太陽能熱水系統(tǒng)建筑一體化的實踐與思考

1、太陽能熱水系統(tǒng)建筑一體化的實踐與思考摘要：本文主要介紹了平板式太陽熱水系統(tǒng)與建筑一體化設計時的主要考慮點的解決方案。 關鍵詞：建筑一體化；平板集熱器；防水；系統(tǒng) 太陽能集熱器的優(yōu)越性早為人們所認同，已使用多年。但在住宅建筑中都將其視為一種設備，支或掛附在建筑物的墻面、屋面上。其特立獨行的模樣影響了建筑的觀瞻，以至于許多地區(qū)從整頓市容的角度出發(fā)，要求拆除群眾自發(fā)安裝的太陽能集熱裝置。怎樣解決好上述問題，即有效利用太陽能又美化建筑環(huán)境，這就成了廣大業(yè)內(nèi)人士十分關注的問題。 太陽能與建筑一體化是太陽能健康發(fā)展的必由之路。國家發(fā)改委、建設部都在熱情關注、支持這一事業(yè)的發(fā)展并相繼在全國范圍內(nèi)建立了一批太

2、陽能與建筑一體化試點工程項目，對這一事業(yè)的發(fā)展起到了協(xié)助推動的作用。 北京九陽實業(yè)公司和北京天鴻房地產(chǎn)開發(fā)有限責任集團公司聯(lián)合承擔的國家發(fā)改委、建設部太陽能與建筑一體化試點項目北京項目，通過雙方的密切配合，使項目本身達到非常好的效果，獲得了國家發(fā)改委組織的外國專家組的一致好評。 下面我們介紹一下我們在工程設計和實踐中的一些基本思路和做法。 一、集熱產(chǎn)品的選擇 集熱器產(chǎn)品主要有全玻璃真空管式、熱管式和u型管式、平板式幾種。 全玻璃真空管式，效率高，四季均可提供生活熱水，但與平板式集熱器相比，存在一定的安全隱患，即有可能發(fā)生爆管的問題。 熱管式效率高，系統(tǒng)較成熟，無安全隱患，但對水質(zhì)要求較高，造價

3、高。 u型管式，熱效率較高(與全玻璃真空管式相比稍低)，無安全隱患，但系統(tǒng)不夠成熟，造價較高。 平板集熱器整體性好，壽命長，故障少，安全隱患、成本造價低，由于采用排空防凍技術，從而很好的解決了平板集熱器系統(tǒng)冬季不能使用的缺憾。同時平板集熱器還具有以下優(yōu)點： 1 平板集熱器無真空度要求，熱性能穩(wěn)定，整體性好，使用壽命長。 2 平板集熱器系統(tǒng)中，水或工質(zhì)在金屬流道內(nèi)流動，不接觸玻璃蓋板，不會出現(xiàn)因驟冷、驟熱引起暴管導致系統(tǒng)癱瘓。 中國最大的資料庫下載3 平板集熱器可以實現(xiàn)緊湊式或無間隙安裝，在生產(chǎn)熱水的同時，還具有保溫、隔熱、遮光，防水的傳統(tǒng)屋面功能，這就為取代部分或全部屋面構件提供了基礎。 4集

4、熱器形狀結構可靈活設計，尺寸可與建筑材料的模數(shù)和建筑結構達到較好的相容性。 5平板集熱器承壓性能好，可使系統(tǒng)運行穩(wěn)定。 綜上所述，平板式太陽能集熱器，在工程中應用時，通過對產(chǎn)品的進一步改進，其整體性、故障、壽命、投資等方面具有更大的優(yōu)勢。 二、防水處理 根據(jù)太陽能平板集熱器坡度要求，我們將其與坡屋面結合設計，嵌入南坡屋面并和瓦面相平，各種管線均為暗裝（表面設可拆開擋板）與瓦屋面渾然一體。這種設計方案決定屋面防水成為技術關鍵。既要保證安裝又要排水順暢不漏雨。為此我們在屋面土建設計方面選擇了盆槽式汛水方式解決。汛水表面敷設“自粘防水卷材”（自愈合）滿足了瓦面交搭和設備安裝點的防水要求。 同時北京大

5、氣環(huán)境可吸入顆粒物較多，因此要經(jīng)常對熱板進行清潔維護。為方便人員在坡屋面上擦洗操作，設計中在屋脊處埋設鋼管把桿（接入防雷系統(tǒng)）。在其上可鉤掛軟梯和人員安全帶。 太陽能集熱板安裝角度要求一般與北京緯度相同（40o）形成閣樓空間，本設計中加以利用，為頂層戶型擴充了使用空間。 本工程中使用的太陽能集熱板有光滑平整的表面。將其嵌入斜屋面后，為人們司空見慣的形式增加了靚點，豐富了天際線。 三、集熱器安裝設計方案 在集熱板與四周瓦的結合，及集熱板之間的防水設計方面，我們采用了100%的結構防水設計方案。從而很好的解決了屋面防水的可靠性。 四、熱水系統(tǒng)設計 1按系統(tǒng)形式劃分可分為： (1) 分戶式系統(tǒng)； (

6、2) 集中式系統(tǒng)。 分戶式系統(tǒng)是最常見的系統(tǒng)形式，各家各戶自成獨立的系統(tǒng)，沒有各戶之間的流量分配問題，以及復雜的控制問題，安全隱患也比較好解決。但未考慮到各戶之間使用的不平衡，不能夠充分利用太陽能集熱設施、對于整個小區(qū)來說系統(tǒng)規(guī)模龐大，利用率也較低，從而造價相對較高。 集中式系統(tǒng)，目前國內(nèi)采用的工程較少，而且主要集中在賓館、飯店等公共建筑，對于小區(qū)住宅尚無此范例。借鑒國內(nèi)其他集中式太陽能系統(tǒng)實踐經(jīng)驗，經(jīng)計算論證，住宅小區(qū)集中利用太陽能解決生活熱水問題是可行的。 集中式系統(tǒng)，相對于分戶式系統(tǒng)，有顯著節(jié)約初投資、運行維護方便，使太陽能集熱系統(tǒng)可以得到充分利用等優(yōu)勢。2 .太陽能熱水系統(tǒng)設計計算 4

7、.2.1基本參數(shù) (1) 用水人數(shù) 404號樓共有住戶21戶，每戶以2.8人計，用水人數(shù)共計約59人。 (2) 用水定額(熱水定額) 404號樓有集中熱水供應和淋浴設備，每人每日用熱水定額以60熱水計算，取100l/人d。 (3) 用水時間 24小時全日供應熱水 4.2.2設計計算 (1) 設計小時耗熱量的計算 式中：qh設計小時耗熱量(w) m用水人數(shù) qr熱水用水定額(l/人d) qh水的比熱，c=4187(j/kg) tr熱水溫度，tr=60() tl冷水溫度，tl=10() r熱水密度(kg/l)，r=0.983kg/l kh小時變化系數(shù)，kh5.12 qh=71951(w) (2)

8、設計小時熱水量 式中：qrh設計小時熱水量(l/h) h設計小時耗熱量(w) tr設計熱水溫度()，tr=55() tl設計冷水溫度()，tl=10() r熱水密度(kg/l)，r=0.986(kg/l) qrh=1394.32(l/h) (3) 全日供應熱水系統(tǒng)的熱水循環(huán)流量 式中：qx全日供應熱水的循環(huán)流量(l/h) qs配水管道的熱損失(w)，取設計耗熱量的5% t配水管道的熱水溫度差()，取5 qx= 615.6(l/h) (4) 熱水供水管的設計秒流量q(l/s) 計算最大用水時衛(wèi)生器具給水當量平均出流概率 式中：uo生活給水管道的最大用水時衛(wèi)生器具給水當量 平均出流概率(%) qr

9、最高熱水用水定額 m每戶用水人數(shù) kh熱水小時變化系數(shù) ng每戶設置的衛(wèi)生器具給水當量數(shù) t用水時數(shù)(h) 0.2 一個衛(wèi)生器具，給水當量的額定流量(l/s) uo0.012% 查建筑給水排水設計規(guī)范(gb500152003)得系統(tǒng)熱水供水管的設計秒流量為q=2.51(l/s)。 4.2.3 設備選取 (1) 蓄水箱 對于太陽能熱水系統(tǒng)，由于受自然條件(太陽輻射一天之內(nèi)隨時間變化)的限制，太陽能集熱系統(tǒng)，不可能全天24小時滿足設計小時用水量(qrh)的要求。為滿足使用要求，根據(jù)實際情況，考慮蓄熱水箱水量、太陽能集熱板的功率和用戶用水量之間的關系，設計水箱容量為4.5個最大小時用水量(qrh)，

10、則必能滿足用水量的要求。 水箱的有效容積vk4.5 qrh6.5m3。 (2) 太陽能系統(tǒng)水泵選擇： 1) p1泵（太陽能集熱系統(tǒng)給水泵） p1泵的流量即為系統(tǒng)設計熱水量qrh1394.32（l/h） 揚程考慮到位置高度，沿程損失，局部損失以及配水最不利點所需的流出水頭，取qrh0.25（mpa） 2) 熱水系統(tǒng)循環(huán)泵 循環(huán)流量qx615.6（l/h） 水泵揚程，僅考慮循環(huán)水量通過配水管，回水管的水頭損失，計算得： hb0.10（mpa） 3) 系統(tǒng)給水變頻泵組： 給水系統(tǒng)采用變頻裝置： 流量為熱水供水管的設計秒流量q2.51（l/s） 揚程h0.28（mpa） (3) 容積式熱交換器 1)

11、加熱面積 容積式熱交換器按系統(tǒng)最不利工況，即太陽能系統(tǒng)不工作時的條件確定。 式中：f水加熱器的加熱面積（m2） qz制備熱水所需的熱量，即設計小時耗熱量qh(w) k傳熱系統(tǒng)數(shù)（w/m2）取k1500（w/m2） 由于水垢和熱媒分布不均勻影響傳熱效率的系數(shù)，取0.8 tj熱媒與加熱水的計算溫度差（） = tmc、tmz熱媒的初溫和終溫 tc、tz被加熱水的初溫和終溫 cr熱水供應系統(tǒng)的熱損失系數(shù)，取cr1.15 fjr=1.84m2 2)貯水容積 容積式熱交換器貯存保證系統(tǒng)用戶45min設計小時耗熱量，即 3) 熱媒耗量 式中：q-熱媒耗量 c-熱水的比熱，c=4187(j/kg) tmz、t

12、mc熱媒的初溫、終溫 g=0.79(kg/s) 4.3 太陽能集熱板面積的確定 1) 方案一：按廠家提供的集熱板產(chǎn)水量(春秋季產(chǎn)水量80l/m2d)計算。 考慮降低初投資的因素，選擇集熱板的面積時，其設計人均水量按75l/人d標準，剩下不足部分由輔助熱源滿足。所以集熱板日產(chǎn)水量應為4.5個最大小時熱水用量(qrh)的75%計，即4.5qrh0.754705 l/d。需太陽能集熱板的面積58.8m2，平板太陽能集熱器(1.0m2.0m0.08m)的單板為2.0m2，故需太陽能集熱板30片。 2) 按太陽熱水系統(tǒng)設計、安裝及工程驗收技術規(guī)范 gb/t 187132002附錄a計算。 ac直接系統(tǒng)集

13、熱器采光面積，m2 qw均用水量，5900kg cw水的定壓比熱容4.18 (kj/kg) tend儲水箱內(nèi)水的終止溫度，50 ti 水的初始溫度，15 f 太陽臺保證率50% jr 當?shù)卮悍只蚯锓炙诘丶療崞魇軣崦嫔显戮椪樟浚?7900kj/m2 cd 集熱器全日集熱效率50% c 管道及儲水箱熱損失率20% ac60m2 需平板太陽能集熱器30片。 3) 通過上述兩種方法的計算結果表明，本工程采用1.02.00.08m平板式太陽能集熱器30片是適宜的。 4.4系統(tǒng)控制說明 1. 初始正常狀態(tài)時，f1關、p1停、f2關、f3關、f4開。 2. 當水位hh1，t2tmax，t1t2+tk時，

14、p1啟動循環(huán)加熱至t1t2+tg時停。 3. 當水位hh1，t2tmax，t1t2+tk時，f1開補水至h1時關，p1啟動循環(huán)加熱至t1t2+tg時停。 4. 當水位h2hh1，t2tmax，t1t2+tk時，p1啟動循環(huán)加熱至t1t2+tg時停。 5. 當水位hh2，t2tmax，t1t2+tk時，f1開補水至h2關，p1啟動循環(huán)加熱至t1t2+tg時停。 6. 當水位hh2，t1t2+tk時，f1開補水至h2關。 7. 當t345時，f2開提供外網(wǎng)一次熱水換熱至t355關。 8. 當太陽熱水系統(tǒng)維修時，f3開、f4關提供外網(wǎng)二次熱水。 注：tmax60，tk20，tg12。 h2水位保證系

15、統(tǒng)用戶45min的用水量。 h1水位保證系統(tǒng)用戶4h用水量。 容積式熱交換器保證系統(tǒng)用戶45min的設計小時耗熱量。 通過本工程的設計，我們感到要真正做到太陽能與建筑一體化，沒有房地產(chǎn)商、建筑設計院的參與其結果是不容樂觀的。我們真誠希望有更多的房地產(chǎn)開發(fā)商、建筑設計院積極參與到這一行列中來，共同推動綠色能源運用的發(fā)展，開創(chuàng)我國建筑節(jié)能的美好未來！家用太陽熱水系統(tǒng)技術條件自2003年10月1日實施?，F(xiàn)將家用太陽熱水系統(tǒng)技術條件中的技術要求摘錄如下，供讀者參考。6技術要求6.1技術要求內(nèi)容家用太陽熱水系統(tǒng)技術要求應符合表2的規(guī)定。6.2總體要求6.2.1熱性能6.2.1.1緊湊式與分離式家用太陽熱

16、水系統(tǒng)的熱性能應符合下列要求：a) 當日太陽輻射照量為17mj/m2，貯熱水箱內(nèi)集熱結束時水的溫度45，緊湊式太陽熱水系統(tǒng)單位輪廓采光面積貯熱水箱內(nèi)水的日有用得熱量7.5mj/m2；分離式與間接式太陽熱水系統(tǒng)，日有用得熱量7.0mj/m2。b）家用太陽熱水系統(tǒng)的平均熱損因數(shù)22w/（m3k）。6.2.1.2悶曬式太陽熱水系統(tǒng)熱性能應符合下列要求：a）當日太陽輻照量為17 mj/m2，貯熱水箱內(nèi)集熱結束時的水溫45時，單位輪廓采光面積貯熱水箱內(nèi)水的日有用得熱量7.5mj/m2。b）家用太陽熱水系統(tǒng)平均熱損因數(shù)90w/（m3k）。6.2.1.3在符合6.2.1.1或6.2.1.2要求后，宜進行gb

17、/t 18708家用太陽熱水系統(tǒng)熱性能試驗。6.2.2水質(zhì)家用太陽熱水系統(tǒng)提供的熱水應無鐵銹、異味或其他有礙人體健康的物質(zhì)。6.2.3耐壓6.2.3.1家用太陽熱水系統(tǒng)應符合jb 4732的要求，能承受1.25倍額定壓力的試驗壓力。6.2.3.2封閉式的家用太陽熱水系統(tǒng)應能承受非正常情況下產(chǎn)生的負壓。6.2.4過熱保護6.2.4.1家用太陽熱水系統(tǒng)在高太陽輻照且無大熱量消耗的條件下應能正常運行。6.2.4.2家用太陽熱水系統(tǒng)在通過某個部件來排放一定量蒸汽或熱水作為過熱保護時，不應由于排放蒸汽或熱水而對住戶構成危險。6.2.4.3在太陽熱水系統(tǒng)的過熱保護依賴于電控或冷水等措施，則應在家用太陽熱水

18、系統(tǒng)產(chǎn)品使用說明書上標注清楚。 6.2.4.4對于向用戶提供熱水溫度超過60的太陽熱水系統(tǒng)，應在使用說明書中提示用戶防止燙傷。6.2.5電氣安全6.2.5.1 家用太陽熱水系統(tǒng)如包含有電器設備，則電氣安全應符合gb 4706.1、gb4706.12和gb 8877和ny/t513行標規(guī)定的要求。6.2.5.2家用太陽熱水系統(tǒng)所使用的電器設備應有漏電保護、接地與斷電等安全措施。6.2.6外觀6.2.6.1太陽集熱部件的透明蓋板應無裂損；全玻璃真空太陽集熱管的罩玻璃管按gb/t 17049要求；吸熱體涂層顏色應均勻，不起皮、無龜裂和剝落。6.2.6.2家用太陽熱水系統(tǒng)的貯熱水箱外部應表面平整，無劃

19、痕、污垢和其他缺陷。6.2.6.3 標稱采光面積與實際輪廓采光面積的偏差3%。6.2.7空曬6.2.7.1平板太陽集熱器/部件組成的家用太陽熱水系統(tǒng)應符合gb/t6424的要求。6.2.7.2真空管太陽集熱器/部件組成的家用太陽熱水系統(tǒng)應符合gb/t 17581的要求。6.2.8外熱沖擊做兩次外熱沖擊試驗，家用太陽熱水系統(tǒng)不允許有裂紋，變形，水凝結或浸水。6.2.9淋雨不允許有雨水浸入家用太陽熱水系統(tǒng)的集熱器/部件、水箱及其通氣口和排水口等。6.3部件6.3.1真空太陽集熱管6.3.2.1對于太陽集熱器可以分開進行試驗的太陽熱水系統(tǒng)，如平板太陽集熱器應符合gb/t 6424 與gb/t 427

20、1 的要求及規(guī)定的各項試驗，平板太陽集熱器的熱性能應按gb/t 4271 規(guī)定的方法進行試驗。6.3.2.2對于太陽集熱器可以分開進行試驗的太陽熱水系統(tǒng)，如真空管太陽集熱器應符合gb/t17581的要求及規(guī)定的各項試驗。6.3.2.3對于集熱部件與貯熱水箱不可以分開進行試驗的太陽熱水系統(tǒng)，應符合本標準6.2的各項要求及規(guī)定的各項試驗。6.3.4管路6.3.4.1家用太陽熱水系統(tǒng)設計應保證管路中不會因出現(xiàn)結渣或沉積而嚴重影響系統(tǒng)的性能。6.3.4.2對于自然循環(huán)系統(tǒng)，為了減少流動阻力，連接管路宜短，不用或少用直角彎頭；為了防止氣阻，上循環(huán)管沿水流方向應有向上的坡度，下循環(huán)管沿水流方向應有向下的坡

21、度。6.3.4.3管路的直徑與連接件宜采用標準件，應符合gb/t 15513的要求。6.3.4.4管路保溫層應具有合理的厚度，管路的保溫制作應符合gb/t 4272 規(guī)定的要求。6.3.5循環(huán)泵6.3.5.1循環(huán)泵應與傳熱工質(zhì)有很好的相容性。6.3.5.2泵的安裝應制造廠家的要求進行，并做好接地保護。6.3.6換熱器6.3.6.1換熱器與傳熱工質(zhì)有很好的相容性，不會對用水產(chǎn)生污染。6.3.6.2家用太陽熱水系統(tǒng)若用在水硬度高且水溫高于60的地區(qū)，則換熱器設計應考慮結垢或清洗問題。6.3.7貯熱水箱6.3.7.1貯熱水箱的容水量應與家用太陽集熱器/部件的輪廓采光面積及使用地方的太陽輻射與氣象條件相適應。6.3.7.2在貯熱水箱的適當位置應設有排污口。6.3.7.3對于敞開和開口的太陽熱水系統(tǒng)，在貯熱水箱的適當位置應設有溢流口。6.3.7.4貯熱水箱的保溫設計應按gb/t 8175 的規(guī)定進行，保溫制作應符合gb/t 4272規(guī)定的要求。6.3.8控制器6.3.8.1在有