太阳能热水在华北地区高层住宅中的应用研究

王 英

（山西职业技术学院，山西 太原 030006）

1 引言

随着人们对环境保护意识逐渐提高，国家对建筑节能的要求日渐严格，太阳能作为一种取之不尽、用之不完的清洁能源越来越受到人们的关注和重视。另一方面，随着人们生活水平的不断提高，居民生活热水作为一种生活必需品，它的制备使用不仅影响人们的生活质量，也在很大程度上影响着空气质量。2015年12月，据环保部通报，华北地区的大气污染存在共性问题。“一煤独大”比较普遍，煤炭在能源消费结构中占比近90%，而从整个华北地区的空气污染来看，燃煤是造成雾霾的主要原因，它对PM2.5 的浓度率高达61%左右。因此，作为给排水工程人员，我们有义务更有责任推广应用太阳能热水系统，然而在华北地区，太阳能热水系统应用甚少，大多数用户都是采用后续分户安装电或燃气热水器来解决生活热水问题。我们要实现住宅太阳能热水系统，既需要太阳能集热产品的开发能与建筑一体化相协调，又要求太阳能系统和热水供应系统融合，选用适当的集热供热系统，不仅能充分利用太阳能，降低建筑能耗，而且能解决太阳能受天气、季节、地理位置等影响而运行不稳定的问题，满足用户“即开即有”的用水需求。

2 太阳能热水系统的选择

太阳能热水系统是利用太阳能集热器，收集太阳辐射能把水加热的一种装置，一般由集热器、储热水箱、管路、系统自动控制等部分组成。根据太阳能集热供热方式不同，可分为分户集热分户供水系统、集中集热集中供水系统以及集中集热分户供水三种系统形式。

2.1 分户集热分户供水系统

采用分散的太阳能集热器和分散的储水箱供给各个用户所需的热水系统，各户自成一套独立系统，单独使用，互不影响，用户间无流量分配，控制管理简单，目前多应用于单层或多层住宅中。由于分散集热，不能充分利用太阳能集热设施，加之在近些年，城市建设用地价格居高不下，住宅小区容积率变大，小高层、高层住宅成为主流，分散式集热很难与建筑实现一体化，而且每户自成系统，管线较多，不适应高层建筑。

2.2 集中集热集中供水系统

采用集中的太阳能集热器和集中的储水箱供给一幢或几幢建筑物所需的热水系统，采用集热器（一般安装在屋面）集中集热，把热水全部放在储水箱中，同时储水箱中配备有辅助加热器，当日照不足水温达到设计要求时，自动启动辅助加热设施，实现全天热水供应。

集中集热集中供水系统集成化程度高，管路简单，有利于降低造价，初期投资少，而且模块化的集热器与建筑结合良好，比较美观。但系统集中运行，一旦出现故障，则影响范围大，不能保证热水供应。加之当管路系统设计不合理时，需要放大量凉水才有热水，不适应用户对舒适性的要求。尤其是系统运行费用高，热水计费需要通过分户计量来收取，加之水量和辅助加热等计费问题，给物业管理带来相当大的麻烦，甚至破坏邻里关系，引来用户投诉，这些都大大限制了太阳能热水系统的应用。

2.3 集中集热分散供水系统

采用集中的太阳能集热器和分散的储水箱供给一幢建筑物所需热水的系统。如图所示，系统由集热器、闭式储水箱、循环水泵、辅助加热器、管路系统等组成。系统的集热器集中布置在屋顶，每户卫生间配置一个承压带辅助加热的储水箱。集热器集中集热，通过循环水泵把热水输送到每户的承压水箱中。太阳能系统的加热采用温差循环控制方式，通过判断水箱中的水温和集热管中的温度控制启动辅助电加热。当天气好，日照充足时，太阳能集中供热，当日照不足水温达不到设定温度时，用户自己启动辅助加热。用水时，热水由凉水顶出，每户使用自己的自来水和家用电，冷热水同源，水压平衡，利于调节。

集中集热分散供水系统具有类似集中集热集中供水系统的优点，实现了太阳能和建筑一体化，热利用率高，管路简单等；采用分散供水方式，热水储存于每户，减小了水箱占用屋顶或地下室的面积；尤其是系统运行只需要少量的循环水泵能耗，热水免费，物业管理简单，可操作性强。

3 太阳能集热器的选择

目前，太阳能技术日趋完善，市场上太阳能集热器类型主要有平板型太阳能热水器、真空管型热水器两大类。它们各有优缺点，主要根据集热器安装所在地的气候特征及所需温度来选择。平板型集热器由透明盖板、吸热板、保温层、外壳等组成。它只能在60℃以下的温度运行，若工作温度升高，其集热效率明显下降；当冬季气温较低时，热损失很大，还可能被冻坏，因此，在寒冷地区，平板型集热器不能全年运行。真空管型集热器采用真空保温，热损失明显较平板型减小，在寒冷地区仍能集热而且有较高的热效率，也可在60℃以上的温度运行。

4 太阳能热水系统在高层住宅中的应用

4.1 工程概况

太原市某小区包括1#、2# 两栋住宅，A、B两种户型，均为16层居民楼。其中1#住宅均为A户型，107.81m2，160户；2#住宅均为B户型，124.18m2，160 户；总建筑面积 36988.8m2，屋顶面积2311.8m2。

4.2 太阳能系统选择及流程介绍

如图所示，太阳能热水系统采用上述的集中集热分散供水系统，该形式将集热器集中布置在屋顶,通过循环水泵把热水送到每户安装的热、电两用承压水箱。当太阳能集热器与储水箱温度差达到设计上线时，自动启动水泵，提高水箱的水温；当集热器与储水箱温度差低于设计下限时，自动停止水泵；水箱中用换热盘管加热水箱的水。当水箱水温达不到要求时，用户自己启动辅助电加热。

4.3 集热器选择

山西省属于我国太阳能辐射量二、三类地区，即太阳能资源较丰富带或一般带，全年日照2200h～3200h，太原市位于东经 111°30 至 113°09，北纬 37°27 至 38°25，全年日照总时数为 2360 小时至2796 小时，平均日太阳辐照量为16.894MJ/m2，年太阳辐射总量为 6166.31MJ/m2，属全国高照率范畴，有良好的太阳能利用条件。

根据《建筑给水排水设计规范》（GB 50015—2010），对于有集中热水供应和沐浴设备的住宅，热水温度按60℃计时，每人每日最高日用水量定额为60-100L，日均用热水量按50L/(人·天)考虑，共计 120 户，每户 3人，共 360人。因此小区每天共需热水50L/(人·天)*360人=18000L/天。

真空管集热器的集热面积

式中:Qw—户日均用水量，180kg；

Cw—水的定压比热容，4.187kJ/(kg·℃)；

tend—储水箱内水的终止温度，60℃（按最高用水设计）；

ti—水的初始温度，10℃（按春秋基础水温设计）；

Jt—当地春分或秋分所在集热器受热面上月均日辐照量，16890Kj/m2；

f—太阳能保证率，无量纲；取50%

ηcd—集热器全日集热效率，无量纲；取50%

ηL—管路及储水箱热损失率，无量纲；取20%

4.4 节能分析计算

每单元安装一台1000W 的循环水泵，假设每天运行5 小时，每年工作300 天，那么循环水泵一年的耗电量为 1KW*5h*300d=1500kwh，电费为750 元，平均每户负担 23.4 元。节能效果:常年冷水温度按照10℃计算，每人每天用热水50L (按60℃计算），制备热水需要耗能 50*（60-10）*4.187=10467.5KJ，按每度电能热功当量3600KJ/KWh 计算，电热器加热效率取95%，则每人每天制备热水的用电量为10467.5/（3600*0.95）=3.1KWh。按每户3人计算，太阳能充足的日子有280 天，生活热水全部由太阳能提供，每户每年可节约用电3*3.1*280*0.5 =1302 元，减去水泵运行公摊费用 23.4 元，节约 1278.6 元。

5 结语

随着建筑太阳能热水系统技术的不断完善和成熟，华北地区也应且能推广太阳能热水系统，使其普遍应用，既满足人们日益提高的生活质量，又节能环保，低碳无污染。