分析住宅建筑中的太陽能熱水系統(tǒng)

陳秋芳　申青峰

摘 要：目前國(guó)內(nèi)的太陽能技術(shù)大部分是被動(dòng)式太陽能技術(shù)（即太陽能是房屋建筑交付使用以后才由住戶安裝），建筑功能比較單一，技術(shù)簡(jiǎn)單，推廣力度不大。對(duì)于新建平屋面住宅，綜合考慮建筑、結(jié)構(gòu)、安全、維修、經(jīng)濟(jì)、使用等各方面，最理想的系統(tǒng)是屋面構(gòu)架式太陽能集中-分散供熱系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：太陽能熱水系統(tǒng)；住宅；原理；設(shè)計(jì)；屋面構(gòu)架

中國(guó)是世界上最大的發(fā)展中國(guó)家，面臨著發(fā)展經(jīng)濟(jì)、改善民生、全面建設(shè)小康社會(huì)的艱巨任務(wù)。維護(hù)能源資源長(zhǎng)期穩(wěn)定可持續(xù)利用，是中國(guó)政府的一項(xiàng)重要戰(zhàn)略任務(wù)。加大太陽能熱水器普及力度，鼓勵(lì)太陽能集中供熱水、太陽能采暖和制冷等，是大力發(fā)展新能源和可再生能源的重要內(nèi)容。我國(guó)具有太陽能利用的良好條件，年日照時(shí)間大于2200h的地區(qū)約占全國(guó)總面積的70%。住宅是我國(guó)建設(shè)量最大的建筑類型，2012年，全國(guó)施工住宅面積43億m2，住宅竣工面積7.9億m2，如何在住宅建筑中更好地利用太陽能，是需要解決的迫切問題，其中的焦點(diǎn)在于太陽能熱水系統(tǒng)和建筑的結(jié)合方式。

1 太陽能熱水系統(tǒng)的分類

1.1 按運(yùn)行方式分類

1.1.1 自然循環(huán)系統(tǒng)。利用傳熱工質(zhì)內(nèi)部的溫度梯度產(chǎn)生的密度差所形成的自然對(duì)流進(jìn)行循環(huán)的太陽能熱水系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，為了保證必要的熱虹吸壓頭，儲(chǔ)水箱應(yīng)高于集熱器上部。這種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不需附加動(dòng)力。

1.1.2 直流式系統(tǒng)。傳熱工質(zhì)一次流過集熱器加熱后便進(jìn)入儲(chǔ)水箱或用熱水處的非循環(huán)太陽能熱水系統(tǒng)。儲(chǔ)水箱的作用僅為儲(chǔ)存集熱器所排放的熱水。該系統(tǒng)一般可采用非電控溫控閥控制方式及溫控器控制方式。

1.1.3 強(qiáng)迫循環(huán)系統(tǒng)。利用機(jī)械設(shè)備等外部動(dòng)力迫使傳熱工質(zhì)通過集熱器（或換熱器）進(jìn)行循環(huán)的太陽能熱水系統(tǒng)。該系統(tǒng)通常采用溫差控制、光電控制、定時(shí)器控制等方式。

1.2 按有無換熱器分類

按有無換熱器可分為直接系統(tǒng)和間接系統(tǒng)。直接系統(tǒng)在集熱器中直接加熱供水，間接系統(tǒng)利用換熱器間接加熱供水。

2 應(yīng)用現(xiàn)狀

對(duì)于太陽能熱水系統(tǒng)，住宅中的應(yīng)用主要有如下幾種情況：（1）新建小區(qū)，如果是別墅區(qū)，由于整棟建筑屬于一個(gè)業(yè)主，所以物業(yè)公司基本不會(huì)干涉；如果是非別墅，由于設(shè)計(jì)階段沒有考慮到熱水系統(tǒng)的安裝位置，物業(yè)公司一般會(huì)以影響景觀和其他用戶為由禁止安裝。（2）早期的小區(qū)，由于歷史遺留問題，物業(yè)公司不是很正規(guī)，管理跟不上，小區(qū)的業(yè)主自主安裝太陽能熱水系統(tǒng)，這種熱水系統(tǒng)安裝位置、樣式、品牌、大小、顏色等都不盡相同，會(huì)對(duì)小區(qū)的景觀及建筑結(jié)構(gòu)安全造成隱患。（3）較少的綠色建筑小區(qū)在建設(shè)時(shí)考慮熱水系統(tǒng)的安裝，主要采用整體式熱水器，但也基本沒有考慮與建筑的結(jié)合，僅是排放整齊，而且是由業(yè)主個(gè)人使用管理。

3 工程實(shí)例

3.1 概況

某住宅工程，總用地面積153595m2，總建筑面積153600m2，分別由11層、16層、18層和20層的小高層和高層組成，總戶數(shù)為2424戶，設(shè)計(jì)居住人口7757人。

3.2 方案選擇

在建筑方案設(shè)計(jì)階段，業(yè)主就提出需進(jìn)行太陽能設(shè)計(jì)。由于屋頂是平屋面，樓梯間是突出屋面，考慮到建筑造型，需要在屋面做一些構(gòu)架以打破平直的輪廓線，因此，決定把屋面構(gòu)架和太陽能集熱系統(tǒng)結(jié)合起來。

經(jīng)過方案論證和比選，因集中-分散供熱水系統(tǒng)兼具集中系統(tǒng)和分散系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，決定采用。集中-分散系統(tǒng)也稱作“集中集熱-分戶換熱”系統(tǒng)，太陽能集熱器集中安裝在屋面上，集熱器收集太陽能，通過太陽能水泵將熱量?jī)?chǔ)存在太陽能水箱內(nèi)，每個(gè)用戶安裝1臺(tái)換熱水箱，通過一次水循環(huán)水泵將每戶水箱中的水加熱，用戶換熱水箱內(nèi)置電加熱裝置，如果太陽能熱量不足，用戶可以單獨(dú)啟動(dòng)輔助加熱。

集熱器采用熱管真空型集熱器，室內(nèi)換熱水箱采用搪瓷內(nèi)膽換熱水箱，配有1.5kW電輔助加熱。

3.3 屋面構(gòu)架太陽能集中-分散供熱系統(tǒng)原理

3.3.1 加熱控制。在工廠內(nèi)預(yù)制好集成管線、集熱管等組成的集熱器模塊，太陽能通過集熱管中的介質(zhì)傳遞到水箱中和水進(jìn)行熱交換，這種系統(tǒng)不怕凍，不會(huì)造成真空管結(jié)垢、炸管，能承壓運(yùn)行，即使有真空管損壞的狀況，系統(tǒng)仍能正常運(yùn)行。

集熱器安裝在屋面架空鋼筋混凝土構(gòu)架上，可以設(shè)計(jì)成水平或者傾斜，細(xì)長(zhǎng)密集的集熱管作為里面的小構(gòu)架，形成屋頂?shù)恼陉枠?gòu)架，使原來單一的屋面鋼筋混凝土構(gòu)架多樣化，美化屋面裝飾。

3.3.2 儲(chǔ)水箱的設(shè)置。每個(gè)單元于出屋面的樓電梯間上面設(shè)置一個(gè)獨(dú)立的水箱，集熱器與水箱間的距離較短，熱量損失較少。

3.3.3 用戶水箱加熱控制。當(dāng)太陽能充足時(shí)，通過檢測(cè)儲(chǔ)水箱中水溫和用戶末端的溫度差來控制一次熱水循環(huán)換熱泵的啟動(dòng)和停止，通過換熱形式來加熱用戶水箱內(nèi)的水；當(dāng)太陽能不足時(shí)，每戶的儲(chǔ)熱水箱中都配有一個(gè)1.5kW的水電隔離的電加熱，用戶可以自行開啟電加熱加熱水。

4 屋面構(gòu)架式太陽能集中-分散供熱系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

對(duì)于新建住宅來說，屋面構(gòu)架式太陽能集中-分散供熱系統(tǒng)是最完美的。首先它具有集中-分散供熱系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，而且由于是新建建筑，可以統(tǒng)一考慮太陽能與建筑的結(jié)合，造型可以靈活多變，達(dá)到功能和造型的協(xié)調(diào)一致，減低造價(jià)；構(gòu)架內(nèi)不僅可以安裝集熱器也可以安裝光電板改變?yōu)楣怆娹D(zhuǎn)換，集熱器可以隨時(shí)更換；相比安裝在外墻和陽臺(tái)上的集熱器，安裝在屋頂構(gòu)架上更安全，施工和維修更方便；安裝在構(gòu)架上，不會(huì)對(duì)屋面的結(jié)構(gòu)、防水和保溫造成影響；也不會(huì)影響屋頂空間的使用，下面仍然可以作為居民的活動(dòng)場(chǎng)所和消防通道，而且成為遮陽構(gòu)件，加強(qiáng)屋面的隔熱功能。

5 結(jié)語

中國(guó)具有豐富的太陽能資源，開發(fā)利用太陽能，對(duì)于節(jié)約傳統(tǒng)能源、保護(hù)環(huán)境具有十分重要的意義。國(guó)家鼓勵(lì)單位和個(gè)人安裝并使用太陽能熱水系統(tǒng)。目前，我國(guó)太陽能熱水器的年產(chǎn)量和總保有量均居世界首位。結(jié)合實(shí)際案例，對(duì)住宅建筑中太陽能熱水系統(tǒng)的各種應(yīng)用形式進(jìn)行對(duì)比，重點(diǎn)介紹屋面構(gòu)架太陽能集中—分散供熱系統(tǒng)的原理及設(shè)計(jì)計(jì)算過程。把太陽能系統(tǒng)和屋面構(gòu)架結(jié)合在一起進(jìn)行設(shè)計(jì)施工，既能最大限度地利用太陽能，又能保證建筑的安全、使用功能和美觀，是建筑和太陽能的完美結(jié)合。

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