住宅建筑太阳能热水系统设计及研究

能源作为经济和社会发展的重要物质基础，随着我国经济的发展，能源需求出现了一个持续增长的态势，尤其是近年来伴随着我国迅速发展的建筑业同时也带来了建筑能源的迅猛增长。日前，建筑能耗已接近全国总能耗的30%，并将持续增加，随着人们生活水平的提高和小康社会的建设，人们对生活热水的需求量越来越大，在我国发达地区的住宅中其生活热水能耗已占到建筑总能耗的15-20%，而我国既是一个煤炭、石油以及天然气等常规能源消耗的大国，又是常规能源资源短缺的国家，以常规能源为主的能源结构产生大量的污染物，给我国整体环境造成了巨大的污染，一次性能源为主的能源开发利用模式与生态环境矛盾的日益激化，使人类社会的可持续发展受到严峻挑战。因此，大力开发利用清洁可再生能源—太阳能，是优化能源结构，改善环境，促进经济社会可持续发展的战略之一。

1系统选择

我国城市住宅大多以多层、小高层、高层住宅为主，发达国家的太阳能热水系统的技术在我国并不适用，尽管我国是太阳能热水器生产的第一大国，也是民用建筑发展最快，规模最大的国家，但人均集热面积仅为日本，以色列等国的1/20，况且目前大多为一家一户的分散热水供应，及事后安装，无序安装状态，太阳能热水器的设计，生产与建筑存在着严重脱节状态，太阳能资源的利用率极低，当务之急是如何综合考虑地区资源条件，住宅类型，居民的经济能力，平面布局，建筑外观，热水用量及使用工况，集热器形式与性能，系统配置，运行方式，安装方法，接口形式与大小，安全性，维修以及经济技术等因素，优先充分利用太阳能这一原则，及提供稳定热水供应的使用原则，经技术经济比较设计出合理的住宅太阳能热水供应系统,及相应的配套产品，使住宅太阳能热水系统安全可靠，性能稳定，与建筑和周围环境协调统一。

一、太阳能目前现状

在太阳能利用领域，包括光电与光热二大部分，其中光热技术是最成熟，应用范围最广泛，产业化发展最兴旺的领域之一，其可靠的技术性能以及明显的经济性能，正日益为大家所接受。在世界范围内我国已是太阳能热水器生产的第一大国，但与发达国家相比，人均集热面积不到0.06㎡，急需在太阳能热水器与建筑一体化的整合发展中寻求突破。

二、太阳能热水器在住宅中的现状

随着太阳能热水器在城市普及率的不断提高，由事后安装，无序安装这种使用方式所带来的一系列问题与矛盾也逐渐显现。例如影响建筑物外观和城市景观，破坏了房屋的使用功能，无序不规范的安装也产生了一些安全隐患，最大的制约因素是由于大多数住宅小区容积率偏高，住宅间的间距偏小，按日照分析得到的数据，分散的太阳能热水系统，仅住宅高区极少数的楼层能满足冬至日太阳能热水器日照4小时的要求，目前状况是住宅仅仅顶层住户在安装使用太阳能热水器，人均太阳能利用率极低，让每家每户都能享受及充分利用太阳能资源，这正是住宅太阳能热水器系统整合设计所面临与解决的重大问题。

三、太阳能热水器在住宅中的设置位置

从住宅建筑与太阳能一体化的角度考虑，太阳能集热器结合建筑可布置在屋面，墙面，每家每户的朝南的阳台围栏，空调外机板上等位置，从理论上来讲，太阳能集热器设置在上述位置对低密度独立式或联排式底层住宅都是不错的选择，而分散布置太阳能集热器，依据目前的小区住宅标准、住宅的朝向、日照标准、房屋间距等来看对于上海及至全国实际情况来讲，开发商要达到其最大的经济效益，一般住宅的容积率相对偏高，多层住宅间的间距仅为住宅建筑高度的1.2倍，小高层间距在40米左右。太阳能集热器设置在阳台，空调室外机挑板上，外墙上等位置，多层及高层住宅中低区住户都不能满足《民用建筑太阳能热水系统应用技术规范》中每家每户集热器年均每天日照时数不少于4小时的规范要求，即使是住宅高区住户，满足了日照4小时的光照，但由于集热器安装角度的限制，设置在外墙面、檐口、阳台以及建筑雨蓬、遮阳板等位置，从理论上来讲，需补偿一定数量的集热面积，造成一次性投资增加，热利用率降低，另外如何保障集热器的安全防护及住户的安全也是一大难题。

分散布置太阳能集热器，除住宅上部能满足上述要求外，多层住宅的下部，高层住宅的中下部大多很难满足要求，太阳能资源的利用率极低。而集中放置在屋面，虽然能满足日照时数的要求，但实际操作中分散式太阳能热水系统每户上下二根管道要增加管道井的位置，尤其是住宅下部至屋面管线过长，要散发大量的热量，并且在使用过程中要放掉大量的管道中的冷水，与节水节能相违背，如何最大限度的充分利用太阳能资源，让每家每户都能享受绿色清洁可再生能源，唯一实际实用的位置就是将太阳能集热器布置在屋面上，采用集中集热的形式。

四、太阳能集中集热系统的设置原则

（1）太阳能热水系统设计与建筑设计同步进行，集热器应作为建筑的组成元素，与建筑有机结合，做到造型美观，构件耐用，安装、维护方便。

（2）充分利用太阳能资源，24小时为住宅每家每户提供生活热水，采用成熟的太阳能热水技术，控制成本，避免复杂的后期运行维护管理。

（3）进行经济技术分析，达到节地、节水、节能、安全、卫生、环保的要求。

（4）集热器及其部件标准化，模式化便于维修更新。

2太阳能集中热水系统集热面积计算

一、用水量

（1）热水用水量标准：50升/人-天（60℃）

住宅每户面积小于90㎡按2.5人考虑

住宅每户面积大于90㎡按3.0人考虑

Qmaxday1=50-2.5=125L/d

Qmaxday2=50-3.0=150L/d

每户小于90㎡住宅设120升水箱

每户大于90㎡住宅设150升水箱

二、太阳能集热系统面积的确定

（1）每户120L/d

式中：

Ac——直接系统集热器采光面积，㎡；

Qw——日均用水量，120kg；

tend——储水箱内水的终止温度60℃；

Cw——水的定压比热容，4.187KJ/（㎏-℃）；

ρ——热水密度，（㎏/l）；

ti-——水的初始温度10℃；

JT——当地秋分所在月集热器受热面上晴好天气的日总辐照量，上海：12220KJ/㎡；

f——太阳能保证率；50%

——集热器全日集热效率，取值为50%。

——管路及储水箱热损失率，此处取20%。

则太阳能集热面积

（2）每户150L/d

3太阳能集中热水系统原理说明

一、以往集中太阳能热水系统存在的弊端

过去集中式太阳能热水系统大多采用的是集中集热，分户计量的模式，采用热水表计量，这其中涉及到水量与水温两个问题，由于太阳能热水系统出水温度不稳定，要满足水温要求又需要配置辅助热源，常规的是采用电加热，这又涉及到电费的分摊问题，诸多的计量与很难精确的分摊，往往导致用户的不接受。

二、本系统的特点

设计思路：一是要充分利用太阳能资源，让每家每户充分享受可清洁再生能源，让住户受惠。二是系统要简单合理，尤其是不增加用户的麻烦。三是保证水质与安全，唯有如此，节能环保的太阳能热水系统才是有推广与应用价值。

三、系统集热器设计

（1）集热器朝向与倾角：正南摆放，使集热器得到更多的太阳辐射能；全年使用太阳能系统集热器倾角应当与当地的纬度一致。

（2）集热器连接：集热器数量较多，为减少阻力，所以采用并联连接。

集热器数量较少，采用串联连接。

（3）基座：混凝土基座。

支架采用热镀锌4号角钢、抗风设计，与基座牢固连接、抗台风能力强。

（4）集热器前后排间距的计算：前后排集热器之间应留有一定的距离，以避免前排集热器影响后排集热器的采光，当全年使用时，只要保证冬至日前后排不遮挡，其它时间就不会遮挡。L=H-Ctga=1.4H

L=前后排间距H=集热器高度a=当地冬至日正午太阳高度角

采用单排前后布置，不影响楼体外观整体效果。

四、系统简介

本系统采用集中集热，每户按户型大小设置不同容积的交换水箱，将太阳能集热器产生的热水供交换水箱换热后回到太阳能储热水箱，交换水箱出水温度设置在60度，如遇阴天，出水温度低于60度时，由住户自行（手动或自动）启用交换水箱的电加热装置或交换水箱出水后接燃气热水器，本系统最大特点，不涉及水，点，煤计量问题，系统简单合理，采用两次换热，水质卫生，安全。

下图为某住宅小区多层、小高层集中太阳能热水系统平面与系统原理图

四、系统控制、运行说明

T1集热器出水口温度

T2热水箱底部的出水温度

T3交换水箱内热水温度

（1）温差集热循环

当T1-T2＞5℃时，循环泵1启动，集热水箱内水与集热器不断进行热交换，当两者温度小于5℃时循环泵停止工作；

（2）热交换循环

当T2-T3＞5℃且T3﹤60℃时，交换水箱前电磁阀处于开启状态，此时循环泵2启动，循环泵2为恒压变频出水，与每户交换水箱进行热交换，当T2-T3﹤5℃或T3≥60℃时，交换水箱前电磁阀关闭，当所有住户的T2-T3﹤5℃或T3≥60℃时，循环泵2停止工作。

（3）防冻循环

当T1≤3℃时，循环泵1启动，将集热水箱中的水打入集热器，进行防冻循环，直至T1≥3℃时，循环泵1停止工作。

（4）过热保护

当集热水箱T2≥80℃时,关闭循环泵1停止集热

（5）真空集热管炸管漏水控制及报警

由水位传感器监控系统工作状态，当集热器真空管发生炸管，管道内水位迅速下降，由水位传感器获取非正常水位，关闭循环泵1，同时，控制远程监控系统发出报警信号，告诉物业及时通知厂家更换真空管。

（6）集热水箱水位控制

由水位传感器控制进水电磁阀，当集热水箱水位低于设定水位时，进水电磁阀开启，当水位高于设定水位时，进水电磁阀关闭。

（7）防腐

空气中含有氯离子，会对金属结构造成比较严重的腐蚀，对系统中所用金属材料均采取防腐措施。

（8）防雷

为防止雷电伤人，系统中钢结构支架与建筑物接地系统可靠连接.

（9）防风

集热器与支架的安装按图集规范安装。集热水箱为确保安全，防止滑脱，其与底座应固定可靠。

（10）接地

所有电器设备及电气设备相连接的金属部件应做接地处理。

（11）保温

所有明露管道及集热水箱均作保温处理。

4经济节能效益分析

一、太阳能，电，燃气热水器每次淋浴的加热耗能：

以每人每天热水定额为50L(60℃)热水，自来水水温按10℃计算

每人每天耗热量：10.5MJ

如果每天洗浴一次，则每人每年耗热量约3820.6MJ。

太阳能（人均配1㎡集热器）

太阳能平均的集热效率以50%计

以上海地区太阳能年辐照量4200MJ/㎡a为例

年平均计算太阳能热水系统最少保热量2100MJ/㎡

年太阳能热水系统节能率约（扣除系统运行中的热损失20%）为44%

二、各种热水器的淋浴费用比较

一次淋浴的热耗量

设定洗浴水温40℃，冷水温度10℃，一次淋浴需要50L，则耗热量

=50-(40-10)-4187-1

=6.28MJ

=1.74KWh

1、使用太阳能热水器每次淋浴的加热费用：

（1）150L的太阳能热水器配3.0㎡集热器，以上海为例，上海地区纬度倾角平面年总辐照量4200MJ/㎡a。集热效率为50%计算，则每1㎡集热器每年得热量为2100MJ约等于582KWh,则该热水器一年的得热量为：

582-3.0=1745Kwh

一年可以淋浴的次数为：

1745Kwh/1.74Kwh=1003次

推算一年淋浴1003次，按照每次淋浴用水50L计算，该套产品可以提供3口之家每人每周淋浴6.43次，所以，以每户每年淋浴1003次作为设计条件，进行电、燃气热水器淋浴费用的计算比较。

（2）设一套太阳能热水器的平均使用寿命为15年，在使用周期内共可以淋浴1003-15=15045次

（3）设一套集中太阳能热水系统分摊到每户的投资为7000元，则每次淋浴的加热费用为设备的折旧费用

7000÷15045=0.47元

2、使用燃气热水器每次淋浴的加热费用

（1）每次淋浴的耗气量:

燃气热水器的热效率取80%

天然气热值取35MJ/m3

则每次淋浴的耗气量为:

6.28/35-80%=0.22m3

（2）每次淋浴的燃料费

上海天然气的费用2.50元/㎡

每次淋浴的燃料费

0.22-2.50=0.55元

（3）设一套燃气容积式热水器的投资为3000元

在其使用周期内,以十年试用寿命计，住户共淋浴10030次

每次淋浴的设备折旧费

3000÷10030=0.30元

每次淋浴的加热费用

0.550.30=0.85元

3、使用电加热器每次淋浴的加热费用

（1）每次淋浴的耗电量，电热水器的热效率取90%

则每次淋浴的耗电量为

1.74÷90%=1.93Kwh

（2）每次淋浴的电费，上海的电费为0.61元/KWH

每次淋浴的电费

0.61-1.93=1.18元

（3）每次淋浴的设备折旧费

设一套储水式电热器的投资为2000元，在其使用周期内以十年使用寿命计住户淋浴10030次

每次淋浴的设备折旧费

2000÷10030=0.20元

每次淋浴的加热费用

1.180.20=1.38元

三、太阳能热水器投资回收年限计算

1、太阳能热水器每户年节约能源量

（1）每户3口之家，配3㎡集热器，在上海该集热器一年的得热量为6300MJ，折合电量1745KWH，当居民充分使用太阳能时，该值就是太阳能热水器年节约能源量。

（2）电热水器的热效率取90%，以提供6300MJ热量供居民淋浴，

则需耗电：1745÷90%=1939KWH

（3）燃气热水器的热效率取80%，以提供6300MJ热量供居民淋浴，

则需消耗热量：6300÷80%=7875MJ

天然气低发热量值为35MJ/m3

耗气量为：7875÷35=225m3

2、太阳能热水器年节约运行费

上海天然气的费用2.1元/m3，电费为0.61元/Kwh

（1）相对于电热水器，太阳能热水器年节约运行费：

1939-0.61=1183元

（2）相对于燃气热水器，太阳能热水器年节约运行费：

225-2.50=563元

3、增加投资的回收年限

（1）太阳能热水器比电热水器增投资3500元，回收年限：

3500÷1183=3年

（2）太阳能热水器比燃气热水器增投资4000元，回收年限：

4000÷563=7.1年

四、太阳能热水系统环保效益评估

太阳能热水系统的环保效益主要体现在因节省常规能源而减少了CO2的排放量

以一户安装2.9㎡集热面积计：

则15年内每户二氧化碳的减排量约为8.33吨，

每户年节约能量约为：4872MJ

5结束语

当今世界能源，气候变化和环境在内的诸多问题日益凸现，已成为各国面临的共同挑战。二十一世纪的中国必须应对在保证经济持续稳定增长的同时，消除能源消费结构不合理造成的环境破坏和温室气体的过分排放，降低经济发展的真实成本。资源节约作为中央十.一五规划的重点工作，已明确提出两项相关目标：一是到2010年确定单位GDP能耗下降20%；二是确定主要污染物的（包括二氧化碳）排放量下降10%，并提出要建设资源节约型和环境友好型社会的目标，我国第一部《可再生能源法》从2006年1月1日已正式实施，在目前日益紧张的能源市场，在新建住宅小区中充分合理地开发与利用太阳能资源，减少常规能源的消耗，改善居民生活质量，促进环境可持续发展，将具有广阔的市场前景，可观的经济效益与环境保护效益。