高層建筑太陽能熱水系統(tǒng)應(yīng)用與設(shè)計(jì)探討

1、 杭州普桑能源科技有限公司 袁新毓北京四季沐歌太陽能技術(shù)集團(tuán)有限公司 李帥摘要：杭州市政府要求12層以下的住宅必須安裝太陽能熱水器，本文以杭州某房地產(chǎn)公司高層建筑項(xiàng)目為例談一下高層建筑太陽能熱水系統(tǒng)解決方案，與大家共同探討適合高層建筑的太陽能熱水系統(tǒng)關(guān)鍵詞：高層建筑 集中集熱分戶儲(chǔ)水 太陽能熱水系統(tǒng) 資源共享 控制系統(tǒng)0前言為了節(jié)能減排及建筑節(jié)能，許多新建建筑考慮采用太陽能熱水器來提供生活熱水，同時(shí)隨著城市快速發(fā)展，建筑用地資源越來越稀少，許多房地產(chǎn)開發(fā)商早已經(jīng)開始建設(shè)小高層及高層住宅小區(qū)，提高土地利用率。于是高層建筑如雨后春竹般出現(xiàn)，對于高層建筑來說，采用太陽能熱水系統(tǒng)解決生活熱水問題是值得

2、大家討論的問題，高層建筑成功設(shè)計(jì)安裝太陽能熱水系統(tǒng)的案例少之又少。本項(xiàng)目是太陽能熱水系統(tǒng)在高層建筑成功應(yīng)用的典范。1高層建筑采用太陽能熱水系統(tǒng)需要考慮的幾個(gè)問題在選擇不同的太陽能熱水系統(tǒng)方案時(shí)，應(yīng)優(yōu)先選擇系統(tǒng)運(yùn)行可靠，管理方便，便于攤銷輔助能源費(fèi)用、冷熱水費(fèi)用和運(yùn)行費(fèi)用等，達(dá)到管理簡單方便，容易被住戶接受，不產(chǎn)生物業(yè)與住戶的矛盾等。應(yīng)考慮如何解決住在低層用戶使用太陽能熱水的問題。太陽能系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮到陰雨天氣時(shí)太陽能產(chǎn)熱水不足的問題。為確保熱水供應(yīng)的可靠性，系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)配置輔助加熱系統(tǒng)，以確保用戶全天24小時(shí)或定時(shí)供應(yīng)熱水。系統(tǒng)應(yīng)達(dá)到優(yōu)先利用太陽能加熱熱水，當(dāng)太陽能不足時(shí)，再讓輔助能源補(bǔ)充加

3、熱。實(shí)現(xiàn)充分利用太陽能，降低輔助加熱能源費(fèi)用的目的。太陽能熱水系統(tǒng)應(yīng)合理、可靠、先進(jìn)；太陽能及輔助加熱系統(tǒng)運(yùn)行應(yīng)實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化、智能化；在保證工程質(zhì)量和效果的前提下，盡可能降低工程造價(jià)，提高系統(tǒng)的性價(jià)比。太陽能熱水系統(tǒng)的布局與擺放應(yīng)與周圍的建筑物相協(xié)調(diào)，日常使用維護(hù)檢修應(yīng)方便。太陽能熱水系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)與建筑工程設(shè)計(jì)同步進(jìn)行，前期為安裝太陽能熱水系統(tǒng)預(yù)留管線、預(yù)埋件等應(yīng)到位，以方便后期太陽能熱水系統(tǒng)安裝。2 太陽能熱水系統(tǒng)解決方案選擇 在高層建筑設(shè)計(jì)安裝太陽能熱水系統(tǒng)，主要有以下四種解決方案可供選擇。下面對這些解決方案的優(yōu)缺點(diǎn)分別加以分析，然后作出最佳選擇。解決方案一：在樓頂每戶安裝一臺(tái)家用太陽能熱水

4、器（家用單臺(tái)系統(tǒng)）見圖1。優(yōu)點(diǎn)：1.各住戶的太陽能相互獨(dú)立，互不影響；2.運(yùn)行過程中，不存在收費(fèi)管理問題；3.系統(tǒng)投資最低，運(yùn)行較穩(wěn)定，技術(shù)成熟。4.安裝簡單方便。缺點(diǎn)：1.低層住戶的太陽能，使用時(shí)受到水壓的影響，使用不便，甚至無法使用；2.各戶的太陽能都是一個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)，無論哪家的太陽能有問題，都要上樓頂維修，因此上樓維修的頻率最高，不便于樓頂管理和維護(hù)；3.擺放不方便，不易與建筑物相協(xié)調(diào)，影響觀瞻；4.各戶上下兩根管道，過多的管道敷設(shè)空間受限； 5.不能實(shí)現(xiàn)熱水資源共享，熱水資源存在“旱澇不均”的問題。 圖1家用單臺(tái)系統(tǒng)解決方案二：安裝一套分體式太陽能熱水系統(tǒng)，集熱單元安裝在陽臺(tái)或南墻面上

5、，儲(chǔ)熱水箱放置在室內(nèi)（分戶集熱分戶儲(chǔ)水系統(tǒng)）見圖2、圖3。優(yōu)點(diǎn)：1.住戶的太陽能相互獨(dú)立，互不影響；2.運(yùn)行過程中，不存在收費(fèi)管理問題；3.各戶水箱可放置在室內(nèi)方便的地方，如地下室、設(shè)備間、衛(wèi)生間、廚房、陽臺(tái)、閣樓等位置；4.系統(tǒng)投資較高，運(yùn)行較穩(wěn)定，技術(shù)成熟。缺點(diǎn)：1.集熱單元安裝需安全、牢靠，否則易存在安全隱患；2.采用自然循環(huán)效果不理想，采用水泵強(qiáng)制循環(huán)，費(fèi)電，水泵存在噪音，增加控制功能。3.應(yīng)綜合考慮各戶集熱單元安裝位置，否則會(huì)破壞建筑立面美觀。、4.受傾角影響，陽臺(tái)型采光效率低，成本高。5.集熱單元若出問題維修可能不方便，因此需采用高檔產(chǎn)品。6.不能實(shí)現(xiàn)熱水資源共享，熱水資源存在“旱

6、澇不均”的問題。圖2 分戶集熱分戶儲(chǔ)水系統(tǒng)示意圖 圖3 分戶集熱分戶儲(chǔ)水系統(tǒng)安裝現(xiàn)場解決方案三：在樓頂安裝一個(gè)集中儲(chǔ)水的太陽能熱水系統(tǒng)，通過管道供熱水至每家每戶（集中集熱集中儲(chǔ)水系統(tǒng)）見圖4、圖5。優(yōu)點(diǎn)：1.可以實(shí)現(xiàn)熱水資源共享，不受樓層高低限制；2.便于根據(jù)建筑情況靈活布局，可以實(shí)現(xiàn)與建筑物相協(xié)調(diào)；3.只有一個(gè)系統(tǒng)，運(yùn)行可靠，上樓維修率低，樓面太陽能可由物業(yè)負(fù)責(zé)維護(hù)管理；4.系統(tǒng)投資較低，運(yùn)行較穩(wěn)定，運(yùn)行成本低，技術(shù)成熟。缺點(diǎn)：1.輔助能源用量受天氣陰晴影響，不便于核算運(yùn)行成本和費(fèi)用；2.運(yùn)行過程中，熱水需要收費(fèi)；收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)制定不當(dāng)，易造成物業(yè)和住戶的矛盾。3.需要在樓頂放置一個(gè)大儲(chǔ)熱水箱，建

7、筑設(shè)計(jì)需考慮樓頂承重問題。圖4 集中集熱集中儲(chǔ)水系統(tǒng)示意圖圖5 集中集熱集中儲(chǔ)水系統(tǒng)現(xiàn)場工程解決方案四：樓頂安裝集中集熱的太陽能集熱系統(tǒng)，通過管道將熱能送至各戶，并給安裝在各戶家里的儲(chǔ)熱水箱加熱（即集中集熱分戶儲(chǔ)熱系統(tǒng)）見圖6圖8。優(yōu)點(diǎn)：1.各住戶使用自家水箱里的熱水和輔助能源，不存在收費(fèi)問題；2.不受樓層高低限制，并可以實(shí)現(xiàn)太陽能熱能資源共享；3.運(yùn)行過程中，不存在收費(fèi)管理問題；4.只有一個(gè)系統(tǒng)，運(yùn)行可靠，上樓維修率低，樓面太陽能可由物業(yè)負(fù)責(zé)維護(hù)管理；5.可以根據(jù)樓面建筑情況靈活布局，最容易實(shí)現(xiàn)與建筑物相協(xié)調(diào)； 6.集熱系統(tǒng)集中放置在屋面位置，各戶貯水箱放置在各戶室內(nèi)方便的位置。缺點(diǎn)： 1.

8、為方便使用和安全可靠，應(yīng)采用承壓型儲(chǔ)熱水箱，并帶有電加熱功能。因此水箱成本高，從而造成系統(tǒng)成本較高。 2.為避免各住戶由于貯水箱溫度不同，熱量互混現(xiàn)象，電氣控制系統(tǒng)應(yīng)特殊設(shè)計(jì)。圖6 集中集熱分戶儲(chǔ)水系統(tǒng)示意圖圖7 集中集熱分戶儲(chǔ)水系統(tǒng)工程安裝現(xiàn)場圖8 大功率容積式電熱水器第四種解決方案雖然造價(jià)較高，但優(yōu)點(diǎn)突出，不須考慮水箱承重、電輔加熱預(yù)留、線路預(yù)留、供熱水循環(huán)、熱水計(jì)費(fèi)等問題，是將來高層建筑統(tǒng)一安裝太陽能熱水器的發(fā)展方向。因此高層建筑采用太陽能熱水系統(tǒng)應(yīng)按解決方案四進(jìn)行設(shè)計(jì)，如果房地產(chǎn)開發(fā)商受投資限制，可以采用以下方法解決。該解決方法，可以使房產(chǎn)開發(fā)商對太陽能的投資低于其他幾種方案。1.太陽

9、能集中集熱和通到各住戶的管路部分由開發(fā)商出資，產(chǎn)權(quán)歸開發(fā)商所有，供住戶免費(fèi)使用。2.各住戶有免費(fèi)使用太陽能熱源的權(quán)力，但用戶如愿意使用太陽能，儲(chǔ)熱水箱由各戶出資購買。以下是為某房地產(chǎn)開發(fā)公司杭州某住宅小區(qū)設(shè)計(jì)安裝的集中集熱分戶儲(chǔ)水太陽能熱水系統(tǒng)為例詳細(xì)介紹該系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)施要點(diǎn)。 3 簡要設(shè)計(jì)3.1設(shè)計(jì)參考依據(jù)1.GB/T18713-2002太陽熱水系統(tǒng)設(shè)計(jì)、安裝及工程驗(yàn)收技術(shù)規(guī)范；2.GB 50364-2005民用建筑太陽熱水系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)規(guī)范；3.GB50015-2003建筑給水排水設(shè)計(jì)規(guī)范；4.GB/T17581-1998真空管太陽集熱器；5.GB/T17049-1997全玻璃真空太陽集熱管；

10、6.GB/T6424-1997太陽能集熱器技術(shù)條件；7.GB4301-84太陽能集熱器熱性能試驗(yàn)方法；8.GB/T15513-1995太陽能熱水器吸熱體、連接管及其配件用彈性材料的評價(jià)方法；9.GBJ1788鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范；10.GB/T12936太陽能熱利用術(shù)語；11.GB50275壓縮機(jī)、風(fēng)機(jī)、泵安裝工程施工及驗(yàn)收規(guī)范； 12.用戶要求。3.2設(shè)計(jì)參數(shù)氣象參數(shù)查有關(guān)資料，杭州：緯度30º14´，經(jīng)度120º10´表1 全年各月平均室外氣溫、水平面/當(dāng)?shù)鼐暥刃泵嫔系脑缕骄仗栞椪樟縈J/(·d)123456789101112氣溫水平面緯度斜

11、面年太陽輻照量：水平面4129.595MJ/，當(dāng)?shù)鼐暥葍A角表面5463.685 MJ/;年平均日太陽輻照量：水平面11.303MJ/，當(dāng)?shù)鼐暥葍A角表面14.969 MJ/;年平均日照時(shí)數(shù)：18002000小時(shí);ºC;冷水計(jì)算溫度：10 ºC。3.2.2熱水設(shè)計(jì)參數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算人口：1號樓109戶、2號樓79戶、3號樓79戶、4號樓100戶；設(shè)計(jì)熱水用水量標(biāo)準(zhǔn)：普通戶型儲(chǔ)水水箱容量按150L設(shè)計(jì)，躍層戶型按200L設(shè)計(jì)；計(jì)算生活熱水溫度：55，計(jì)算冷水溫度：10。3.2.3常規(guī)能源費(fèi)用 電價(jià)：0.65元/（kW·h）（2008年，每月50（kW·h）以下不加價(jià)

12、，50（kW·h）以上加價(jià)0.10元）。太陽集熱器性能參數(shù) 集熱器類型：國標(biāo)高效平板集熱器； 集熱器規(guī)格：2000mm×1000mm。3.3工程概況3.3.1建筑說明本工程位于杭州市九堡，該住宅小區(qū)由4棟11層板式小高層德式風(fēng)格住宅組成。3.3.2用戶要求根據(jù)用戶提供的建筑圖紙?jiān)O(shè)計(jì)太陽能熱水系統(tǒng)，方案為：1.太陽能熱水系統(tǒng)基本形式按集中分散式太陽能熱水系統(tǒng)設(shè)計(jì)；2.獨(dú)立的分戶式太陽能熱水系統(tǒng)；3.用戶認(rèn)為適合本小區(qū)的其他方案。根據(jù)用戶提供的建筑圖紙，我方認(rèn)為該小區(qū)適合采用方案1.但考慮到系統(tǒng)穩(wěn)定性及可靠性及與建筑結(jié)合美觀程度等因素，本次設(shè)計(jì)根據(jù)方案1進(jìn)行設(shè)計(jì)，同時(shí)進(jìn)一步完善

13、系統(tǒng)方案。其中集中集熱模塊采用平板集熱器，集熱系統(tǒng)采用承壓系統(tǒng)，內(nèi)充介質(zhì)防凍液，防結(jié)垢，防凍、耐腐蝕。提高系統(tǒng)使用壽命。3.3.3生活熱水供應(yīng)太陽能集熱系統(tǒng)放置在屋頂，太陽能為間接式供水系統(tǒng)。每戶一個(gè)儲(chǔ)熱水箱放置在戶內(nèi)，太陽能通過每戶住宅儲(chǔ)熱水箱內(nèi)的換熱器為用戶制備熱水，本系統(tǒng)全天24小時(shí)供應(yīng)熱水；電加熱作為輔助能源。太陽能集熱器統(tǒng)一安裝在屋面上。3.4系統(tǒng)熱水負(fù)荷計(jì)算3.4.1用水人數(shù)選4號樓1單元為設(shè)計(jì)內(nèi)容。1單元總住戶為20戶，每戶以150L設(shè)計(jì)。3.4.2系統(tǒng)日耗熱量、熱水量計(jì)算1.系統(tǒng)日耗熱量取m=20戶；qr=150L/戶；c=4187J（kg·）；pr=1kg/L；tr

14、=55；tL=10。代入公式 Qd=m qr c（tr - tL）pr/86400則 Qd=6542W取qr=150L/戶；m=20戶。代入公式 qrd=qr m則 qrd=3000L/d3.設(shè)計(jì)小時(shí)耗熱量計(jì)算Qh取m=20戶；qr=150L/戶；c=4187J（kg·）；pr=1kg/L；tr=55；tL=10；Kh=5.12。代入公式 Qh= Kh m qr c（tr - tL）pr/86400則 Qh=33495W3.5熱水循環(huán)流量、設(shè)計(jì)秒流量計(jì)算1.全日供應(yīng)熱水系統(tǒng)的熱水循環(huán)流量取Qs=5% Qh；t =5t則 qx=288L/h2.供熱水管的設(shè)計(jì)秒流量q（L/s），計(jì)算最大

15、用水時(shí)衛(wèi)生器具給水當(dāng)量平均出流概率取qr=50L/（人·d）；ms=3；kh=5.12；Ng=2；T=24小時(shí)。代入公式 Uo=qr ms kh/(0.2 Ng T×3600)(%)則 Uo=1.48%3.6太陽能集熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.6.1太陽能集熱器的定位太陽集熱器與建筑方向同方位，朝向?yàn)檎戏较?。建筑為坡屋頂，太陽集熱器傾角與該建筑屋面坡度一致。3.6.2太陽能集熱面積確定 本系統(tǒng)為間接系統(tǒng)，間接系統(tǒng)集熱器面積的計(jì)算和選擇應(yīng)首先計(jì)算直接系統(tǒng)集熱器面積。 直接系統(tǒng)集熱器面積計(jì)算1.太陽能保證率f的確定 杭州屬于資源一般區(qū)，系統(tǒng)全年運(yùn)行，按照國家標(biāo)準(zhǔn)、經(jīng)驗(yàn)值和計(jì)算機(jī)模擬法，取太

16、陽能保證率為50%。2.確定管路及儲(chǔ)熱水箱的熱損。3.集熱器年平均集熱效率的確定 根據(jù)歸一化溫差并查廠家集熱器效率曲線，取=55%。綜上所述，取QW=3000L/d；c=4.187KJ/(Kg·)；pr=1kg/L；tend=55；tL=10；f=0.5；JT=14969kJ/；=0.2；=0.55.代入公式 = QWc （tend -tL）f / JT(1-)則 = 42.91 間接系統(tǒng)集熱器面積計(jì)算根據(jù)公式計(jì)算： AIN=AC·1+(FRUL·AC/Uhx·Ahx)其中： AIN 間接系統(tǒng)集熱總面積，； AC 直接系統(tǒng)集熱總面積，； FRUL 集熱器

17、總熱損系數(shù)，W/(·),平板型集熱器取4-6，真空管集熱器取1-2，具體數(shù)值要根據(jù)集熱器產(chǎn)品的實(shí)際測試結(jié)果而定； Uhx 換熱器換熱系數(shù)，W/(·) ； Ahx 間接系統(tǒng)換熱面積，。，單個(gè)水箱內(nèi)盤管換熱面積為1，總換熱面積Ahx =20 取FRUL=6 W/(·)；Uhx=600 W/(·)代入得 AIN =45.65由于該小高層屋面為坡屋面，為了與建筑一體化及保證使用效果，設(shè)計(jì)該系統(tǒng)選擇24塊平板型集熱器,該類型集熱器每塊集熱面積為2m2，集熱面積共為48m2。3.7關(guān)鍵設(shè)備選型1.太陽能集熱器目前國內(nèi)使用的太陽能集熱器主要有平板集熱器、真空管集熱器、

18、熱管集熱器。平板集熱器：優(yōu)點(diǎn)：容易與建筑結(jié)合，承受壓力能力高，維修率低。缺點(diǎn)：不防凍，適合在南方地區(qū)使用。若在北方地區(qū)應(yīng)在春、夏、秋三季使用,若全年使用應(yīng)解決好防凍問題。真空管集熱器：優(yōu)點(diǎn)：在中國占有90市場，在-25條件下，仍可產(chǎn)生熱水，可一年四季使用。是目前全國各地普遍使用的產(chǎn)品。缺點(diǎn)：一根真空管破裂，影響整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行。承受壓力能力差。熱管集熱器：優(yōu)點(diǎn)：可在零下50條件下使用，抗凍性能好，適合在北方高寒地區(qū)使用。一根真空管破裂，不影響系統(tǒng)運(yùn)行。承受壓力能力高。缺點(diǎn)：其冷凝端（加熱端）表面積僅是真空管的百分之一，易結(jié)水垢，換熱效果較真空管差。平板集熱器、真空管集熱器、熱管集熱器各有優(yōu)缺點(diǎn)，由

19、于該小高層屋面為坡屋面，為了實(shí)現(xiàn)與建筑相結(jié)合，該高層建筑小區(qū)設(shè)計(jì)采用平板集熱器。2.貯熱水箱每戶的水箱容積為150L，美國史密斯承壓水箱。3.集熱系統(tǒng)循環(huán)水泵按每集熱器的流量為0.015kg/（·s）計(jì)算，集熱系統(tǒng)的流量為2700L/h,此流量即為集熱系統(tǒng)的流量?？紤]到沿程損失、局部損失，計(jì)算得：H=0.15MPa。采用德國威樂水泵，該泵噪音小，性能穩(wěn)定可靠，使用壽命長。3.8輔助熱源輔助熱源為電加熱，放置于戶用水箱中。3.9輔助熱源功率計(jì)算輔助加熱功率的選取應(yīng)按陰雨天沒有太陽能時(shí)，完全靠輔助加熱來保證供熱設(shè)計(jì)。（杭州地區(qū)：每年日照時(shí)數(shù)>6小時(shí)的天數(shù)約為220250天，此期間不使用輔助加熱）輔助加熱功率應(yīng)按陰雨天完全靠電加熱裝置加熱時(shí)計(jì)算。計(jì)算參數(shù)：最長加熱時(shí)間：4小時(shí)； 冷水水溫：15； 蒸汽水溫：55； 加熱水量：150 kg。 由以上參數(shù)計(jì)算輔助加熱功率為： P= cmT /·H·kW；式中： C：水的比熱 1千卡/（kg·）；m： 加熱水量 kg；T: 加熱溫差 ；：電加熱管熱效率，無量綱； (取0.95)。3.10管道系統(tǒng)管道采用DN25/DN15熱鍍鋅管道。保溫層厚度的計(jì)算按下式：d d wlt/q式中：d 保溫層厚度，mm； dw管道或圓柱設(shè)備的外徑，mm；l保