体式太阳能热水器。但无论哪一种热水器，一般均由集热器、保温水箱、支架、连接管道、控制部件等组成（如图1）。

太阳能热水器是一个吸收太阳光光能转化为热能的设备。该文以市面上安装最多的真空玻璃管太阳能热水器为例展开分析。真空玻璃管是太阳能热水器的核心，它的结构如同一个拉长的暖水瓶瓶胆，内外层之间为真空，在内玻璃管的表面上利用特种工艺涂有光谱选择性吸收涂层，用来最大限度的吸收太阳辐射能。经阳光照射，光子撞击涂层，太阳能转化为热能，水从涂层外吸热，水温升高，密度减小，热水向上运动，而比重大的冷水下降，热水始终位于上部，即保温水箱中。太阳能热水器中热水的升温情况与外界温度关系不大，主要取决于光照。当打开厨房间、洗浴间水龙头时，集中在保温水箱内的热水便依靠自然落差流出，落差越大，水压也高。

2 太阳能热水器常见的雷击隐患

太阳能热水器存在的雷击安全隐患主要在于集热器、保温水箱、支架等主要金属部件，多设于楼顶或室外高处，一旦遭遇雷击，太阳能热水器往往是“挨打”的对象，造成室外部分设备部件损坏，紧接着强大的雷电流可能沿着金属管道、热水、控制线、传感信号线路侵入室内，危及其他用电设备乃至使用者的人身安全。另一种可能，附近遭遇雷击，因闪电感应、闪电电磁脉冲耦合产生雷电过电压、过电流，沿建筑物金属构件、金属管线等侵入系统控制终端，造成电子电器元件的损坏。

3 太阳能热水器与建筑物一体的防雷措施

太阳能热水器应当在设计阶段就与建筑物主体电气设计有效结合起来，采取一体化综合防护设计。因为太阳能热水器的防雷设计要紧密依托建筑物主体的防雷设计，应该做到二者同时设计、同时施工、同时投入使用。根据太阳能热水器自身结构可分为室外、室内两部分，综合防雷措施应采取外部防雷装置、内部防雷装置以及加装SPD等多种措施相结合。

3.1 外部防护措施

为了使太阳能热水器最大限度的接收太阳光，太阳能热水器绝大多数安装在建筑物的制高点，导致建筑物顶部聚集了大面积的金属设施，以至于太阳能热水器保温水箱、集热器、支架、管道等金属设施难以完全处于接闪器的有效保护范围内（即处于LPZ1区之外），在一定程度上也加剧了雷暴云团下方大气电场的突变，增加了雷击概率。因此，在不影响采光效果的同时，应尽量降低太阳能热水器的的安装高度，最好安装在屋顶次高点，确保太阳能热水器处于接闪器（接闪带、接闪网、接闪线等）的有效保护范围内。若无法使太阳能热水器处于防雷装置的有效保护范围内，应在相应的位置增设专用接闪器（如图1），使太阳能热水器保温水箱、集热器、支架、金属管道等金属设施处于专用接闪器的有效保护范围内。专用接闪器材料规格、安全距离等应满足《建筑物防雷设计规范》GB50057

-2010的要求。

3.2 内部防护措施

该研究者在实际工作中经常看到太阳能热水器控制线、信号传感线以及有辅助电加热功能的电源线等线缆穿PVC管进出建筑物，根据规范要求，这是严重的错误。根据GB50057-2010第4.5.4条第二款的条文解释，这些线路应采用钢管或金属线槽强弱电分开走线，避免强弱电干扰，钢管或金属线槽两端接地，在进出建筑物处连接到等电位连接端子上重复接地，起到屏蔽和分流的作用。这里的等电位端子在建筑图纸设计时就应该标出，施工阶段预留。这也符合我国现代防雷设计六大基本要素，即接闪、分流、屏蔽、等电位连接、接地、综合布线。随着研究的深入，现在防雷设计加入了另一重要因素，安装SPD。

3.3 低压配电系统的防护措施

现在市面上销售的太阳能热水器大部分有辅助电加热功能。GB50057-2010第4.5.4明确规定：固定在建筑物上的节日彩灯、航空障碍信号灯及其他用电设备和线路均应根据各自类别采取相应的防护措施。太阳能热水器处在LPZ0区，闪电电磁场没有减弱，根据GB50057-2010第4.5.4条第三款，应在太阳能热水器辅助电加热配电箱内开关的电源侧安装Ⅱ级试验的SPD，其电压保护水平不应大于2.5kV，In值应根据具体情况确定。此第三款规范在工程施工中应注意四点。

⑴应在开关的电源侧装设SPD。目的有两个：①防止雷击危险电位差击穿电气绝缘；②有效的保护了需要特殊保护设备—开关；

⑵规定需装设Ⅱ级试验的SPD。这里考虑到了此处装设的SPD与上游SPD之间的能量配合问题，⑴、⑵在GB50057-2010第4.5.4条条文说明第三款有详细说明，⑵与规范6.4.5条第三款相呼应；

⑶其电压保护水平不应大于2.5kV。查设备绝缘耐冲击电压额定值表6.4.4，太阳能热水器耐冲击电压类别属Ⅱ类，此处安装SPD，电压保护水平不应大于2.5kV。根据规范第6.4.6条条文说明，工程中应选用有较小Up值的SPD。为使Up足够小，应采用合理的接线，并尽可能缩短接线长度。

⑷此处SPD的In值。规范第6.4.5条第三款规定，In值不应小于5kA。根据规范第4.5.4条条文说明第四款，按Ⅱ类建筑实例计算来看，In值取20kA也是可行的。

4 其他防护措施

（1）为保障太阳能热水器遭受的雷电过电压、过电流能够安全、迅速地泄放，应当在建筑物主体防雷装置设计时，尽可能多地增加防雷引下线数量以降低分流系统，同时充分利用建筑物结构圈梁形成等电位连接环以均衡电流分布。

（2）竖向管道应优先从专设的管道井内敷设，当不可避免需要在外墙面敷设时，应远离墙角、边缘和显著突出的部位。

（3）屋面安装太阳能热水器，要考虑建筑物的安全荷载变化，同时对安装的太阳能热水器抗风等级评估，必要时采取加固措施。

（4）制定太阳能热水器系统安全运行管养制度。在小区公共信息窗口宣传雷电安全防护常识，提高管理、使用人员安全防范意识和自我保护能力，避免或减少雷暴活动期间使用太阳能热水器。

5 结语

太阳能与建筑物一体化得到了快速的发展，作为关系到人民生命财产安全的太阳能热水器系统的防雷问题，笔者认为应从外部防雷措施（装设专用接闪器）、内部防雷措施以及装设能级匹配的SPD等措施相结合，依托建筑物主体防雷装置进行综合防护。涉及太阳能厂家、建筑、电气等多个领域，需要建立在相关专业技术人员充分沟通、协作的基础上共同解决，以降低雷击风险。

参考文献

[1] GB50057-2010.建筑物防雷设计规范[S].

[2] 雷电防护.第3部分：建筑物的实体损害和生命危险[S].IEC62305-3：2010.

[3] 雷电防护.第4部分：建筑物内的电气和电子系统[S].IEC62305-4：2010.

[4] GB50364-2005.民用建筑太阳能热水系统应用技术规范[S].

[5] 低压配电系统的电涌保护器—第12部分：选择和使用导则[S].IEC61643-12：2008.

[6] 苏邦礼，崔秉球，吴望平，等.雷电与避雷工程[M].广州：中山大学出版社，1996.

[7] 梅卫群，江燕如.建筑物防雷工程与设计[M].3版.北京：气象出版社，2008.