集中太阳能系统在居住建筑中的应用

刘 纯

(中国中元国际工程有限公司，北京 100089)



集中太阳能系统在居住建筑中的应用

刘 纯

(中国中元国际工程有限公司，北京 100089)

分析比较了集中集热储热与分户储热两种集中式太阳能系统的优劣势，着重阐述了集中集热分户储热系统的选型及储热水罐的设置方法，在保证太阳能系统安全可靠的前提下，充分利用太阳能资源。

太阳能，热水系统，分户储热，储热水罐

1 太阳能热水系统主要系统形式

根据国家标准GB/T 50378—2014绿色建筑评价标准，以及各地区根据自行情况编制的《居住建筑节能设计标准》要求。全国大部分地区要求居住建筑设置太阳能光热系统作为住户热水的热源。太阳能光热系统按集热方式主要分为两类：分户太阳能系统、集中太阳能热水系统。按储热方式分，可分为集中储热，分户储热两类系统。

2 集中式太阳能系统优劣比较

集中集热太阳能系统按储热分为：集中集热储热系统、集中集热分户储热系统。

2.1 集中集热储热系统

集中集热储热系统由太阳能系统对热水进行预热，再经过换热器加热后直接供给住户。一般预热侧介质为乙二醇溶液。换热器一般采用半容积式换热器，换热器根据太阳能预热后的热水温度控制热媒侧加热。

集中集热储热系统在品质上优于集中集热分户储热系统。热水直接供应至住户，住户无需负担备用热源。

集中集热储热系统存在以下优势：住户内系统简单、用水时水温波动小、无需负担额外设备。

集中集热储热系统在实际使用中存在以下问题：

建筑给排水设计规范中要求配水点温度介于50 ℃～60 ℃。当居住小区面积较大时，集中设置热水机房无法同时保证最近最远用水点热水温度。每个热水泵房服务区域有限。所需机房面积较大。为保证系统供水稳定，需分设太阳能预热罐和加热罐。即使采用储水容积较小的半容积式换热器依旧占用面积较大。住宅楼的结构形式不同于公共建筑，众多剪力墙使得机房利用率下降。每栋住宅楼热水机房面积约100 m2～150 m2。对中小户型的均摊面积影响较大。

需与暖通动力专业协调增加备用热源。居住建筑节能规范中对备用热源选择有所限制，不能采用直接电加热作为辅助热源。需暖通专业在锅炉房内留出生活热水补热的锅炉机组，或者设置空气源热泵等其他辅助热源。

高层居住建筑受给水分区影响需要增大管井面积。热水需要集中计量。热水管线入户距离较长，用户用水时放冷水时间过长。如热给水、热回水管线同时入户有热水盗用风险，且计量方式复杂，误差较大。

2.2 集中集热分户储热系统

集中集热分户储热系统由集热侧、供热侧两部分组成。集热侧介质为乙二醇，供热侧与集热侧之间依靠板式换热器交换热量，供热侧在屋顶设置一个开式缓冲水箱。集中集热分户储热系统在系统灵活性上优于集中热水系统。太阳能以热量非热水的方式供应给各户。

集中集热分户储热系统存在以下优势:

系统灵活性高，可以适应不同入住率下的用水需求。计量简单，无需计量热水。常规收费方式为连通物业费一起定额收取太阳能系统使用费。机房占用面积小，无需集中辅热。实际工程中单栋住宅楼太阳能热水机房面积仅需25 m2左右。

集中集热分户储热系统在实际使用中存在以下问题:

需分户设置储热水罐，交房时安装或者装修时安装都存在一定困难。小户型储热水罐受卫生间面积影响，难以找到合适的位置。由于管线在交房时已敷设好，无法根据住户需求更改位置。大户型由于用水量较大，设置立式储热水罐需要占用户内空间。户内储水量有限，连续用水时会出现水温下降的情况，无法保证持续供水情况下热水温度。

两种集中热水系统主要区别在于储热方式。集中储热系统主要应用在高档住宅、公寓上。分户储热系统主要应用在大规模住宅小区。除建设方对工程定位有较高要求时，一般选择集中集热分户储热的情况较多。

3 集中集热分户储热系统的系统选型

集中集热分户储热系统简图见图1。

3.1 集热侧参数确定

集热侧屋面太阳能板面积可按下式计算：

其中,AC为直接加热系统集热器总面积；qrd为设计日用热水量，L/d；c为水的比热，c=4.187kJ/(kg·℃)；ρr为对应热水温度

tr下的热水密度,kg/L;tr为储热水罐内热水设计温度，℃；tL为冷水温度，℃；f为太阳能保证率；J1为当地集热器采光面上的年平均日太阳能辐照量,kJ/(m2·d)；η为集热器年均集热效率；ηL为集热系统热损失率；AIN为间接系统集热器总面积。

按照集热侧太阳能面积计算出集热器产热水量。按每平方米集热板30L/(m2·d)～70L/(m2·d)计。校核分户储热总容积是否大于集热器产热水量，不足部分由缓冲水箱补足。

集热侧循环泵流量按集热器总面积×0.015L/(m2·s)～0.02L/(m2·s)得出。循环泵扬程按闭式太阳能系统计算。

3.2 供热侧系统参数确定

供热侧循环泵总流量按总户数×0.05L/(s·户)，扬程按管路沿程损失计，一般5m～10m。

3.3 系统压力与分区

在高层居住建筑中，当全楼系统不分区时，系统静压较大对施工要求较高。即使热媒管线按同程布置，由于管线过长也有冷热不均的现象出现。高层居住建筑可以尝试在中间楼层将系统分为高低两区，两个分区分别采用上供上回和下供下回的配水方式。适当降低系统容量，减少冷热不均现象出现的可能。

4 集中集热分户储热系统中储热水罐的设置与控制

4.1 储热水罐的容积

储热水罐容积一般按照每人每天40L/s热水量计，人数按实际居住人数计算。

4.2 储热水罐的位置

大多数居住类建筑，建筑专业在布置卫生间或者阳台的时候会考虑洗衣机的位置。洗衣机通常高度在80cm左右，考虑波轮式洗衣机上开盖，总高度在120cm左右。小户型储热水罐(120L以下)可以考虑放置在洗衣机上方立式安装。热媒管综合排水管布置。

大户型储热水罐由于立式安装长度较大，无法放置在洗衣机上方，需要与建筑专业协调放置在储物间等位置。也可以考虑高位悬挂，减少对住户使用空间的影响。

4.3 集中集热分户储热系统控制

集热侧控制原理与常规太阳能系统相同，通过供回水温度控制。供热侧在分户储热水罐进口处设置电磁阀，当储热水罐内温度低于热媒管温度时，阀门开启。反之，阀门关闭。

5 结语

太阳能热水系统作为大多数新建居住建筑中必不可少的部分。不同地区、不同档次的居住建筑对于太阳能系统的要求也不尽相同。通过具体分析项目需求，在保证太阳能系统安全可靠的前提下，优化系统形式，尽可能的充分利用太阳能资源。

[1]GB50015—2003，建筑给水排水设计规范[S].

[2] 贾 苇,赵 锂.全国民用建筑工程技术措施[M].北京:中国计划出版社,2009:181-188.

The application of concentrated solar energy system in residential buildings

Liu Chun

(ChinaZhongyuanInternationalEngineeringLimitedCompany,Beijing100089,China)

This paper analyzed and compared the advantages and disadvantages of centralized heat storage and household heat storage two concentrated solar systems, emphatically elaborated the type selection of central heating household heat storage system and the setting method of hot storage water tank, in the premise of protection of the safe and reliable of solar system, made full use of solar energy resources.

solar energy, hot water system, household heat storage, heat storage water tank

1009-6825(2017)09-0184-02

2017-01-19

刘 纯(1990- )，男，助理工程师

TU201.5

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