淺談太陽(yáng)能熱水器與建筑物一體化的防雷設(shè)計(jì)

劉威

摘 要：太陽(yáng)能熱水器的安裝數(shù)量逐年遞增，其與建筑物一體化的安裝技術(shù)也在不斷發(fā)展。與此同時(shí)，太陽(yáng)能熱水器存在的安全隱患—雷擊事故也備受人們關(guān)注。該文通過(guò)分析太陽(yáng)能熱水器常見的雷擊安全隱患，結(jié)合有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范及工作實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，就當(dāng)前建筑物與太陽(yáng)能熱水器的綜合防雷設(shè)計(jì)進(jìn)行剖析。

關(guān)鍵詞：太陽(yáng)能熱水器 建筑物 防雷設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TK519 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2015）05（b）-0053-02

近年來(lái)，隨著國(guó)家政策不斷向節(jié)能環(huán)保方向的傾斜，太陽(yáng)能作為一種新型可再生能源，因其具有清潔、環(huán)保等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用。太陽(yáng)能熱水器做為其產(chǎn)物，因價(jià)格低、使用方便而走進(jìn)人們的生活，而為了使太陽(yáng)能熱水器能夠充分的吸收太陽(yáng)光，人們通常習(xí)慣性的將其安裝在室外屋頂最高處，集中排列安裝（農(nóng)村自建房屋，多數(shù)還是分散、無(wú)序、不規(guī)范的安裝），往往超出了建筑物原有的接閃器保護(hù)高度平面，加上四周比較空曠，很容易留下較大的雷擊安全隱患。隨著科技的進(jìn)步，越來(lái)越多智能化系統(tǒng)運(yùn)用到太陽(yáng)能熱水器?？刂?、信號(hào)、傳感等設(shè)備，一般工作電壓較低，建筑物一旦遭遇雷擊，太陽(yáng)能熱水器將首當(dāng)其沖。因此，研究太陽(yáng)能熱水器與建筑物一體化防雷設(shè)計(jì)，對(duì)避免或減少雷電對(duì)設(shè)備運(yùn)行、人身安全的危害具有非常重要的意義。

1 太陽(yáng)能熱水器的組成及工作原理

太陽(yáng)能熱水器從集熱部分不同可分為：真空玻璃管太陽(yáng)能熱水器和金屬平板太陽(yáng)能熱水器；從結(jié)構(gòu)不同來(lái)分可分為：普通式太陽(yáng)能熱水器和分體式太陽(yáng)能熱水器；從貯水箱受壓來(lái)分可分為：承壓式太陽(yáng)能熱水器和非承壓式太陽(yáng)能熱水器；就其水流方向來(lái)分可分為：循環(huán)式、直流式和整體式太陽(yáng)能熱水器。但無(wú)論哪一種熱水器，一般均由集熱器、保溫水箱、支架、連接管道、控制部件等組成（如圖1）。

太陽(yáng)能熱水器是一個(gè)吸收太陽(yáng)光光能轉(zhuǎn)化為熱能的設(shè)備。該文以市面上安裝最多的真空玻璃管太陽(yáng)能熱水器為例展開分析。真空玻璃管是太陽(yáng)能熱水器的核心，它的結(jié)構(gòu)如同一個(gè)拉長(zhǎng)的暖水瓶瓶膽，內(nèi)外層之間為真空，在內(nèi)玻璃管的表面上利用特種工藝涂有光譜選擇性吸收涂層，用來(lái)最大限度的吸收太陽(yáng)輻射能。經(jīng)陽(yáng)光照射，光子撞擊涂層，太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為熱能，水從涂層外吸熱，水溫升高，密度減小，熱水向上運(yùn)動(dòng)，而比重大的冷水下降，熱水始終位于上部，即保溫水箱中。太陽(yáng)能熱水器中熱水的升溫情況與外界溫度關(guān)系不大，主要取決于光照。當(dāng)打開廚房間、洗浴間水龍頭時(shí)，集中在保溫水箱內(nèi)的熱水便依靠自然落差流出，落差越大，水壓也高。

2 太陽(yáng)能熱水器常見的雷擊隱患

太陽(yáng)能熱水器存在的雷擊安全隱患主要在于集熱器、保溫水箱、支架等主要金屬部件，多設(shè)于樓頂或室外高處，一旦遭遇雷擊，太陽(yáng)能熱水器往往是“挨打”的對(duì)象，造成室外部分設(shè)備部件損壞，緊接著強(qiáng)大的雷電流可能沿著金屬管道、熱水、控制線、傳感信號(hào)線路侵入室內(nèi)，危及其他用電設(shè)備乃至使用者的人身安全。另一種可能，附近遭遇雷擊，因閃電感應(yīng)、閃電電磁脈沖耦合產(chǎn)生雷電過(guò)電壓、過(guò)電流，沿建筑物金屬構(gòu)件、金屬管線等侵入系統(tǒng)控制終端，造成電子電器元件的損壞。

3 太陽(yáng)能熱水器與建筑物一體的防雷措施

太陽(yáng)能熱水器應(yīng)當(dāng)在設(shè)計(jì)階段就與建筑物主體電氣設(shè)計(jì)有效結(jié)合起來(lái)，采取一體化綜合防護(hù)設(shè)計(jì)。因?yàn)樘?yáng)能熱水器的防雷設(shè)計(jì)要緊密依托建筑物主體的防雷設(shè)計(jì)，應(yīng)該做到二者同時(shí)設(shè)計(jì)、同時(shí)施工、同時(shí)投入使用。根據(jù)太陽(yáng)能熱水器自身結(jié)構(gòu)可分為室外、室內(nèi)兩部分，綜合防雷措施應(yīng)采取外部防雷裝置、內(nèi)部防雷裝置以及加裝SPD等多種措施相結(jié)合。

3.1 外部防護(hù)措施

為了使太陽(yáng)能熱水器最大限度的接收太陽(yáng)光，太陽(yáng)能熱水器絕大多數(shù)安裝在建筑物的制高點(diǎn)，導(dǎo)致建筑物頂部聚集了大面積的金屬設(shè)施，以至于太陽(yáng)能熱水器保溫水箱、集熱器、支架、管道等金屬設(shè)施難以完全處于接閃器的有效保護(hù)范圍內(nèi)（即處于LPZ1區(qū)之外），在一定程度上也加劇了雷暴云團(tuán)下方大氣電場(chǎng)的突變，增加了雷擊概率。因此，在不影響采光效果的同時(shí)，應(yīng)盡量降低太陽(yáng)能熱水器的的安裝高度，最好安裝在屋頂次高點(diǎn)，確保太陽(yáng)能熱水器處于接閃器（接閃帶、接閃網(wǎng)、接閃線等）的有效保護(hù)范圍內(nèi)。若無(wú)法使太陽(yáng)能熱水器處于防雷裝置的有效保護(hù)范圍內(nèi)，應(yīng)在相應(yīng)的位置增設(shè)專用接閃器（如圖1），使太陽(yáng)能熱水器保溫水箱、集熱器、支架、金屬管道等金屬設(shè)施處于專用接閃器的有效保護(hù)范圍內(nèi)。專用接閃器材料規(guī)格、安全距離等應(yīng)滿足《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50057

-2010的要求。

3.2 內(nèi)部防護(hù)措施

該研究者在實(shí)際工作中經(jīng)?？吹教?yáng)能熱水器控制線、信號(hào)傳感線以及有輔助電加熱功能的電源線等線纜穿PVC管進(jìn)出建筑物，根據(jù)規(guī)范要求，這是嚴(yán)重的錯(cuò)誤。根據(jù)GB50057-2010第4.5.4條第二款的條文解釋，這些線路應(yīng)采用鋼管或金屬線槽強(qiáng)弱電分開走線，避免強(qiáng)弱電干擾，鋼管或金屬線槽兩端接地，在進(jìn)出建筑物處連接到等電位連接端子上重復(fù)接地，起到屏蔽和分流的作用。這里的等電位端子在建筑圖紙?jiān)O(shè)計(jì)時(shí)就應(yīng)該標(biāo)出，施工階段預(yù)留。這也符合我國(guó)現(xiàn)代防雷設(shè)計(jì)六大基本要素，即接閃、分流、屏蔽、等電位連接、接地、綜合布線。隨著研究的深入，現(xiàn)在防雷設(shè)計(jì)加入了另一重要因素，安裝SPD。

3.3 低壓配電系統(tǒng)的防護(hù)措施

現(xiàn)在市面上銷售的太陽(yáng)能熱水器大部分有輔助電加熱功能。GB50057-2010第4.5.4明確規(guī)定：固定在建筑物上的節(jié)日彩燈、航空障礙信號(hào)燈及其他用電設(shè)備和線路均應(yīng)根據(jù)各自類別采取相應(yīng)的防護(hù)措施。太陽(yáng)能熱水器處在LPZ0區(qū)，閃電電磁場(chǎng)沒(méi)有減弱，根據(jù)GB50057-2010第4.5.4條第三款，應(yīng)在太陽(yáng)能熱水器輔助電加熱配電箱內(nèi)開關(guān)的電源側(cè)安裝Ⅱ級(jí)試驗(yàn)的SPD，其電壓保護(hù)水平不應(yīng)大于2.5kV，In值應(yīng)根據(jù)具體情況確定。此第三款規(guī)范在工程施工中應(yīng)注意四點(diǎn)。

⑴應(yīng)在開關(guān)的電源側(cè)裝設(shè)SPD。目的有兩個(gè)：①防止雷擊危險(xiǎn)電位差擊穿電氣絕緣；②有效的保護(hù)了需要特殊保護(hù)設(shè)備—開關(guān)；

⑵規(guī)定需裝設(shè)Ⅱ級(jí)試驗(yàn)的SPD。這里考慮到了此處裝設(shè)的SPD與上游SPD之間的能量配合問(wèn)題，⑴、⑵在GB50057-2010第4.5.4條條文說(shuō)明第三款有詳細(xì)說(shuō)明，⑵與規(guī)范6.4.5條第三款相呼應(yīng)；

⑶其電壓保護(hù)水平不應(yīng)大于2.5kV。查設(shè)備絕緣耐沖擊電壓額定值表6.4.4，太陽(yáng)能熱水器耐沖擊電壓類別屬Ⅱ類，此處安裝SPD，電壓保護(hù)水平不應(yīng)大于2.5kV。根據(jù)規(guī)范第6.4.6條條文說(shuō)明，工程中應(yīng)選用有較小Up值的SPD。為使Up足夠小，應(yīng)采用合理的接線，并盡可能縮短接線長(zhǎng)度。

⑷此處SPD的In值。規(guī)范第6.4.5條第三款規(guī)定，In值不應(yīng)小于5kA。根據(jù)規(guī)范第4.5.4條條文說(shuō)明第四款，按Ⅱ類建筑實(shí)例計(jì)算來(lái)看，In值取20kA也是可行的。

4 其他防護(hù)措施

（1）為保障太陽(yáng)能熱水器遭受的雷電過(guò)電壓、過(guò)電流能夠安全、迅速地泄放，應(yīng)當(dāng)在建筑物主體防雷裝置設(shè)計(jì)時(shí)，盡可能多地增加防雷引下線數(shù)量以降低分流系統(tǒng)，同時(shí)充分利用建筑物結(jié)構(gòu)圈梁形成等電位連接環(huán)以均衡電流分布。

（2）豎向管道應(yīng)優(yōu)先從專設(shè)的管道井內(nèi)敷設(shè)，當(dāng)不可避免需要在外墻面敷設(shè)時(shí)，應(yīng)遠(yuǎn)離墻角、邊緣和顯著突出的部位。

（3）屋面安裝太陽(yáng)能熱水器，要考慮建筑物的安全荷載變化，同時(shí)對(duì)安裝的太陽(yáng)能熱水器抗風(fēng)等級(jí)評(píng)估，必要時(shí)采取加固措施。

（4）制定太陽(yáng)能熱水器系統(tǒng)安全運(yùn)行管養(yǎng)制度。在小區(qū)公共信息窗口宣傳雷電安全防護(hù)常識(shí)，提高管理、使用人員安全防范意識(shí)和自我保護(hù)能力，避免或減少雷暴活動(dòng)期間使用太陽(yáng)能熱水器。

5 結(jié)語(yǔ)

太陽(yáng)能與建筑物一體化得到了快速的發(fā)展，作為關(guān)系到人民生命財(cái)產(chǎn)安全的太陽(yáng)能熱水器系統(tǒng)的防雷問(wèn)題，筆者認(rèn)為應(yīng)從外部防雷措施（裝設(shè)專用接閃器）、內(nèi)部防雷措施以及裝設(shè)能級(jí)匹配的SPD等措施相結(jié)合，依托建筑物主體防雷裝置進(jìn)行綜合防護(hù)。涉及太陽(yáng)能廠家、建筑、電氣等多個(gè)領(lǐng)域，需要建立在相關(guān)專業(yè)技術(shù)人員充分溝通、協(xié)作的基礎(chǔ)上共同解決，以降低雷擊風(fēng)險(xiǎn)。

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