住宅建筑太阳能热水系统设计

住宅建筑太阳能热水系统设计探讨
摘要：太阳能作为一种可再生的绿色环保能源正逐渐进入各家各户。

近年来，太阳能热水系统就普遍应用于住宅建筑当中。

本文就结合两个住宅建筑工程实例，根据具体项目特点，热水系统选择合适的系统形式，并分别对太阳能热水系统设计思路进行了介绍。

关键词：太阳能热水系统；集中集热-分户储热；阳台壁挂；设计
太阳能是一种取之不尽、用之不竭的绿色环保能源，目前世界各种正在积极推广使用。

据统计，在住宅建筑中，生活热水的制取所耗费的能源是除采暖、空调外的第二大耗能，采用太阳能作为热源供应生活热水是一项有效的节能措施。

目前，我国各地纷纷出台建筑节能办法，其中就包括积极推进太阳能热水系统在住宅建筑中的应用。

本文主要介绍住宅建筑中比较常用的太阳能热水系统形式的设计思路。

1 系统选择
太阳能热水系统根据建筑条件采用2种方式。

某住宅小区每户住宅设置独立的太阳能热水系统，在阳台外侧设置太阳能集热板，在阳台内设置闭式热水罐，太阳能集热板与热水罐之间采用自然循环，热水罐设置电加热棒，电加热功率1.5kw。

太阳能集热板设置15°倾角，结构专业预留挑板，建筑立面考虑一体化设计，将集热板作为建筑立面的组成部分，做到与建筑的完美结合。

该项目由于立面造型要求，不适合在阳台设置太阳能集热板，与业主协商确定采用集中集热-分户储热太阳能热水系统；在建筑物屋面集中安装太阳能集热器，采用金属-玻璃真空管集热器，在每户卫生间内安装储热水箱，集热系统通过循环管路将热量输送到每个用户，通过储热水箱中的换热装置将每户储热水箱中的自来水加热供用户使用；储热水箱中内置电辅助加热装置，当太阳能光照不足达不到供水温度时采用电辅助加热装置加热储热水箱中的自来水保证用户使用，电加热功率1.5kw。

由于楼层较高，且每户面积较小，屋面放置的太阳能集热板无法满足全部用户热水需求，下部楼层住户拟采用分体式空气源热泵热水系统，在卫生间设置集热水箱，在室外设备平台设置空气源热泵机组。

具体设置楼层经计算确定。

2 参数计算
（1）集热面积计算
太阳能直接系统太阳能集热器采光总面积，式（1）计算：（1）
as：太阳能直接系统太阳能集热器总采光面积，（m2）
qrd：设计最大日热水用水量，（l/d），用水量标准采用40l/（人·d），每户按2人计算，最大日热水用水量为80l/d。

c：水的比热，4.187kj/（kg·℃）
ρr：热水密度，（kg/l），取1.0kg/l
tr：热水温度，（℃），取60℃
tl：水的初始温度，（℃），取10℃
jt：当地集热器采光面上的年平均日太阳能辐照量，[13316kj/（m2·d）]
f：太阳能保证率（%），取40%
η：集热器的年均效率（%），取40%
ηl：系统的热损（%），取20%
根据式（1），计算得每户太阳能直接系统太阳能集热器采光面积为1.26m2。

太阳能间接系统太阳能集热器采光总面积，按式（2）计算：（2）
an：太阳能间接系统太阳能集热器总采光面积，（m2）
as：太阳能直接系统太阳能集热器总采光面积，（m2）
k：太阳能集热器总热损失系数，[kj/（m2·℃·h）
k1：换热器传热系数，[kj/（m2·℃·h）
f：换热器换热面积，（m2）
根据太阳能厂家提供的资料，k·ask1·f取0.20，每户太阳能间接系统集热器面积为
阳台壁挂太阳能系统选用1.80 m2集热器；集中分散太阳能系统集热器面积按每户1.60 m2计算，以该项目为例，建筑高度为27层，底层架空；标准单元每单元屋面可利用面积448 m2，共设置2.0×1.0真空管太阳能集热器78块，总集热面积156 m2，可满足12层共96户用户热水需求。

因此建筑16层至27层采用太阳能热
水系统，2层至15层采用分户式空气源热泵热水系统。

空气源热泵热水系统水箱容积采用80l，满足每户1d的热水用水量；最高日平均耗热量为：
热泵机组设计小时平均秒供热量为：
qg：热泵机组设计小时平均秒供热量，（kw）
qd：最高日平均秒供热量，（kw）
t1：热泵机组设计工作时间，（h），取12h
k1：安全系数；取k1=1.10
qg=1.10×0.194×24÷12=0.427kw
设计选用空气源热泵机组额定功率0.45kw，机组平均能效比3.0，另设1.5kw电辅助加热。

3 系统运行模式
（1）阳台壁挂太阳能热水系统运行模式
阳台壁挂太阳能热水系统采用套管式真空管集热器，真空管水平布置；系统采用间接自然循环，热媒由于温度差在换热管内流动，进行热量交换。

分户集热水箱内设置1.5kw电辅助加热，电加热采用时间、温度双重控制，每天下午6：00至凌晨0：00之间，当水箱内温度低于50℃时启动电加热，高于60℃时电加热关闭；具体时间可根据季节和各人生活习惯调整，必要时也可根据用户需要手动启动。

（2）集中集热-分户储热太阳能系统运行模式
系统循环采用定温温差循环，即当集热器温度高于60℃，且集热
器温度与系统管道温度温差大于10℃时，系统循环泵启动，集热器中的高温热媒输送至储热水箱内的换热盘管加热储热水箱中的自
来水；当集热器温度低于55℃，或集热器温度与系统管道温度温差小于5℃时，系统循环泵停止运行，避免热媒管道带走储热水箱中的热量。

控制系统中各控制温度可根据用户需要进行调整。

集热器与缓冲水箱间循环介质采用防冻液，缓冲水箱与集热水箱间循环介质采用自来水，集热循环管道和加热循环管道均采取保温措施，屋面明露的加热循环管道设置电伴热带。

当系统管道温度低于2℃时，伴热带启动为系统室外部分管道加热，当系统管道温度高于5℃时，伴热带关闭。

分户集热水箱电加热系统控制与阳台壁挂系统相同。

由于集热器温度低于60℃时，循环加热系统关闭，所以用户热水箱内的热量不会被带走。

（3）热泵系统运行模式
热泵系统热水系统最高水温可达60℃，用户可根据需要进行设定；系统可采用定时启动，尽量利用夜间用电低谷时段进行加热，也可根据个人生活习惯设置；环境温度低于-7℃时，热泵效率降低，系统自动转换为直接电加热模式。

4 各系统优缺点
阳台壁挂太阳能系统优点是系统简单，运行费用低，无公用设备及水电费用，业主之间不会产生纠纷。

缺点是由于太阳能集热板安装角度影响，集热效率较低；部分建筑底部约7层-8层住户日照不
足4h/d，太阳能利用率比较低。

集热器和水箱设置在阳台，对住户使用功能和建筑立面有一定的影响；需要采取措施防止集热板坠落影响地面人员安全。

集中集热-分户储热太阳能及空气源热泵热水系统优点是集热器集中设置在屋面，集热效率高且资源共享，能最大限度地利用太阳能；储热水箱设置在卫生间吊顶，不影响建筑立面和住户户内空间，无安全隐患；低层住户日照效果较差，采用空气源热泵热水系统节能效果更好。

缺点是需要设置公用管道和设备，占用一定的公共空间，初次投资较高，需要物业管理维护，有一定的运行费用；采用空气源热泵热水系统，需在室外考虑放置室外机的设备平台，这几层平面会和上部有一些不同，建筑立面要考虑与上部协调。

5 结语
总之，合理应用太阳能热水系统是实现我国节能减排的重要举措，也是节能住宅建筑的必经之路。

因此，应根据建筑布局特点及住户生活习惯，选择合适的太阳能热水系统形式；系统最大程度地利用太阳能，便于操作，维护管理简单，设计中与建筑专业密切配合，实现与建筑的一体化设计，进而能发挥太阳能热水系统最大的节能效益。

参考文献：
[1]吕复坤；刘庆云.住宅太阳能热水器设计要点[j].太阳能，2008年03期
[2]蒋再林.集中集热、分户储水太阳能热水系统在住宅小区工程
中的应用[j].广东建材，2010年07期。