太阳能热水系统在建筑给排水设计中的应用

张欣欣，景丽

（1.江西省桂能综合设计研究院有限公司；2.上海凯泉泵业（集团）有限公司济南分公司）

1 引言

在建筑给排水设计中，除了要保证给排水系统建设质量和使用功能外，还要尽量降低给排水系统能耗。太阳能是一种清洁能源和可再生能源，通过在建筑给排水设计中应用太阳能热水系统，可以有效实现其节能设计目标。

2 设计中的应用优势

以节能、环保、效率、和谐、持续为目标进行建筑设计，强调建筑与生态环境之间的协调性与统一性，追求在建筑全寿命周期内最大限度地节约资源及减少污染，是现代建筑设计的基本要求。若想达到该要求，必然离不开对各种清洁能源、可再生能源的应用，太阳能正是其中之一。太阳能热水系统的应用原理是基于太阳能的可循环性，利用太阳能热水系统来代替传统的热水系统，它不但能够实现节约电能和煤气，同时还能够减少由传统供热方式所引起的空气、废料污染。成本低、投入少也是太阳能热水系统的一项重要优势，一方面太阳能本身几乎没有成本，另一方面太阳能热水系统的安装简单、造价低。由于太阳能热水系统的这些优势，使得它在建筑给排水设计中得到了十分广泛的应用。

3 设计中的应用要点

3.1 热水系统设置

太阳能热水系统有很多种类型，例如水箱式（紧凑式）太阳能热水系统、集热式（分离式）太阳能热水系统等，还可分为自然循环式太阳能热水系统、强制循环式太阳能热水系统，以及直接加热式太阳能热水系统、间接加热式太阳能热水系统。目前在建筑给排水设计中最常用的是直接加热式的分离式太阳能热水系，其特点是对水箱与集热器进行分开设置，优势是能够有效保证循环系统的可承受压力、减少污染外泄以及提高热能置换效率。在实际设计中，可以选择将太阳能热水系统的水箱设置在地下室中，以便降低维修难度、减轻对建筑立面结构的影响。

3.2 管路设置

太阳能热水系统的管路设置乃是关键，应采取科学措施来保持冷热水系统压力的平衡，将其压差控制在0.02MPa以内[1]。所有管道都要进行有效的保温处理，这样才能够保证太阳能热水系统的供水温度。如果是室外管道，还要进行有效的防冻处理，以免出现管道冻裂。对管道方向进行合理安排是一项重要内容，通常情况下，对于室内水平管线应尽量进行隐蔽布设，对于室外管线应进行隐蔽布设，对于竖向管线应布设在与竖向管道井内部相贴近的地方，同时还要做好相关防护措施，以方便后期维护维修。注意，在隐蔽工程的施工中不能留有管线接头。另外，还要对管道材料进行合理选择，在选择管道材料时应充分考虑到管道工作压力、工作温度等因素，一般以金属管材和不锈钢管线为宜，并做好相关防腐措施；保温材料则可选择橡塑。

3.3 控制方式

如果准备在建筑给排水设计中应用太阳能热水系统的话，需要事先根据太阳能热水系统的占地尺寸预留出足够的位置，并结合实际设置辅助性热源装置，以保障太阳能热水系统的正常稳定运行。通常是把辅助性热源装置设置在水箱周边，这样可以方便后期运行和维护；同时根据实际情况对辅助性热源装置采取合理的控制方式，如手动启动、定时启动、全日重点启动等[2]。此外，还需对电磁阀和温度控制阀进行合理设置。

4 应用实例

某高层商业建筑工程总建筑面积6457.54m2，建筑高度65m，由地下1 层+地上10 层组成，其中1F 为商铺区、2F为餐饮区，3F～5F 为办公区、6F～10F 为公寓区。在本工程的建筑给排水设计中拟应用太阳能热水系统。

4.1 系统参数

4.1.1 平均日热水用水量

根据当地气候温度情况并参考相关设计标准来计算和确定平均日热水用水量数值。经计算和比选得出：局部热水供应时平均热水用水量为33L/（人· d），集中热水供应时平均热水用水量为40 L/（人·d）～50L/（人· d）。

4.1.2 冷热水温度取值

根据当地年平均温度来合理选取冷水温度数值，该地区年平均冷水温度为15℃～20℃，故初始水温可取值15℃；热水温度的取值则需四季保持在45℃～55℃。

4.1.3 太阳能保障率

采用热管真空管方案，在20℃的进水温度和70℃的出水温度情况下，经计算得出太阳能保障率可达到1249kw·h/（m2·a）。 根据实际情况，阳光等级选择C 级。

4.1.4 水箱容积

水箱容积设计的关键是建筑最大热水使用量，在实际设计中需以高峰用水量和工程投资为依据。由于建筑中人员密度较大、管线分布较多，所以还需考虑到最大用水量。为避免水箱容积的实际值与设计值不相符，应按照最大用水量的0.4 倍计算。

4.2 系统设计

4.2.1 结构设计

首先，在太阳能热水系统的进水部分设计中，根据实际情况选择单向阀门方案，注意要对建筑高度、系统布置、压力等因素进行充分考虑，确保管线连接紧密、布设合理。其次，在太阳能热水系统的加热部分设计中，注意要充分考虑水箱的性能，合理选择太阳能真空管的加热方式。最后，在太阳能热水系统的供水系统设计中，采取冷热水管整体设计方案，管道则进行独立、封闭布设，注意要尽量排除重力势能对水箱高度的不利影响。

4.2.2 定温循环系统设计

在太阳能热水系统的进水系统设计中，为提高水管和水箱的连接效果，应处理好差额补水，同时这样做还可促进冷水与水箱内热水的均匀混合，从而保证温度分布均匀。对定温循环系统采取循环加热的方式，以使水源可以在外力条件下持续流动，得到良好的保温 效果。

4.2.3 集热器排列设计

当地年平均温度16.7℃、最高温度39℃、最低温度-3℃，年平均日太阳辐照量12.613MJ/m2。考虑到是高层商业建筑，要求较高的太阳能应用效率，所以选择采用新型复合抛物面聚光集热器。CPU 综合采用真空和热管技术，在设计中遵循边缘光线原理，并采用非城乡低聚焦度聚光器，只需定期调整倾角角度即可达到较好的应用效果。根据相关技术规范并参考地方维度，初步确定太阳能集热器安装角度为31.35°。但考虑到太阳能热水系统主要是在夏季应用，因此经设计优化后，确定最终的太阳能集热器安装角度为20°。倾斜安装还需适当调整辐射强度，根据实际情况计算确定辐射强度为765W/m2。集热器设置总数量为356 组，其中包括屋顶上的193组和小屋顶、斜屋顶至上的163 组；集热器组与集热器组之间采用同程连接方式，目的是保证流量分配均匀；组间间距为800cm，能够给后期维护维修提供充足的空间。

4.2.4 水箱设计

在太阳能热水系统的水箱设计中，首先根据实际情况确定水箱的体积，以40%为标准来进行设计能够更好地保障经济效益；其次根据实际情况合理选择水箱保温措施，常规保温措施即可满足要求，即在水箱外部包裹一层保温材料，或是采用真空包裹法，即在水箱外部增加一个真空层以用于保温。

5 结语

给排水系统是现代建筑中的重要系统，也是建筑中能耗较高的系统，可以说，给排水系统的能耗水平直接决定着建筑整体能耗水平，所以为实现建筑节能设计目标，必须要对给排水系统进行有效的节能设计，而太阳能热水系统的应用正是其有效举措之一。在实际应用中，必须要把握好太阳能热水系统的相关设计要点，以最大限度地发挥出其在建筑给排水设计中的应用优势。