太阳能热水系统在住宅领域的设计应用分析

王会松（洛阳市规划建筑设计研究院有限公司，河南　洛阳　471000）



太阳能热水系统在住宅领域的设计应用分析

王会松（洛阳市规划建筑设计研究院有限公司，河南洛阳471000）

近年来，我国能源危机和环境污染问题日益增多，能源可持续发展战略思想的深入化，世界各国均致力于清洁能源的研究开发和推广应用。使用无污染能源和清洁能源已在各个领域展开，其中，太阳能作为清洁的可再生的自然能源，具有很大的利用潜力。利用太阳能而制造生产的热水器便成其为节能、环保、低成本、安全、耐用的绿色能源新产品。随着太阳能热水器推广使用，越来越多的建筑物屋顶都安装了太阳能热水器，但由于没有统一规划，安装位置参差不齐，管道布置零乱，很不美观。

太阳能热水系统；住宅；人均日用热水量

太阳能作为一种清洁安全的可再生能源，是节能环保的重要途径。在建筑设计中体现绿色环保思想，凸显节能亮点，将太阳能清洁能源引入到建筑或景观、园林设计当中，充分利用太阳能，采用更加节能的建筑围护结构以及采暖、热水和空调系统，减少电力等常规能源采暖、热水和空调使用，是未来住宅设计的发展道路之一。太阳能热水器是最为常用的太阳能利用装置，能够提供洗浴、生活和采暖热水，能量大、时间长、周期运行费用低、使用长、无噪声、无污染、无危险，如能广泛应用于住宅热水供应系统中，可产生长远的经济效益。

1　太阳能热水嚣及热水系统发展方向

在我国，从2006年深圳市率先出台节能条例，首推12层以下的住宅建筑必须安装太阳能热水系统，为推进可再生能源规模化应用奠定了法律基础，江苏、青岛、上海等各城市相继都出台了规范条例，明确了太阳能热水系统在建筑上的推行方向。具体实施中，为了更好的利用太阳能热水技术，最关键的是应该在建筑设计中把太阳能热水系统与建筑进行整合设计，使之一体化，住宅建筑尤为典型。如图1所示。

图1　

2　集中太阳能热水系统的特点及概述

太阳能热水系统利用太阳辐射加热水，由集热器、贮水箱、管道、控制设备四部分组成。我国大部分地区均处北纬40°以北，日照时间较长，均适合推广太阳能热水器。

太阳能热水供应系统按系统运行方式可分成如下三种：自然循环系统、直流式系统以及主动循环系统。在现阶段建筑工程中热水集中供应采用的大多数为主动循环太阳能热水系统。

主动循环太阳能热水系统 （又称强制循环太阳能热水系统）利用外部动力驱动热媒或热水经过集热、换热器进行循环、加热、换热。图2为主动循环太阳能热水系统。该系统在换热器和贮水箱之间设置水泵，保证热媒或热水循环。管路上设有温度控制阀门，根据集热器与贮水的温度差异控制水泵的启停，同时，在储水箱后设置加热水箱，保证热水供应。根据工程实际情况不同，加热水箱可酌情设置。

图2　主动循环式热水系统

主动循环太阳能热水系统与其他太阳能热水系统相比，增加了外部循环动力，有利于提高热效率，加强对热水系统的控制，保证了‘热水供应的有效性’。目前在大规模的太阳能热水工程中，可通过普通太阳能热水器串联或并联的形式组成上述各种系统。

3　实际工程推导

下面以工程为例阐述太阳能热水系统设计理念。某住宅为18层，1层4户，户均面积96m2，每层公摊面积55m2，南北朝向，周边无遮挡，位于洛阳市。

该工程采用屋顶架设太阳能集热板，集热板坡屋顶下设置太阳能热水机房，上供下回，干管循环的方案。

首先，计算供应生活热水所需太阳能集热板的面积，依据《建筑给水排水设计规范》（GB50015-2003，2009年版），每户套内人数按3.5人计算。则，楼内计算总人数为252人，该住宅楼的直接加热供水系统的人均集热器面积为：

式中：Ajz为直接加热人均集热器面积，m2；qr为设计日用热水量，L/（人·d）；C为水的比热，C=4.187KJ/（kg·°C）；tr为热水温度，tr=60°C；t1为冷水温度，河南地区取t1=4°C；pr为热水密度，60°C时，ρr=0.9833kg/L；Jt为集热器采光面上年平均日太阳辐照量，河南取13482KJ/（m·d）；f为太阳能保证率；ηj为集热器年平均集热效率；η1为储水箱和管路的热损失率。

就特定区域而言，C，t1，Jt为固定值；qr，f，ηj，η1。为设计确定值，分别根据居住人群类型、设计保证率、产品特性及管网水箱选材各有不同。本工程参数按《全国民用建筑工程设计技术措施-给水排水》选取范围为：qr=45～60L/（人·d），f=30～80%，ηj=45～50%，η1=15～30%，本次设计均按照中等要求选取，即：qr=50L/（人·d），f=50%，ηj=45%，η1=25%，最终计算可得，人均集热器面积为 Ajz=1.26m2，该住宅楼所需集热器面积S=318m2，楼顶面积为96×4+55=439m2＞S，本方案成立，并且可以推算，楼顶若按满铺集热器计算，可供应的楼层为439/1.26/ 3.5/4=24.8层。

从上述计算可以看出方案是否成立与人均集热器面积有关。根据规范，本方案中，最不利情况（该比较过程以人均需集热器面积越大越不利）取值为：qr=60L/（人·d），f=80%，ηj= 45%，η1=30%，人均集热器面积Ajz=1.63m2，则该住宅楼所需集热器面积S=410m2，楼顶面积为96×4+55=439m2＞S，本方案成立，并且可以推算，楼顶按满铺集热器计算，可供应的楼层为439/1.63/3.5/4=19层。

最有利情况取值为：qr=45L/（人·d），f=30%，ηj=50%，η1= 15%，人均集热器面积Ajz=0.6m2，则该住宅楼所需集热器面积S=151m2，楼顶面积为96×4+55=439m2＞S，本方案成立，并且可以推算，楼顶按满铺集热器计算，太阳能保证率只取30%时可供应的楼层为439/0.6/3.5/4=52层。

4　数据分析

通过以上比较发现：

（1）集热器面积为待定值，其面积大小与住户人均热水量、用户对太阳能热水要求的保证率、工程对集热器和管路、水箱材质的选型优劣有很大关系，从上述最不利和最有利情况比较，人均集热器面积可相差2.7倍。

（2）公式的四项变量qr，f，ηj，η1。分别涉及到住户舒适性和能源消耗量，作为设计，需要从绿色建筑的角度考虑，同时兼顾住户的舒适性做一定控制，即人均日用水量qr应根据住宅等级尽量取高值，以满足用户用水，保证率f应根据住宅定位选取适中值，ηj应在投资方资金定位前提下，尽量选取高值，即采用集热效率高的产品，η1则应选取低值，即尽量选取优质管材和水箱，减少热量无谓损失。仍以上述工程为例，取值为：qr=50L/（人·d），f=80%，ηj=50%，η1=15%，人均集热器面积Ajz=1.64m2，则该住宅楼所需集热器面积S=414m2，楼顶面积为96×4+55=439m2＞S，本方案成立，并且可以推算，楼顶按满铺集热器计算，可供应的楼层为439/1.64/3.5/4=19层。

（3）同时可以看出，若人均热水量相同，在实际工程中，一类住宅作为技术经济指标最低的户型，其屋顶面积最小，采用太阳能热水集中供应系统供应的楼层将会最低；而四类住宅作为技术经济指标最高的户型，其屋顶面积最大，采用太阳能热水集中供应系统供应的楼层将会最高。这也说明了住宅定位决定了住宅的最高楼层。

5　结束语

本工程模型建立在方案阶段允许屋顶满铺集热器，且周边无遮挡的前提下，若方案无法满足，使得可敷设面积缩水，则可供应楼层会大大降低。即采用太阳能集中热水供应系统的住宅，需要在方案初期，根据建筑的规划与周围建筑的相对位置关系，以日照模拟分析作为参考，采用合适的集热器布置方式。

2016-4-7

TU822

A

2095-2066（2016）12-0170-02