住宅太陽能熱水系統(tǒng)與輔助加熱方式的選擇

上海城鄉(xiāng)建筑設(shè)計(jì)院有限公司 上海 201103

0 前言

太陽能作為取之不盡的清潔能源，它的應(yīng)用是社會(huì)發(fā)展的必然趨勢[1-4]。目前，我國很多省市對(duì)于新建、改建建筑都有設(shè)置太陽能熱水系統(tǒng)的規(guī)定，太陽能利用如雨后春筍，方興未艾。

目前，在市場上用于住宅熱供水的太陽能熱水裝置大約有3 種[5]，其中集中集熱、集中貯水、分戶計(jì)量系統(tǒng)被稱為太陽能集中供熱水系統(tǒng)；集中集熱、分戶貯水、分戶計(jì)量被稱為太陽能集中-分散供熱水系統(tǒng)；分散集熱、分戶貯水被稱為太陽能分散供熱水系統(tǒng)。3 種熱水系統(tǒng)各有利弊，各有側(cè)重，如何選擇這3 種熱水系統(tǒng)，必須因時(shí)、因地、因建筑制宜。根據(jù)我們?cè)趯?shí)際工程中的經(jīng)驗(yàn)，分述如下。

1 高層住宅太陽能熱水系統(tǒng)的選擇

高層住宅太陽能熱水系統(tǒng)對(duì)上述3 種形式均可采用。

1.1 高層住宅集中供熱水系統(tǒng)、集中-分散供熱水系統(tǒng)

對(duì)于住宅供熱水系統(tǒng)來說，一般每戶約需3 m2的太陽能集熱板。高層住宅屋面一般都設(shè)有電梯機(jī)房、樓梯間及必要的通道，若屋面不被其他用途占用，對(duì)于大戶型（每戶建筑面積平均約100 m2），屋面面積約可滿足10～12層住戶集熱器的布置，若為小戶型（每戶建筑面積平均約80 m2），屋面面積約只能滿足7～8層住戶集熱器的布置。所以，12層以上的高層住宅如果采用集中供熱水系統(tǒng)、集中-分散供熱水系統(tǒng)，只能滿足部分住戶的要求。

對(duì)于10～12層住宅，目前一般多采用集中-分散供熱水系統(tǒng)。即將集熱器集中設(shè)在屋面，每戶分設(shè)承壓水箱，通過在公共管井設(shè)熱媒循環(huán)管，使太陽能的熱量傳遞到每戶。這樣集熱器等將作為公共財(cái)產(chǎn)，其管理、維修由物業(yè)公司承擔(dān)，而每戶使用的熱水取自戶內(nèi)的冷水管，水費(fèi)獨(dú)立計(jì)量。此系統(tǒng)解決了高層住宅分區(qū)供水的問題，是高層住宅比較理想的太陽能熱水系統(tǒng)，但是這將增加后期物業(yè)管理的工作及費(fèi)用，所以開發(fā)商對(duì)這一系統(tǒng)還有所顧慮。

相對(duì)而言，集中供熱水系統(tǒng)對(duì)于高層住宅來說，由于存在屋面面積不夠、高層住宅分區(qū)供水及今后維修等問題，一般不常采用。

因此，集中-分散供熱水系統(tǒng)無論是對(duì)于高層住宅還是低層住宅都是一個(gè)值得推薦的指數(shù)較高的太陽能熱水系統(tǒng)。

1.2 高層住宅分散供熱水系統(tǒng)

由于高層住宅屋面面積的有限性，分散供熱水系統(tǒng)補(bǔ)充其不足，解決了屋面集熱面積不夠的問題，實(shí)現(xiàn)了每家每戶都能利用太陽能。如我們?cè)谏虾Ｈ嫠募净ǔ亲限痹贰⒂裉m苑的設(shè)計(jì)中，即采用了太陽能熱水器與建筑一體化機(jī)組，該項(xiàng)目在建筑規(guī)劃、建筑朝向、建筑間距、建筑單體的設(shè)計(jì)中，就充分考慮到每戶的日照、太陽能集熱板的需求面積、設(shè)置要求及貯熱水箱的放置位置。在具體安裝中，我們將集熱器放在南側(cè)陽臺(tái)欄板外側(cè)，并與陽臺(tái)板充分結(jié)合，將水箱、智能泵站、膨脹罐與空調(diào)外機(jī)結(jié)合，置于空調(diào)機(jī)位空余位置。該系統(tǒng)每戶獨(dú)立，產(chǎn)權(quán)清晰，分戶計(jì)量，便于物業(yè)管理，無計(jì)費(fèi)糾紛。從建成效果看，不僅使家家戶戶使用了太陽能，達(dá)到了節(jié)能的效果，而且在建筑立面設(shè)計(jì)時(shí)即考慮了集熱板的設(shè)置，集熱板并沒有影響建筑立面。集熱板設(shè)置如圖1。

圖1 分散供熱水系統(tǒng)的集熱板設(shè)置

2 多層住宅太陽能熱水系統(tǒng)的選擇

4～6 層多層住宅太陽能熱水系統(tǒng)同樣可采用集中供熱水系統(tǒng)、集中-分散供熱水系統(tǒng)、分散供熱水系統(tǒng)[6]。別墅的太陽能熱水系統(tǒng)一般采用分散供熱水系統(tǒng)。

2.1 多層住宅集中供熱水系統(tǒng)、集中-分散供熱水系統(tǒng)

多層住宅由于屋面面積基本能滿足全部住戶集熱器的設(shè)置，所以集中供熱水系統(tǒng)是4～6 層住宅太陽能熱水系統(tǒng)的主要模式，但由于今后的維修、計(jì)費(fèi)等問題，一般又不常采用。此系統(tǒng)多用于公共建筑。

多層住宅集中-分散供熱水系統(tǒng)，類同前述10～12 層高層住宅的模式。我們?cè)谀贤ㄖ懈鄢?～6 層住宅的設(shè)計(jì)中，即采用了該系統(tǒng)，集熱器集中設(shè)在屋頂，熱水箱設(shè)在每戶戶內(nèi)，在公共管井內(nèi)設(shè)有熱媒供水管及熱媒回水管，供回水管采用同程布置。如圖2所示。

圖2 多層住宅的集中-分散供熱水系統(tǒng)

2.2 多層住宅的分散供熱水系統(tǒng)

多層住宅的分散供熱水系統(tǒng)分為2 種形式，第一種為每戶1 個(gè)設(shè)在屋頂?shù)募療崞髋c熱水箱一體機(jī)，但每戶有2 根進(jìn)出水管需設(shè)在公共部位，加之集熱器及水箱的粗糙外形，對(duì)建筑立面有一定的影響，開發(fā)商與住戶均難以接受；第二種是集熱器與熱水箱分離，將每戶的集熱器都設(shè)在屋頂，水箱則設(shè)在每戶戶內(nèi)（臥式或立式），由2 根熱媒管連接每戶的屋頂集熱器與戶內(nèi)水箱，該系統(tǒng)無計(jì)量矛盾。這一系統(tǒng)既滿足了集熱器的設(shè)置要求，又不影響建筑立面，但由于熱媒管為銅管，造價(jià)相對(duì)較高。

別墅太陽能熱水系統(tǒng)一般都采用每戶獨(dú)立的分散供熱水系統(tǒng)。由于別墅每戶有足夠的屋面，所以集熱器的放置將不成為一個(gè)問題，同時(shí)還可適當(dāng)增加集熱器面積，使集熱效果更加好。如東方帕堤歐項(xiàng)目的別墅住宅，其屋頂為坡頂，在施工圖設(shè)計(jì)時(shí)即考慮將集熱器結(jié)合坡頂設(shè)置，并且安裝預(yù)留配件，所以集熱器與屋頂巧妙地融為一體，立面效果良好。該項(xiàng)目頂層還留有設(shè)備平臺(tái)，水箱即設(shè)于該平臺(tái)。

3 輔助熱源及室內(nèi)熱水系統(tǒng)的選擇

太陽能這種綠色能源正在被人類社會(huì)越來越多的應(yīng)用，但它的不足是“靠天吃飯”，倘日照不足，將嚴(yán)重制約太陽能熱水系統(tǒng)的效果。為此，作為“備份”，輔助熱源也就成為太陽能熱水系統(tǒng)補(bǔ)充的不二選擇。

3.1 空氣源熱泵

空氣源熱泵作為輔助熱源均可適用于上述3 種太陽能供熱水系統(tǒng)的補(bǔ)充。在太陽能輔助熱源中，理論上來說應(yīng)首推空氣源熱泵[7]。因?yàn)榭諝庠礋岜萌旌蛑茻崴?，彌補(bǔ)了太陽能熱水系統(tǒng)在陰雨、黃梅或其他缺乏日照時(shí)的缺陷，此外，空氣源熱泵本身亦屬于節(jié)能產(chǎn)品。

但就天陽能分散供熱水系統(tǒng)而言，一則需要另外設(shè)置一個(gè)空氣源熱泵機(jī)組（類似空調(diào)室外機(jī)）須有機(jī)位的要求，二來空氣源熱泵將冷水制成熱水是需要一定的時(shí)間，使用的舒適性會(huì)降低。故在住宅設(shè)計(jì)中，一般不常采用，多用于公共建筑。

3.2 電加熱

電加熱常用于太陽能集中-分散供熱水系統(tǒng)、分散供熱水系統(tǒng)的輔助方法。由于電加熱比較方便，故電加熱常被選用作為一種輔助加熱方法。但是電加熱的能耗比低，且作為二次能源，不節(jié)能。特別是在在有電費(fèi)分時(shí)計(jì)費(fèi)的城市，很難享受到分時(shí)計(jì)費(fèi)的好處。當(dāng)太陽能被確認(rèn)某天不能滿足使用要求時(shí)，為滿足當(dāng)天的使用要求，則必須在白天計(jì)費(fèi)時(shí)段完成電加熱，同時(shí)為使第二天能充分利用太陽能加熱，在晚間計(jì)費(fèi)時(shí)段不用將水箱中的水完成加熱（早晨有熱水大用量的除外）。所以我們不推薦電加熱作為太陽能輔助熱源的加熱方式。

電加熱作為輔助熱源，一般多用于集熱器與熱水箱為一體的太陽能熱水器。

3.3 燃?xì)鉄崴鬏o助熱源

同樣，燃?xì)鉄崴饕嗑m用于太陽能集中供熱水系統(tǒng)、集中-分散供熱水系統(tǒng)、分散供熱水系統(tǒng)的輔助熱源。

太陽能與燃?xì)鉄崴鞯挠袡C(jī)結(jié)合，可在滿足用水舒適度的前提下，最大限度地利用太陽能[8]。用戶使用多少熱水，就加熱多少，毋需將整箱水加熱。

3.3.1 普通家用燃?xì)鉄崴?/p>

普通家用燃?xì)鉄崴魇褂脮r(shí)，水從水箱進(jìn)入燃?xì)鉄崴骷訜?，出水達(dá)設(shè)定溫度，供用水點(diǎn)使用。但普通家用燃?xì)鉄崴鲗?duì)進(jìn)水溫度的判斷有限，當(dāng)夏天光照強(qiáng)烈時(shí)，如太陽能熱水箱水溫已達(dá)70 °C，水箱出水經(jīng)過燃?xì)鉄崴鲿r(shí)，雖然燃?xì)鉄崴鞑还ぷ?，但過熱的進(jìn)水，會(huì)影響燃?xì)鉄崴鞯氖褂脡勖?。所以普通家用燃?xì)鉄崴髯鳛檩o助熱源，有其局限性。

3.3.2 燃?xì)獗趻鞝t

我們?cè)谏虾Ｈ婧Ｉ许?xiàng)目設(shè)計(jì)中采用了該形式。由于該樓盤為高檔精裝修房，每戶均設(shè)置有空調(diào)地暖，所以太陽能輔助熱源采用了燃?xì)獗趻鞝t。燃?xì)獗趻鞝t是一種較大型的燃?xì)鉄崴?，既有提供地暖熱水的功能，又能滿足衛(wèi)生熱水的要求。該熱水器內(nèi)置換熱板，在換熱板前設(shè)有溫感器，可以對(duì)進(jìn)水水溫進(jìn)行感溫，當(dāng)進(jìn)水溫度小于設(shè)定使用溫度時(shí)，熱水爐啟動(dòng)加熱，當(dāng)進(jìn)水溫度滿足使用溫度時(shí)，熱水爐不啟動(dòng)，而直接使用由太陽能加熱的熱水。由于該熱水器設(shè)置換熱板，故進(jìn)出水升溫可有效控制，幾乎為無級(jí)調(diào)溫。

由于燃?xì)獗趻鞝t可滿足開發(fā)商對(duì)空調(diào)地暖的要求，衛(wèi)生熱水系統(tǒng)可采用室內(nèi)熱水循環(huán)系統(tǒng)，所以燃?xì)獗趻鞝t是一個(gè)高品質(zhì)的輔助熱源。它既充分利用了太陽能，使用時(shí)又安全、舒適，還能適用于空調(diào)地暖，所以目前在中高端的樓盤，尤其是精裝修房，設(shè)計(jì)多推薦此方案。但該熱水器價(jià)格較高，如用戶無需地暖，則不適合選用此方案。

3.3.3 混合閥

以上2 種燃?xì)鉄崴鞲饔刑攸c(diǎn)，也均有局限性，如何在不采用地暖的情況下，使普通家用燃?xì)鉄崴髯鳛檩o助熱源，安全地達(dá)到使用要求，有的項(xiàng)目就在燃?xì)鉄崴鬟M(jìn)水前，設(shè)一混合閥，通過該閥判斷進(jìn)水水溫，當(dāng)進(jìn)水溫度小于設(shè)定溫度時(shí)，水流進(jìn)入燃?xì)鉄崴?，?dāng)進(jìn)水溫度高于設(shè)定溫度時(shí)，水流通過旁通管直接進(jìn)入熱水管網(wǎng)，使用下來效果不錯(cuò)。

3.3.4 室內(nèi)熱水系統(tǒng)

太陽能熱水系統(tǒng)必須設(shè)有水箱，特別是集中-分散供熱水系統(tǒng)、分散供熱水系統(tǒng)，水箱設(shè)于每戶戶內(nèi)，一般均為閉式承壓水箱[9]。所以對(duì)于這2 種系統(tǒng)的室內(nèi)熱水系統(tǒng)來說，既可采用熱水直供系統(tǒng)，也可采用機(jī)械循環(huán)系統(tǒng)。

熱水直供系統(tǒng)在使用中會(huì)損失管中部分冷水，不利于節(jié)水，同時(shí)舒適性較差。

建議熱水系統(tǒng)采用機(jī)械循環(huán)方式，熱水循環(huán)泵的啟閉采用溫感控制，使用舒適性好。

對(duì)于輔助熱源為燃?xì)鉄崴鞯氖覂?nèi)熱水系統(tǒng)，則必須設(shè)有熱水箱溫度控制系統(tǒng)，以使太陽能加熱未達(dá)設(shè)定溫度時(shí)，室內(nèi)熱水循環(huán)泵不啟動(dòng)，同時(shí)再增設(shè)手動(dòng)系統(tǒng)，控制系統(tǒng)繁瑣。所以我們?cè)谠O(shè)計(jì)中，對(duì)于循環(huán)泵的啟閉通常采用了延時(shí)開關(guān)，可在室內(nèi)設(shè)1 個(gè)或若干個(gè)延時(shí)開關(guān)，設(shè)定30～60 s自行關(guān)閉。使用時(shí)只需觸摸開關(guān)，即啟動(dòng)了循環(huán)泵，打開水嘴便可使用熱水，真正達(dá)到節(jié)能、節(jié)水的效果。

4 結(jié)語

根據(jù)社會(huì)需求，我們?cè)谧≌O(shè)計(jì)之初即介入太陽能熱水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并根據(jù)不同的建筑層數(shù)、開發(fā)商不同的要求及投資需求，量身定制太陽能熱水系統(tǒng)。從已竣工的大量項(xiàng)目中，取得非常好的實(shí)效，得到了社會(huì)認(rèn)可。

如在上海三湘四季花城紫薇苑、玉蘭苑高層住宅的設(shè)計(jì)中，我們采用太陽能熱水器與建筑一體化機(jī)組，將集熱器設(shè)置在每戶南側(cè)的陽臺(tái)板上，該建筑現(xiàn)已竣工，使用情況良好。無論立面造型，還是社會(huì)效益，都收到滿意的效果。該工程實(shí)例被寫入《上海市太陽能圖集》，在上海是一個(gè)成功的范例。

根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，我們認(rèn)為：

（a）在設(shè)計(jì)之初，即要確定太陽能設(shè)計(jì)體系及各裝置的設(shè)置部位及其技術(shù)要求，應(yīng)結(jié)合建筑立面、屋頂造型，使太陽能系統(tǒng)融入建筑，成為建筑的一部分。

（b）輔助熱源、室內(nèi)熱水系統(tǒng)不是千篇一律的，各有利弊，可以靈活組合，以滿足住戶及開發(fā)商的不同需求。