北京某住宅太陽能集中集熱—分戶儲熱系統(tǒng)設計實例

鄭亞娟 李向軍

【摘要】本文介紹住宅太陽能集中集熱-分戶儲熱熱水系統(tǒng)的應用，結合工程實例，簡要介紹了住宅太陽能熱水系統(tǒng)的集熱器選型、布置 、系統(tǒng)設置等，供設計人員參考。

【關鍵詞】太陽能熱水；集中集熱-分戶儲熱；住宅；燃氣熱水器

隨著經(jīng)濟社會快速發(fā)展，能源需求量不斷增加，能源已經(jīng)成為影響各地經(jīng)濟社會發(fā)展的主要因素之一，常規(guī)能源日趨緊張，而太陽能是最完美的能源替代方案，太陽能是一種潔凈的自然再生能源，取之不盡，用之不竭，而且太陽能是所有國家和個人都能夠分享的能源，研究太陽能利用與建筑的“一體化設計”已成為當前建筑節(jié)能的一個重要課題。

北京市太陽能熱水系統(tǒng)城鎮(zhèn)建設應用管理辦法【2012】3號文件指出，新建建筑的太陽能熱水系統(tǒng)應當按照國家和北京市有關標準規(guī)范，進行太陽能熱水系統(tǒng)與建筑一體化設計，做到建筑物外觀協(xié)調、整齊有序，并實行與建筑主體同步規(guī)劃設計、同步施工安裝、同步驗收交用。城鎮(zhèn)公共建筑和7至12層的居住建筑，應設置集中式太陽能集熱系統(tǒng)，13層以上的居住建筑，當屋面能夠設置太陽能集熱器的有效面積大于或等于按太陽能保證率為50%計算的集熱器總面積時，應設置集中式太陽能集熱系統(tǒng)。

近幾年關于太陽能的應用也接觸了不少，下面就以工程為實例，就住宅屋面集中集熱、分戶貯熱太陽能熱水系統(tǒng)設計及計算做一次專項介紹。

1.工程概況

本工程為北京朝陽區(qū)來廣營某住宅項目，地下2層，地上7層，分兩個單元，共28戶，按北京市現(xiàn)行規(guī)范要求設置太陽能熱水系統(tǒng)，采用集中集熱、分戶貯熱太陽能熱水系統(tǒng)，太陽能熱水機房設置在地下一層。

2.太陽能熱水系統(tǒng)設計

2.1太陽能熱水系統(tǒng)形式的比較

目前太陽能熱水系統(tǒng)主要系統(tǒng)形式分為：分散系統(tǒng)、集中系統(tǒng)、集中-分散系統(tǒng)。其中分散系統(tǒng)指各戶分散集熱、貯熱、輔助加熱的系統(tǒng)；集中系統(tǒng)指集中集熱、集中貯熱、集中輔助加熱的系統(tǒng)；集中-分散系統(tǒng)指集中集熱、集中或分散貯熱、分散輔熱的系統(tǒng)。各系統(tǒng)在《居住建筑節(jié)能設計標準》配套圖集 PT-891中已有詳細的介紹。三類系統(tǒng)相對比集中-分散系統(tǒng)對建筑外形的影響、系統(tǒng)的運行維護、計費管理上都更具優(yōu)越性，因此越來越廣泛地采用于住宅建筑。

2.2集中集熱、分戶儲熱系統(tǒng)的設計

本工程住宅太陽能采用集中集熱-分戶儲熱太陽能熱水系統(tǒng)，太陽集熱板集中設于屋頂，集熱系統(tǒng)采用強制循環(huán)，間接加熱方式加熱。一般太陽能機房都設置在屋頂，本工程由于地上面積有限，樓梯間限高原因，應甲方要求，太陽能機房設置在地下一層，集熱熱水短時間存儲在地下一層設備間的緩沖水箱內，達到設定溫度后通過水泵和室內管路循環(huán)換熱，把熱量分戶儲存到每家每戶的換熱水箱內，每家設置一臺臥式換熱水箱（內置換熱盤管），戶內換熱水箱的出水管連接到燃氣熱水器進水管，使用燃氣熱水器作為輔助熱源。按照設定，系統(tǒng)只要有足夠熱量就將熱量儲存到各家各戶的水箱中，當太陽能資源不足或陰雨天氣時，換熱水箱中的水溫不足，低溫水在通過燃氣熱水器時自動被加熱至設定溫度，以保證舒適的熱水使用，該系統(tǒng)由太陽能集熱器、換熱水箱、落水水箱、熱水供回水管道、循環(huán)泵組和必要的控制設備等組成，集中集熱系統(tǒng)采用溫差循環(huán)模式控制，控制儀表采用溫差循環(huán)和定溫循環(huán)雙重模式控制，控制儀表采用PLC太陽能熱水系統(tǒng)智能編程控制器。

各住戶使用自家水箱里的熱水和輔助能源，不存在收費問題；不受樓層高低限制，并可以實現(xiàn)太陽能熱能資源共享；運行過程中，用戶無須支付太陽能產(chǎn)生的熱量的費用，只需支付少量熱媒循環(huán)所需的費用；集熱器集中放置在屋面位置，采光好，建筑平面布局相對靈活，各戶貯水箱放置在各戶室內的廚房，靠近樓梯間管井，戶內水箱承壓運行并結合燃氣熱水器輔助加熱，熱水與冷水同源同壓供水，易于平衡；只有一個系統(tǒng)，運行可靠，上樓維修率低，樓面太陽能可由物業(yè)負責維護管理，能夠更有效地保證系統(tǒng)長期運行穩(wěn)定，可以根據(jù)樓面建筑情況靈活布局，最容易實現(xiàn)與建筑物相協(xié)調，屋頂集熱熱水管道。

系統(tǒng)為方便使用和安全可靠，采用承壓型儲熱水箱，并由戶內燃氣熱水器輔助加熱。因此水箱+燃氣熱水成本高，從而造成系統(tǒng)成本較高，輔能源單一，另一方面，燃氣熱水器做為輔助熱源更多的適用于中低端住宅樓，燃氣熱水器水溫升25℃時，熱水器每分鐘產(chǎn)熱水量12L/min左右，不適合衛(wèi)生間較多，用水量大的高級住宅。

3.工程相關計算及設備選型

3.1當?shù)貧庀?、地理條件

北京地理位置：東經(jīng)116°20′、北緯39°56′之間。

當?shù)啬晏柲茌椪樟浚核矫?178.754MJ/m2，當?shù)鼐暥葍A角表面5844.4MJ/m2。根據(jù)民用建筑太陽能熱水系統(tǒng)工程手冊可得知北京地區(qū)同緯度太陽能月平均日輻照量為表1所示。

3.2集熱器總面積計算（表中規(guī)范均指《建筑給水排水設計規(guī)范》GB50015-2003（2009年版），見表2）

由于系統(tǒng)有換熱，為間接系統(tǒng)，所以集熱器面積需要按下表進行修正（見表3）。

3.3集熱器確定

本工程最終選用熱管型集熱器，通過計算間接系統(tǒng)采用集熱器規(guī)格C4-SD8×16L，4.33m2/組，每組集熱器16支Ф100mm×2000mm熱管真空管組成，本樓28戶需要安裝17組73.61m2，滿足表3計算要求。

太陽能集熱器與建筑同方位，吸熱翅片朝向正南，保障周邊無附屬建筑物的遮擋，為了最大限度的吸收太陽能輻射，根據(jù)當?shù)鼐暥扰c項目的實際情況，集熱器外觀安裝角度為0度，即水平安裝，真空管內的吸熱翅片調整為40度，保證吸熱效率不受影響。

3.4循環(huán)流量及集熱循環(huán)水泵選擇

集熱循環(huán)流量按照集熱面積流量確定，每平米集熱器面積按0.012L計算，水泵流量70L/min；集熱系統(tǒng)采用同程連接，集熱器水泵揚程，考慮集熱器頂與貯熱水箱最低水位之間的幾何高差（本工程太陽能熱水機房設于地下一層）、沿程及局部阻力損失、計算得0.35MPa（計算過程略）；機房內設置緩沖水箱。

3.5燃氣熱水器及儲熱水箱的選取

輔助熱源采用家用燃氣熱水器，電能直接作為輔助熱源已不符合節(jié)能標準規(guī)定，故分散輔助加熱優(yōu)先選用燃氣熱水器，選取的燃氣熱水器帶有保證使用安全的裝置。而目前家太燃氣熱水器每分鐘的產(chǎn)水量約12L左右，不適用于戶內設有浴盆的用水量大的系統(tǒng)。每戶廚房設一臺100升換熱水箱，換熱水箱需要的真空熱管集熱器面積為1.362m2，表3集熱器面積滿足要求。

4.太陽能系統(tǒng)功能說明

4.1太陽能熱水系統(tǒng)原理（示意圖如下）

4.2溫差強制循環(huán)加熱

太陽能熱水系統(tǒng)采用溫差強制循環(huán)方式運行。溫度傳感器將集熱器出口溫度T1、緩沖水箱溫度T2傳遞給控制器。當T1-T2>溫差循環(huán)啟動值時，控制器發(fā)出控制信號，啟動太陽能循環(huán)泵，系統(tǒng)開始循環(huán)，不斷地將集熱器吸收的熱量置換到緩沖水箱中，隨著緩沖水箱內熱水溫度不斷提高，T1與T2之間溫差越來越小，直至T1-T2<溫差循環(huán)停止值時，控制器關閉太陽能循環(huán)水泵。

4.3戶側熱水系統(tǒng)

用戶側熱水循環(huán)泵是定溫循環(huán)。當緩沖水箱溫度T3≥60℃時，用戶側熱水循環(huán)泵開始運行，當緩沖水箱溫度T3≤55℃，P2停止。運行溫度設定值可調。

4.4太陽能系統(tǒng)補水

太陽能熱水系統(tǒng)水中的循環(huán)介質水作為熱媒使用，并沒有使用消耗，所以減少量很少，減少的量基本上都是由于蒸發(fā)引起的。其補充水量通過水箱上面安裝的電磁閥來實現(xiàn)，當緩沖水箱中的水位下降到某一高度時電磁閥開啟給系統(tǒng)補水，當水位達到設定水位時，電磁閥關閉，停止給系統(tǒng)補水。補水管設水表及倒流防止器。

4.5太陽能系統(tǒng)防凍

系統(tǒng)防凍：本太陽能熱水系統(tǒng)采用回流防凍的方式防凍（要求集熱器的最低位置高于水箱的最高位置，同時集熱器和管路要有不小于1%的坡度，坡向水箱，有利于排空），另一個方案屋面供水換熱管路防凍采用電伴熱帶防凍，也就是在屋面供水換熱管路上設置管路溫度傳感器以及纏繞電伴熱帶，當屋面管路溫度低于設定的啟動溫度時，電熱帶通電加熱，防止管路凍結，直到屋面管路溫度高于設定的停止溫度時，電伴熱帶斷電，以此保護屋面供水換熱管路不在冬季發(fā)生凍結。

4.6太陽能系統(tǒng)過熱保護

過熱保護主要是指水箱過熱保護。在天氣情況很好的情況下，很容易就能夠加熱出足量熱水，若此時分戶水箱中的熱水均達到使用溫度時，水箱中的水還會通過強制循環(huán)加熱持續(xù)升溫，考慮水箱的安全使用和用水不至于過熱等因素，我們設定水箱高溫保護。

4.7系統(tǒng)水泵運行保護

控制器對太陽能系統(tǒng)中的水泵均有低水位保護功能，即當水箱中的水位低于最低水位時，控制器關閉水泵運行，防止水泵干抽。由于太陽能循環(huán)系統(tǒng)中的水未被用戶直接利用，因此損失的水量也不至于達到最低水位，但為了系統(tǒng)的安全可靠，需要設置水泵的保護措施。

5.結論

目前集中集熱-分戶儲熱太陽能是在住宅中常用的熱水系統(tǒng)，筆者結合實例就是將太陽能熱水系統(tǒng)所包含的集熱器、儲熱裝置、循環(huán)泵、輔助加熱設備以及管路等，與建筑充分結合并實現(xiàn)整體外觀的和諧統(tǒng)一，而集中集熱、分戶儲熱系統(tǒng)還可以減少分攤費用，便于物業(yè)管理，在住宅設計中已成為主流的太陽能熱水解決方案。

參考文獻

[1]《建筑給水排水設計規(guī)范》 （GB50015-2003）（2009年版）.中國計劃出版社2010

[2]《居住建筑節(jié)能設計標準》配套圖集PT-891.北京市規(guī)劃委員會

[3]《綠色建筑評價標準》GB/T 50378-2006.中國計劃出版社2006

[3] 鄭瑞澄.民用建筑太陽能熱水系統(tǒng)工程技術手冊.北京：化學工業(yè)出版社，2006.2

（作者單位：北京冠亞偉業(yè)民用建筑設計有限公司）

【中圖分類號】TU111.45

【文獻標識碼】B

【文章編號】1671-3362（2018）10-0048-03