住宅分散式太阳能热水系统的优化研究

高 歌

(无锡市建筑设计研究院有限责任公司,江苏 无锡 214045)

太阳能热水系统在建筑热水系统中的应用，是我们国家多年来大力推广的建筑节能减排措施中的重要一环。经过多年工程使用和相关规范的完善，公共建筑的太阳能热水系统已经比较成熟，但住宅太阳能热水系统仍然存在较大的不足之处。

1 目前多高层住宅太阳能热水设计现状

我国多高层住宅太阳能热水系统的形式以分散式居多，设计人员通常将家用型太阳能热水器设于屋顶，以DN15或DN20塑料热水管接至住户户内。

辅助热源设计通常有两种：1)太阳能集热器水箱自带电加热；2)利用住户厨房内燃气热水器做辅助加热，并由住户手动切换热源。前一种做法不节能，不符合国家推行节能减排的大政方针，而且住户的电费负担也比较大，而后一种做法采用燃气辅热，且节省了集热水箱内的电加热棒，不仅节省了初次投资，也节约了住户的日常费用，见图1。

太阳能集热器水箱进水由液位信号和水表井内电动阀控制。住户使用热水时，根据控制器上显示的太阳能热水温度，手动切换三通阀选择太阳能热水或是燃气热水器热水。

系统中太阳能集热器的上下水采用单管。之所以不采用冷热水双管，主要原因是公共空间不够。以常见的顶部分区共8层，每层4户的住宅为例，双管系统在公共空间最多需要64根立管，比单管系统多1倍的立管。近几年的住宅建筑，为了提高得房率，对公共区域面积的控制普遍紧凑，64根立管很难找到合适的位置。次要原因是为了降低成本，这也是开发商非常重视的问题。

这种系统因为成本低廉受到了开发商的欢迎。但这种系统有着明显的缺陷，太阳能热水从屋顶热水箱至住户用水点的距离太远，意味着住户洗澡前需要先放掉非常多的冷水。

以某高层住宅项目为例，其最高一个给水分区共8层，该分区于屋顶设太阳能热水器供热水。经图纸测量，从屋顶太阳能热水器至该分区最底层住户的淋浴点，热水管道采用S3.2PPR热水管，长度约为50 m，管径为De25，管内冷水量约为52 L。如果按淋浴器流量0.075 L/s计算的话，热水出水时间是693 s。也就是说，住户洗澡前需要先等待近12 min，并放掉52 L冷水。据某小区住户反映，使用太阳能热水前，确实需要准备一个桶接冷水，这个冷水通常用于冲厕或洗衣。

随着国家经济的发展，人民群众越来越富裕，生活也越来越好。很多群众对生活品质的要求早就已经不是简单的够用就好了，而是更在意生活的舒适体验度，而这种太阳能热水系统设计无论如何都不能说是舒适的。就笔者所知，某些住户装修时采用各种方法缩短热水出水时间，以提升用水舒适度，但对于位于公区的太阳能供水管，住户就无能为力了，以至于有将太阳能热水进水关闭，弃之不用的情况，这毫无疑问是一种极大的浪费。

据笔者所知，这种形式的太阳能热水系统设计是普遍存在的。而之所以这样，个人认为原因有两个：一是规范层面对分散式太阳能热水出水时间并未做出要求，《住宅设计规范》第8.2.4条仅要求户内热水器不循环的热水供水支管长度不宜超过8 m，而对于多层和高层住宅项目，分散式太阳能热水供水管做循环是存在困难的，增加了成本的同时也增加了耗能。所以设计人员在规范没有明确的情况下，因为成本的压力和设计的复杂性而选择无视了这个问题。二是设计与现场的脱节。太阳能热水器依赖于厂家提供产品和施工，甲方招标后，不按设计院的施工图施工，由中标的太阳能热水器厂家另行设计并施工。但厂家设计人员良莠不齐，为了拿下项目，更是尽力省材，通过低成本增加中标概率，其二次设计的图纸更不可能考虑热水出水时间的问题。

尽管存在这两个原因，但笔者认为，面对人民群众越来越高的生活品质要求，设计人员有责任进行更详尽的设计，并有责任要求甲方和太阳能厂家按设计院施工图二次设计和施工。

最新执行的《建筑给水排水设计标准》第6.6.1.6条提出了一种集中集热、分散供热的太阳能热水系统，该方案的太阳能集热部分为集中系统，采用承压集热板和集热水箱，或集热、贮热、换热组合式集热器，供至住户部分采用一根总立管，距离较远时做循环，户内采用带温控热水器。

笔者几年前也设计过类似系统，为集中集热，分散贮热供热方案，与规范中的方案的区别是户内采用的是热交换水箱，并且没有分户热水表。但笔者设计的系统并不为开发商接受，原因就是集中成本太大。近年开发商日益重视成本控制，这种系统恐不易为开发商接受。

另外，规范提出的这个系统和传统的集中集热供水系统一样，需要设置热水表，据笔者了解，设置热水表的太阳能集中供热水系统，热水费收取过程容易产生纠纷。由于用水时段不同，太阳能热水供水温度不一致。住户缴纳的水费是一样的，但得到的水温却不一样，因此住户也有抵触情绪。

2 改进方案

有鉴于此，笔者试图在不增加太多成本的前提下解决这个问题，并在多项工程中应用了解决方案。

在图1的基础上，进行了改进，见图2(屋顶部分与图1相同)。

将手动三通阀改为电动三通阀或温控换向阀，当使用电动三通阀时，阀前设水温传感器，使用温控换向阀时，阀前不需要设水温传感器。

电动三通阀的缺点是需要用电，由控制器通过水温传感器信号控制，优点是价格仅为温控换向阀的1/2。温控换向阀的优点是无需用电，不需要控制器控制，其内部自带温控元件，可以根据进水温度自动转换出水方向，缺点是价格高。两者共同的缺点是换向速度慢，电动三通阀需要10 s，温控换向阀需要7 s～8 s。

使用电动三通阀：当水温传感器处的温度低于55 ℃时，三通阀出水方向为燃气热水器，温度不小于55 ℃时，出水方向为用水点，切换过程中，两个方向均有出水。

使用温控换向阀：当进水温度低于55 ℃时，三通阀出水方向为燃气热水器，温度不小于60 ℃时，出水方向为用水点，55 ℃～60 ℃时，两个方向均有出水。

但图2所示系统仍然存在缺陷。

当太阳能集热水箱不需要进水时，电动阀处于关闭状态，太阳能热水出水温度变化平缓，电动三通阀或温控换向阀虽然切换时间慢，但用水点的热水温度仍然能够保证高于用水温度。但当太阳能集热水箱进水和住户用水同时发生时，电动阀开启，由于冷水的进入，供水管内水温会突然下降，导致用水点水温突变。

为解决这个问题，可在控制器处设定：当电动阀开启前，忽略水温传感器信号，提前将电动三通阀的流向强制转向燃气热水器，而电动三通阀提前于电动阀开启转向的时间t1应根据具体项目布置计算，建议按一个淋浴点的流量0.075 L/s计算冷水从图2A点到达三通阀的时间t2，设三通阀转向时间为t3(10 s)，t1应大于t3-t2。保守设计时，也可以忽略t2，将t1定为10 s。

这种解决方法仅适用于电动三通阀，不能用于温控换向阀，因为温控换向阀是通过阀门自带感温元件来进行换向动作的，不接受外部控制。

这一方案存在高温热水在t2时间段内通过燃气热水器的可能。

目前市场上大部分燃气热水器都有出水温度控制功能，能根据进水温度控制燃气燃烧量，当进水温度高于设定的出水温度时，热水器不点火。但部分低档燃气热水器并没有这个功能。

由于设计人员不能控制业主购买什么功能的燃气热水器，因此电动三通阀方案适用于交房前就配有恒温出水功能的燃气热水器的精装住宅项目，设计人员可要求开发商选购带恒温出水功能的燃气热水器。

当项目为毛坯房或配套燃气热水器不带出水温度控制时，建议采用温控换向阀方案(见下文)。也可以在燃气热水器出水端增加恒温混水阀，但增加恒温混水阀的话，成本接近温控换向阀方案，见图3。

当采用温控换向阀时，在图2基础上进行了改进，见图4。

在温控换向阀前增加一根旁通管，旁通管上设常闭电磁阀。仅当电动阀开启时，当水温传感器温度降至55 ℃以下时，电磁阀通电，燃气热水器点火，温控换向阀切换完毕后，电磁阀断电。由于电磁阀切换速度极快，因此可以保证用水点水温波动较小。温控换向阀换向速度为7 s～8 s，因此电磁阀通电时间只需要保持8 s以上就可以，耗电不高，发热也不严重。此方案的缺点是电磁阀断电关闭时可能造成水锤，产生噪声和振动，但因为家庭用水流量小，影响也比较小。

综上所述，采用电动三通阀时，系统如图2或图3所示，采用温控换向阀时，系统如图4所示。

3 改进方案的成本

根据阿里巴巴网站上查询得到的价格(规格均按DN20，采购数量少于500个，价格选取中低价位)，图2和图3所示方案中，电动三通阀价格为72元，水温传感器的价格为3.5元，恒温混水阀的价格为90元。图4方案中，温控换向阀价格为169元，电磁阀价格为23元。

当采用图3方案时，由于不确定住户选用的燃气热水器类型，因此可将恒温混水阀作为备选件，由开发商交房时提示住户根据选用的燃气热水器确定是否安装恒温混水阀。

假设某栋常见高层住宅的顶部供水分区共有8层，均设太阳能热水供水，每层4户。以此来粗略计算三个方案增加的成本，见表1(表中忽略增加的管道和控制线成本)。

表1 某高层住宅采用新方案后相对图1方案增加的成本 元

从成本角度考虑，图2方案是较为经济的，相对于工程总投资，可以说增加的成本微乎其微，但却可以极大地提高住户用水舒适度，提升住宅品质。

4 提升用水舒适度的其他相关方案介绍

本文提出的方案解决的是太阳能热水器到燃气热水器处的管道内冷水问题，解决的是热水入户的问题，并没有解决户内热水管道的冷水问题。

关于非集中供水的住宅户内热水管内的冷水段处理，规范的相关规定是这样的：《住宅设计规范》第8.2.4条要求户内热水器不循环的热水供水支管长度不宜超过8 m；《建筑给水排水设计标准》第6.3.14条要求3个或3个以上卫生间的住宅需做热水循环。

因此对于一般住宅，供水支管长度超过8 m，或有3个及以上卫生间时，可做循环泵循环。但笔者也遇到过开发商提出的循环泵噪声影响住宅品质的意见，当时因为没有成熟的不使用循环泵的方案，因此仍旧采用了循环泵方案。

笔者后来在网上看到有一些住户在没有热水循环的户内采用了一种较为巧妙的方法，部分解决了这个问题，据分享方案的住户反映，热水出水极快，用水舒适度得到了极大的提升。但这个方案并不完善，在工程设计中需要考虑的因素较多，因此本小节仅对这一方案进行介绍，并不推荐。

图5方案是在远离厨房的卫生间内增加一个小厨宝和恒温混水阀，恒温混水阀设置较高的出水温度，小厨宝设置较低的出水温度。

住户刚开启卫生间内水龙头时，从燃气热水器方向来的热水管内出水为冷水，小厨宝出水为热水，因此恒温混水阀的冷水进水端很快关闭，小厨宝内热水通过恒温混水阀，住户此时使用的是小厨宝内的热水。当热水管内冷水走完，热水到达后，由于温度高于小厨宝出水温度，恒温混水阀热水端关闭，冷水端开启，住户此时使用的是燃气热水器方向来的热水。

这个方案的优点是热水出水快，台盆出热水几乎不需要等待，淋浴热水出水时间也短。

缺点有三个：一是淋浴器需要安装恒温混水龙头，成本较高，因为热水来源切换的时候温度有突变，必须要恒温混水龙头避免烫伤事故；二是目前市场上的恒温浑水阀厂家并未明确冷水端长期进热水的话，对配件的寿命是否有不利影响；三是这一方案不适用于别墅类大户型，当热水管道较长，管内冷水较多时，小厨宝内热水量有限，无法保证热水连续性。当小厨宝出水时，热水管段内的冷水不断进入小厨宝，顶出热水，同时与小厨宝内热水混合降温。一个10 L储量的小厨宝在这个过程中能够提供的有足够温度的热水量有多少，需要实验确定。

因此这个方案用于大户型时，恐怕并不理想。好在大户型使用循环泵时，在不影响住户使用感受的前提下，寻找一个合适的位置并不困难。