太陽能熱水系統(tǒng)建筑一體化設(shè)計問題探討

林曉云 遲增偉

根據(jù)濟(jì)南市2013年11月頒布的《關(guān)于高層建筑推廣應(yīng)用太陽能熱水系統(tǒng)的實(shí)施意見》，決定自2014年起，市域內(nèi)100米以下新建、改建、擴(kuò)建的住宅和集中供應(yīng)熱水的公共建筑，一律設(shè)計安裝使用太陽能熱水系統(tǒng)。機(jī)關(guān)辦公、公益性、保障房、單體2萬平米以上公建將強(qiáng)制執(zhí)行綠色建筑評價標(biāo)準(zhǔn)。這些舉措都意味著太陽能建筑一體化設(shè)計將成為未來設(shè)計工作的一個重要組成部分。

理想的太陽能建筑一體化，即太陽能與建筑完全融為一體，如果去掉太陽能裝置，建筑也不再完整，但這樣的理想狀態(tài)在現(xiàn)階段很難實(shí)現(xiàn)?，F(xiàn)在最常用的是將太陽能熱水器的安裝與建筑設(shè)計相結(jié)合，在建筑設(shè)計中就將太陽能熱水器的安裝位置、荷載及管道考慮在其中，使用戶使用太陽能熱水器就像用空調(diào)一樣方便。此外，還應(yīng)做好防雷、抗風(fēng)等措施，同時處理好建筑的外觀立面。

1 太陽能熱水系統(tǒng)分類及特點(diǎn)

太陽能熱水系統(tǒng)按供熱水范圍可分為三種：

1.1 分散供熱水系統(tǒng)

分散供熱水系統(tǒng)是采用分散的太陽能集熱器和分散的貯水箱供給各個用戶所需熱水的小型系統(tǒng)。其中，分散供熱水系統(tǒng)按系統(tǒng)運(yùn)行方式主要包括以下三種：

1.1.1 自然循環(huán)直接系統(tǒng)

自然循環(huán)直接系統(tǒng)又叫做直插式普通熱水器，他是集熱器和水箱結(jié)合在一起的整體式系統(tǒng)，其工作原理是在太陽能集熱器中直接加熱水給用戶的太陽能熱水系統(tǒng)。集熱器與水箱不分離，是太陽能熱水器早期的一種應(yīng)用形式，至今仍在多層建筑中廣泛應(yīng)用。

優(yōu)點(diǎn)：①樓頂集中放置，采光效果好，太陽能利用率高；②產(chǎn)品結(jié)構(gòu)簡單，技術(shù)成熟，運(yùn)行穩(wěn)定；③系統(tǒng)配件普及，便于維護(hù)，產(chǎn)品價格低廉；④無需專門計量，可以個性化使用，便于物業(yè)管理。

缺點(diǎn)：①冷水頭長；②冷熱水有壓差；③管道多；④屋面占用空間大；⑤獨(dú)立使用，熱量得不到共享。

自然循環(huán)直接系統(tǒng)適用于中小城市、鄉(xiāng)鎮(zhèn)及鄉(xiāng)村的單層和多層住宅。

1.1.2 自然循環(huán)間接系統(tǒng)

自然循環(huán)間接系統(tǒng)一般指分體式自然循環(huán)系統(tǒng)，該系統(tǒng)集熱器中的傳熱工質(zhì)和水箱中的水是相互獨(dú)立的，通過換熱器將水箱中的水加熱，其工作原理是利用傳熱工質(zhì)內(nèi)部的溫度梯度產(chǎn)生的密度差所形成的自然對流進(jìn)行反復(fù)循環(huán)，從而將水箱中的水加熱。為了保證必要的熱虹吸壓頭，貯水箱應(yīng)高于集熱器上部。集熱器可以安裝在墻壁、陽臺等位置，能夠?qū)崿F(xiàn)太陽能集熱器與建筑的完美結(jié)合，它代表了太陽能熱水器的發(fā)展方向，并且應(yīng)用也越來越廣泛。

優(yōu)點(diǎn)：壁掛式分體太陽能可用于高層住宅，且分戶統(tǒng)一安裝，建筑立面整齊劃一。這種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，不需要附加動力，控制簡單，易于安裝，維修方便。

缺點(diǎn)：①前樓遮擋；②影響立面；③投資高

自然循環(huán)間接系統(tǒng)適用于多層和高層住宅。

1.1.3 強(qiáng)制循環(huán)間接系統(tǒng)

強(qiáng)制循環(huán)間接系統(tǒng)主要是指分體式強(qiáng)制循環(huán)承壓系統(tǒng)，該系統(tǒng)水箱與集熱器相互獨(dú)立，利用水箱中的換熱器進(jìn)行熱交換，使用循環(huán)泵和溫差控制進(jìn)行循環(huán)。

優(yōu)點(diǎn)：強(qiáng)制循環(huán)分體式太陽能可全面解決別墅大量使用生活熱水的需求；承壓運(yùn)行設(shè)計、全自動控制系統(tǒng)、使用方便；采用密閉雙循環(huán)技術(shù)運(yùn)行，干凈無細(xì)菌；安全提供熱水，配有壓力溫度雙重安全閥。

缺點(diǎn)：由于集熱器水箱分離和必須采用承壓水箱方式，水箱工藝要求高，成本較高。

強(qiáng)制循環(huán)間接系統(tǒng)適用于多層、高層住宅，尤其適合別墅建筑。

1.2 集中-分散供熱水系統(tǒng)

集中-分散供熱水系統(tǒng)是采用集中的太陽能集熱器和分散的貯水箱供給一幢建筑物所需熱水的系統(tǒng)。該系統(tǒng)是一種間接式太陽能系統(tǒng)，屋面集中的集熱器陣列與所有室內(nèi)的分戶換熱水箱循環(huán)換熱，陰天時可啟動水箱內(nèi)電加熱管輔助加熱。

優(yōu)點(diǎn)： ①用水無需單獨(dú)計量；②熱水舒適度高；③故障率低；④運(yùn)行費(fèi)用低；⑤不需要蓄熱水箱，減輕樓面承重。

缺點(diǎn)：間接換熱影響熱效率，需要增加集熱面積。當(dāng)分戶水箱與集熱器管路不能實(shí)現(xiàn)同程時，會出現(xiàn)短路循環(huán)各水箱冷熱不均，樓層越高分戶越多越難一致。每個水箱需要獨(dú)立的斷開水路控制功能，防止電加熱時將熱量傳走。必要時需增加智能控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)分戶水箱合理的熱量分配。

系統(tǒng)綜述：系統(tǒng)運(yùn)行中太陽能是免費(fèi)的，運(yùn)行能耗是付費(fèi)的。每天運(yùn)行中由于用戶隨機(jī)使用熱水，所以很多時間段運(yùn)行能耗是浪費(fèi)的，輔助加熱是無用的，在全年運(yùn)行中，冬季輔助加熱費(fèi)用又會劇增，所以24小時供熱水系統(tǒng)不是效率最高最節(jié)約的系統(tǒng)。

1.3 集中供熱水系統(tǒng)

集中供熱水系統(tǒng)是采用集中的太陽能集熱器和集中的貯水箱供給一幢或幾幢建筑物所需熱水的系統(tǒng)。該系統(tǒng)是一種直接式太陽能熱水系統(tǒng)，也是節(jié)能優(yōu)化型太陽能熱水系統(tǒng)。

目前大多數(shù)公共建筑，尤其是高層公共建筑都采用此系統(tǒng)，該系統(tǒng)中太陽能集熱器采用集中陣列放置于樓頂，集中集熱；蓄熱水箱依照現(xiàn)場情況可放置于屋頂或者地下室，集中儲熱。根據(jù)用水需要可以選擇單水箱、雙水箱或者水電隔離模式，采用增壓泵將水箱中的熱水供到各用水點(diǎn)。

該系統(tǒng)可分為以下幾種模式：

（1）單水箱模式：單水箱模式常用于需要定時供熱水的學(xué)校、賓館、職工宿舍等場所。

（2）雙水箱模式：在需要24小時供熱水的醫(yī)院、高檔賓館、酒店中一般采用雙水箱模式。

優(yōu)點(diǎn)：①熱水共享；②技術(shù)成熟；③用熱水檔次高；④系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、效率高，布置方式靈活，集熱器統(tǒng)一安裝在樓頂，不受樓間距影響，室內(nèi)沒有任何設(shè)備，節(jié)省戶內(nèi)空間，與建筑一體化程度高；⑤投資成本適中，效費(fèi)比高，可以使用廉價熱源進(jìn)行輔助加熱，如燃?xì)狻⒓泄┡取?/p>

缺點(diǎn)：①當(dāng)太陽能設(shè)計水量小于每日需求量時，輔助加熱成本會劇增，造成熱水成本高；

②當(dāng)太陽能系統(tǒng)管路太長時，管路熱損加大了運(yùn)行費(fèi)用，造成熱水成本高；③在居住建筑中，當(dāng)承諾24小時供熱水，但入住率低時，使用熱水率低，收支不平衡造成虧損；④熱水需要專門計量、收費(fèi)，增加物業(yè)管理難度。

系統(tǒng)綜述：該系統(tǒng)在高級賓館應(yīng)用已久，技術(shù)成熟，設(shè)備定型，在輔助熱源的配套下通過智能控制可以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)要求。該系統(tǒng)屬于高檔配套，熱水獨(dú)立收費(fèi)。

2 建筑設(shè)計要求

2.1 規(guī)劃設(shè)計原則

對于應(yīng)用太陽能建筑一體化的建筑來說，符合生態(tài)理念的規(guī)劃設(shè)計，是充分利用太陽能的基礎(chǔ)。從建筑基地的選擇到建筑群體布局、日照間距、朝向以及地形的利用等方面，都應(yīng)遵循爭取冬季最大日照的原則。

2.2 建筑設(shè)計要求

如果把太陽能作為后期添加的設(shè)備隨意安裝，不僅在造型上很難與建筑結(jié)合，影響美觀，而且容易破壞建筑結(jié)構(gòu)和設(shè)備系統(tǒng)。因此，在建筑設(shè)計之初就要做好統(tǒng)籌規(guī)劃，使太陽能成為建筑不可缺少的一部分。

3 應(yīng)用實(shí)例

3.1 悉尼奧運(yùn)游泳館

悉尼奧運(yùn)游泳館是悉尼奧運(yùn)會的游泳比賽場地，包括一個露天的50m海水標(biāo)準(zhǔn)泳池和一個室內(nèi)的25m淡水訓(xùn)練泳池。游泳池的供熱系統(tǒng)采用4套系統(tǒng)相配合，太陽能供熱系統(tǒng)、水源熱泵系統(tǒng)、天然氣鍋爐和空調(diào)系統(tǒng)。其中太陽能熱水系統(tǒng)和水源熱泵系統(tǒng)的投資為50萬澳元，國家補(bǔ)助25萬澳元。太陽能熱水系統(tǒng)的集熱板面積為500㎡，集熱板放在室內(nèi)游泳館的屋頂，伸出部分用作看臺遮陽頂，集熱板與屋頂?shù)慕Y(jié)合非常實(shí)用巧妙。

夏天，僅用太陽能熱水系統(tǒng)即可滿足游泳池的需要，冬天，太陽能熱水系統(tǒng)可提供約30%的熱量，太陽能和熱泵系統(tǒng)基本可滿足泳池的供熱需求；天然氣鍋爐只為特殊天氣設(shè)計，例如冬天特別寒冷的時候；而第四套供熱系統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)是為極端天氣設(shè)計的，是為了保證系統(tǒng)的絕對可靠，啟動的機(jī)會很少。