太陽能熱水系統(tǒng)在建筑給排水設(shè)計(jì)中的應(yīng)用和探析

徐 靜

（蘭州工業(yè)學(xué)院，甘肅 蘭州 730050）

1 太陽能熱水系統(tǒng)在建筑給排水中的應(yīng)用要點(diǎn)

1.1 太陽能熱水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

太陽能熱水系統(tǒng)類型較多，包括水箱式、即熱式。水箱式屬于緊湊型，即熱式屬于分離型。除此之外，也包括自然循環(huán)式、強(qiáng)制循環(huán)式等多種模式?，F(xiàn)階段，在建筑給排水設(shè)計(jì)中最常使用的太陽能熱水器系統(tǒng)是直接加熱的分離式太陽能熱水系統(tǒng)。該系統(tǒng)的主要優(yōu)勢(shì)是通過水箱與集熱器之間的獨(dú)立設(shè)置，保障加熱時(shí)循環(huán)系統(tǒng)可承受壓力提升，除此之外，也減少污染外泄的可能性，使太陽能的熱能能夠提高轉(zhuǎn)換效率。對(duì)熱水系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，通常將太陽能熱水器的水箱部分設(shè)置在偏低的地面結(jié)構(gòu)處，或設(shè)置在地下室空間內(nèi)，這樣能夠減少后期損壞時(shí)維修的難度，也能避免太陽能熱水系統(tǒng)水箱對(duì)建筑立體結(jié)構(gòu)壓力過大，影響立體結(jié)構(gòu)整體使用效果。太陽能熱水系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要點(diǎn)一方面是考慮太陽能熱水系統(tǒng)與建筑給排水項(xiàng)目使用需求之間是否匹配，另一方面也要考慮太陽能熱水器的結(jié)構(gòu)是否會(huì)對(duì)建筑物造成過大壓力影響，分別從熱水系統(tǒng)與建筑物兩方面，對(duì)太陽能熱水系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)選擇。

1.2 給排水管路的設(shè)計(jì)

管路設(shè)計(jì)部分是太陽能熱水系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)最關(guān)鍵的部分，需要采取科學(xué)措施，保持冷水與熱水系統(tǒng)之間的壓力處于平衡狀態(tài)，要將冷水管與熱水管的壓力差控制在0.02 MPa以內(nèi)，對(duì)太陽能熱水系統(tǒng)所有管路進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，都要采取有效的保溫處理，這樣才能保證太陽能熱水系統(tǒng)的供水溫度達(dá)到預(yù)期標(biāo)準(zhǔn)，避免熱水溫度散失后，影響整體供水質(zhì)量，如果太陽能熱水系統(tǒng)部分管道處于室外，需要采取相應(yīng)的防凍處理方法，在冬季氣溫過低時(shí)，如果管道內(nèi)部的水結(jié)冰，容易出現(xiàn)管道凍裂的情況。因此，要對(duì)管路進(jìn)行合理布置，在管道方向安排中盡可能減少室外管線數(shù)量，室內(nèi)水平管線的設(shè)置要保持隱蔽。除此之外，在管路設(shè)置中也要考慮后期故障維修是否方便進(jìn)行，采取相應(yīng)的保護(hù)措施后，便于維修工作開展。隱秘部分管線工程施工中，不能留有管線的接頭處，要將管線的接頭處設(shè)置在明顯區(qū)域，這樣后期防護(hù)以及維修工作開展才更方便進(jìn)行?？梢赃x擇橡塑作為保溫材料，不僅保溫效果好，并且在使用中不用擔(dān)心由于生銹而影響到整體排水管路系統(tǒng)的安全性。

1.3 太陽能熱水系統(tǒng)控制方式

在建筑給排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)中應(yīng)用太陽能熱水系統(tǒng)，要根據(jù)太陽能熱水系統(tǒng)自身的占地尺寸預(yù)留出足夠的建筑空間，這樣才能確保施工中各類設(shè)備能夠順利安裝。更要結(jié)合功能需求以及實(shí)際情況，設(shè)置輔助性的熱源裝置，這樣才能保障太陽能熱水系統(tǒng)不受外界天氣環(huán)境變化影響，始終能夠正常穩(wěn)定地運(yùn)行。通常情況下，將輔助性的熱源裝置安裝在太陽能熱水器的水箱周邊，這樣后期輔助性熱源裝置，一旦出現(xiàn)故障，也更方便維護(hù)、維修。同時(shí)也要根據(jù)實(shí)際情況對(duì)輔助性熱源的安裝數(shù)量、啟動(dòng)方式進(jìn)行合理控制，通常采用定時(shí)啟動(dòng)的設(shè)計(jì)方式，在夜間，太陽能熱水器不能捕捉到足夠的太陽能，需要輔助熱源裝置幫助維持熱量。采用定時(shí)啟動(dòng)的控制方式，不僅能夠達(dá)到最理想的加熱狀態(tài)，也能節(jié)省系統(tǒng)使用。除此之外，在控制方式設(shè)計(jì)選擇中，還需要對(duì)電磁閥和溫度閥進(jìn)行合理設(shè)置，確保所安裝的位置安全，并且能夠達(dá)到預(yù)期使用效果。太陽能熱水系統(tǒng)控制方式選擇中，是對(duì)太陽能熱源系統(tǒng)選擇輔助性的熱源裝置，并對(duì)各控制閥啟動(dòng)開關(guān)進(jìn)行安裝設(shè)計(jì)，使太陽能熱水器能夠正常運(yùn)行，同時(shí)也利用其他輔助性的熱源裝置，保證太陽能熱水器使用中整體穩(wěn)定性提升。

2 基于應(yīng)用實(shí)例的系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)

將太陽能熱水系統(tǒng)應(yīng)用在建筑給排水設(shè)計(jì)中，選擇具體的建筑工程作為研究案例。某高層商業(yè)建筑工程的總建筑面積為6457 m2，建筑高度為65 m。由地下一層、地上十層組成，對(duì)該建筑工程的建筑給排水進(jìn)行設(shè)計(jì)中，太陽能熱水器能夠節(jié)約后期使用成本，因此擬定使用太陽能熱水系統(tǒng)。對(duì)于該工程給排水設(shè)計(jì)中太陽能熱水系統(tǒng)的具體使用方案，作出如下參數(shù)設(shè)計(jì)。

2.1 平均日熱水用水量

首先計(jì)算出該建筑工程平均日用水量情況。對(duì)于平均日用水量的計(jì)算，參照當(dāng)?shù)貧夂驕囟茸兓约案邔咏ㄖ锏南嚓P(guān)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)來進(jìn)行，保障建筑物的平均日用水量能夠滿足使用需求。經(jīng)過計(jì)算與對(duì)比，最終確定平均日用水量方案為局部熱水供應(yīng)量為每人33 L/d。對(duì)平均日熱水用量進(jìn)行計(jì)算時(shí)，輔助計(jì)算系統(tǒng)來完成。平均日熱水用水量關(guān)系到太陽能熱水系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)水箱器材的選擇。水箱容量要滿足平均日熱水用量使用需求，這樣在接下來的使用中才能保障熱水供應(yīng)達(dá)到穩(wěn)定。如果平均日用水量高于太陽能熱水系統(tǒng)的最大蓄水能力，那么在使用時(shí)，熱水用量高峰時(shí)期容易出現(xiàn)供應(yīng)不足的問題。太陽能熱水系統(tǒng)中所儲(chǔ)存的熱水需要經(jīng)過循環(huán)與冷水相結(jié)合，最終達(dá)到平均溫度后，符合日常熱水使用溫度標(biāo)準(zhǔn)，這樣才能夠向建筑主體供應(yīng)。因此，在對(duì)平均日熱水用量進(jìn)行計(jì)算時(shí)，與地區(qū)的氣候溫度相結(jié)合，在氣候溫度較低的地區(qū)，平均日熱水用量相對(duì)較高。

2.2 冷熱水溫度取值

對(duì)于冷水、熱水溫度取值的計(jì)算，是根據(jù)建筑物所在地區(qū)全年的平均溫度來進(jìn)行。文章所列舉的建筑案例所在地區(qū)年平均冷水溫度為15～20 ℃攝氏度之間。因此，在對(duì)冷水溫度進(jìn)行取值時(shí)，初始水溫度取值為15 ℃，對(duì)熱水溫度進(jìn)行取值時(shí)，全年四季保持在45～55 ℃，便能滿足使用需求。冷水、熱水溫度取值計(jì)算結(jié)果得出后，對(duì)太陽能熱水系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置時(shí)，可以按照這一溫度取值標(biāo)準(zhǔn)來完成。冷水、熱水溫度隨著室外環(huán)境變化，會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)，因此在取值時(shí)要考慮季節(jié)溫度變化對(duì)水溫的影響。在秋冬季一些室外溫度比較低的時(shí)候，冷水溫度通常在20 ℃以下。此時(shí)，需要將熱水溫度控制在55 ℃以上，這樣才能夠滿足整體使用。夏季室外溫度較高，冷水平均溫度達(dá)到20 ℃，此時(shí)熱水溫度可以保持在45～50 ℃之間，這樣整體太陽能熱水系統(tǒng)的水源供應(yīng)才能平穩(wěn)。

2.3 太陽能保障率

太陽能保障率，也就是太陽能板的轉(zhuǎn)換效率。計(jì)算公式為：太陽能板得轉(zhuǎn)換效率=[太陽能板的功率(瓦)/太陽能板的面積(mm2)]*1000，太陽能熱水系統(tǒng)在使用中，隨著太陽能電池板使用壽命延長(zhǎng)，所輸出的功率也會(huì)慢慢衰減，太陽能板的轉(zhuǎn)換率也會(huì)逐漸降低。太陽能熱水系統(tǒng)的太陽能保障率是由太陽能部分提供的能量占系統(tǒng)總負(fù)荷百分比率所得出。太陽能保障率的大小與取值，是受建筑物太陽能熱水系統(tǒng)使用中太陽輻照氣候條件、系統(tǒng)投資回收期等經(jīng)濟(jì)性參數(shù)，以及用戶要求所影響的。如果太陽能熱水系統(tǒng)的太陽能保障率取值過低，會(huì)影響到太陽能熱水系統(tǒng)所發(fā)揮的調(diào)節(jié)作用。因此，對(duì)于太陽能板的轉(zhuǎn)換率要長(zhǎng)時(shí)間記錄，更要考慮平均情況，根據(jù)建筑給排水項(xiàng)目的使用需求，計(jì)算得出太陽能熱水系統(tǒng)的太陽能板更換時(shí)間，及時(shí)維修養(yǎng)護(hù)，確保太陽能板在轉(zhuǎn)換效率方面能夠滿足使用。在對(duì)太陽能熱水系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，關(guān)于太陽能保障率的設(shè)計(jì)采用熱管真空管方案來進(jìn)行。當(dāng)建筑所在地區(qū)的平均冷水溫度為20 ℃時(shí)，進(jìn)水溫度達(dá)到20 ℃，出水溫度達(dá)到70 ℃，此時(shí)經(jīng)過計(jì)算可以得到太陽能保障率，太陽能保障率為1249 kw·h（m2·a），根據(jù)該地區(qū)的平均陽光照射情況，陽光等級(jí)為C級(jí)別。

2.4 水箱容積

太陽能熱水系統(tǒng)水箱容積是設(shè)計(jì)最關(guān)鍵的部分，為是否能夠滿足建筑物給排水系統(tǒng)最大熱水的使用，尤其是對(duì)建筑物高峰用水量的設(shè)計(jì)。在實(shí)際水箱容積計(jì)算設(shè)計(jì)時(shí)，還要結(jié)合工程投資依據(jù)來進(jìn)行，確保在合理經(jīng)濟(jì)范圍內(nèi)能夠滿足高峰用水量需求。該文所設(shè)計(jì)的太陽能熱水系統(tǒng)，由于所選擇的建筑案例中人員密度程度比較大，管線分布也相對(duì)比較復(fù)雜，除此之外，還要考慮高峰用水時(shí)期最大熱水使用量的需求。為避免水箱容積設(shè)計(jì)計(jì)算出的結(jié)果在實(shí)際使用時(shí)不能滿足需求，選取設(shè)計(jì)值時(shí)，按照最大用水量的1.4倍進(jìn)行計(jì)算，這樣的水箱容積能夠滿足高峰用水使用需求。1.4倍的水箱容積計(jì)算結(jié)果，在實(shí)際太陽能熱水系統(tǒng)使用時(shí)，如果高峰用水量提升，也不會(huì)導(dǎo)致熱水供應(yīng)不足。水箱容積是太陽能熱水系統(tǒng)設(shè)計(jì)中最為關(guān)鍵的部分。如果太陽能熱水系統(tǒng)在建筑主體中的管線排布存在不合理的部分，通過后期維修優(yōu)化也能及時(shí)處理。但如果水箱容積選擇不足，后續(xù)使用時(shí)將會(huì)導(dǎo)致太陽能熱水系統(tǒng)的整體使用效率下降，后期維修更換也十分麻煩。因此對(duì)于水箱容積的計(jì)算，要保證各類數(shù)值取值準(zhǔn)確，反復(fù)對(duì)比實(shí)際參數(shù)，達(dá)到最符合實(shí)際使用需求的水箱容積計(jì)算結(jié)果。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

太陽能熱水系統(tǒng)應(yīng)用在建筑給排水中，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，要嚴(yán)格按照太陽能熱水系統(tǒng)的安裝順序以及功能重要程度進(jìn)行設(shè)計(jì)，避免在結(jié)構(gòu)方面出現(xiàn)缺陷。首先，對(duì)太陽能熱水系統(tǒng)的進(jìn)水部分進(jìn)行設(shè)計(jì)，根據(jù)前期所計(jì)算得到的參數(shù)結(jié)果，選擇單向閥門方案。在閥門方案選擇時(shí)，要與建筑物主體的高度以及太陽能熱水系統(tǒng)布置、水壓等實(shí)際情況相結(jié)合，保障單向閥門與管線之間的連接緊密，所在位置合理，避免將單向閥門設(shè)置在隱秘部分。這樣如果后續(xù)出現(xiàn)結(jié)構(gòu)故障問題，維修難度將會(huì)增大。其次是，對(duì)太陽能熱水系統(tǒng)的加熱部分進(jìn)行設(shè)計(jì)，也就是水箱性能選擇以及太陽能板的選擇，太陽能板的功率要滿足熱水容量需求，要重點(diǎn)考慮水箱的性能，對(duì)太陽能真空管的加熱方式進(jìn)行合理布置，根據(jù)太陽能加熱板使用中的損耗情況計(jì)算出平均更新年限。最后針對(duì)太陽能熱水系統(tǒng)的供水端進(jìn)行設(shè)計(jì)，供水端是冷熱水管整體方案設(shè)計(jì)中的最終階段，在管道設(shè)計(jì)中要保障獨(dú)立密封。當(dāng)水箱高度升高時(shí)，由于內(nèi)部水壓較大，重力勢(shì)能會(huì)增大。

3.2 定溫循環(huán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

對(duì)建筑物太陽能熱水系統(tǒng)的定溫循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，重點(diǎn)針對(duì)進(jìn)水部分來進(jìn)行，提高水管與水箱之間的連接緊密程度。尤其是針對(duì)差額補(bǔ)水要重點(diǎn)設(shè)計(jì)，確保冷熱水箱內(nèi)所存儲(chǔ)的水能夠均勻混合，這樣才能確保溫度循環(huán)分布均勻。對(duì)于太陽能熱水系統(tǒng)的定溫循環(huán)系統(tǒng)，在設(shè)計(jì)時(shí)采用循環(huán)加熱方式來進(jìn)行，水源能夠在外力條件下持續(xù)流動(dòng)循環(huán)，這樣能夠達(dá)到良好的保溫效果，也能使冷水、熱水混合后的溫度均勻分布，滿足熱水供應(yīng)需求。定溫循環(huán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，重點(diǎn)強(qiáng)化水源在外力條件下的流動(dòng)能力，以及水管與水箱之間的連接線。

3.3 集熱器排列設(shè)計(jì)

針對(duì)集熱器排列方式進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，該文所選擇的建筑案例所在地區(qū)年平均溫度為16.7 ℃，最高溫度可達(dá)到39 ℃，最低溫度為-3 ℃，年平均太陽輻照量為12.613 MJ/m2。由于建筑案例屬于高層商業(yè)建筑，因此太陽能應(yīng)用效率要求較高，在針對(duì)集熱器排列進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，考慮高層商業(yè)建筑自身需求，選擇最新型的復(fù)合拋物面聚光集熱器。見圖1。

該種集熱器的優(yōu)勢(shì)在于占地面積比較小，并且能夠在有限建筑面積基礎(chǔ)上，最大程度擴(kuò)大聚光集熱范圍，能夠?qū)⒐饽懿杉蟾玫剞D(zhuǎn)化為熱能。在排列設(shè)計(jì)時(shí)，采用圖1的排列分布方式來進(jìn)行橫向延長(zhǎng)，縱向排列設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)建筑物可供利用的面積，合理設(shè)計(jì)總行數(shù)。這種排列設(shè)計(jì)方式不會(huì)影響到本身，使每一個(gè)復(fù)合拋物面聚光集熱器都能在陽光照射下運(yùn)轉(zhuǎn)工作。不會(huì)由于排列設(shè)計(jì)方式不合理，導(dǎo)致集熱器出現(xiàn)前后遮擋從而產(chǎn)生陰影的情況。

圖1 復(fù)合拋物面聚光集熱器

4 結(jié)語

在現(xiàn)代建筑中，給排水系統(tǒng)承擔(dān)著重要的角色，也是建筑物整體中耗能較高的部分。給排水系統(tǒng)的能耗水平以及環(huán)保指數(shù)，直接決定著建筑整體的能耗情況，也是綠色建筑設(shè)計(jì)中重點(diǎn)關(guān)注的部分。將太陽能熱水系統(tǒng)與建筑給排水系統(tǒng)相結(jié)合，替代傳統(tǒng)熱水系統(tǒng)，使建筑給排水系統(tǒng)的整體能源消耗得到明顯控制。經(jīng)過實(shí)際案例分析結(jié)果顯示，太陽能熱水系統(tǒng)具有明顯的能源節(jié)約效果，并且運(yùn)用太陽能熱水系統(tǒng)，能夠滿足建筑物使用中的熱水供應(yīng)需求。未來，太陽能熱水系統(tǒng)將成為建筑給排水設(shè)計(jì)中的主體，全面替代傳統(tǒng)熱水系統(tǒng)，使建筑物整體設(shè)計(jì)更加科學(xué)合理。