太陽能熱水系統(tǒng)在建筑給排水設(shè)計中的應(yīng)用

張欣欣，景麗

（1.江西省桂能綜合設(shè)計研究院有限公司；2.上海凱泉泵業(yè)（集團）有限公司濟南分公司）

1 引言

在建筑給排水設(shè)計中，除了要保證給排水系統(tǒng)建設(shè)質(zhì)量和使用功能外，還要盡量降低給排水系統(tǒng)能耗。太陽能是一種清潔能源和可再生能源，通過在建筑給排水設(shè)計中應(yīng)用太陽能熱水系統(tǒng)，可以有效實現(xiàn)其節(jié)能設(shè)計目標。

2 設(shè)計中的應(yīng)用優(yōu)勢

以節(jié)能、環(huán)保、效率、和諧、持續(xù)為目標進行建筑設(shè)計，強調(diào)建筑與生態(tài)環(huán)境之間的協(xié)調(diào)性與統(tǒng)一性，追求在建筑全壽命周期內(nèi)最大限度地節(jié)約資源及減少污染，是現(xiàn)代建筑設(shè)計的基本要求。若想達到該要求，必然離不開對各種清潔能源、可再生能源的應(yīng)用，太陽能正是其中之一。太陽能熱水系統(tǒng)的應(yīng)用原理是基于太陽能的可循環(huán)性，利用太陽能熱水系統(tǒng)來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的熱水系統(tǒng)，它不但能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)約電能和煤氣，同時還能夠減少由傳統(tǒng)供熱方式所引起的空氣、廢料污染。成本低、投入少也是太陽能熱水系統(tǒng)的一項重要優(yōu)勢，一方面太陽能本身幾乎沒有成本，另一方面太陽能熱水系統(tǒng)的安裝簡單、造價低。由于太陽能熱水系統(tǒng)的這些優(yōu)勢，使得它在建筑給排水設(shè)計中得到了十分廣泛的應(yīng)用。

3 設(shè)計中的應(yīng)用要點

3.1 熱水系統(tǒng)設(shè)置

太陽能熱水系統(tǒng)有很多種類型，例如水箱式（緊湊式）太陽能熱水系統(tǒng)、集熱式（分離式）太陽能熱水系統(tǒng)等，還可分為自然循環(huán)式太陽能熱水系統(tǒng)、強制循環(huán)式太陽能熱水系統(tǒng)，以及直接加熱式太陽能熱水系統(tǒng)、間接加熱式太陽能熱水系統(tǒng)。目前在建筑給排水設(shè)計中最常用的是直接加熱式的分離式太陽能熱水系，其特點是對水箱與集熱器進行分開設(shè)置，優(yōu)勢是能夠有效保證循環(huán)系統(tǒng)的可承受壓力、減少污染外泄以及提高熱能置換效率。在實際設(shè)計中，可以選擇將太陽能熱水系統(tǒng)的水箱設(shè)置在地下室中，以便降低維修難度、減輕對建筑立面結(jié)構(gòu)的影響。

3.2 管路設(shè)置

太陽能熱水系統(tǒng)的管路設(shè)置乃是關(guān)鍵，應(yīng)采取科學(xué)措施來保持冷熱水系統(tǒng)壓力的平衡，將其壓差控制在0.02MPa以內(nèi)[1]。所有管道都要進行有效的保溫處理，這樣才能夠保證太陽能熱水系統(tǒng)的供水溫度。如果是室外管道，還要進行有效的防凍處理，以免出現(xiàn)管道凍裂。對管道方向進行合理安排是一項重要內(nèi)容，通常情況下，對于室內(nèi)水平管線應(yīng)盡量進行隱蔽布設(shè)，對于室外管線應(yīng)進行隱蔽布設(shè)，對于豎向管線應(yīng)布設(shè)在與豎向管道井內(nèi)部相貼近的地方，同時還要做好相關(guān)防護措施，以方便后期維護維修。注意，在隱蔽工程的施工中不能留有管線接頭。另外，還要對管道材料進行合理選擇，在選擇管道材料時應(yīng)充分考慮到管道工作壓力、工作溫度等因素，一般以金屬管材和不銹鋼管線為宜，并做好相關(guān)防腐措施；保溫材料則可選擇橡塑。

3.3 控制方式

如果準備在建筑給排水設(shè)計中應(yīng)用太陽能熱水系統(tǒng)的話，需要事先根據(jù)太陽能熱水系統(tǒng)的占地尺寸預(yù)留出足夠的位置，并結(jié)合實際設(shè)置輔助性熱源裝置，以保障太陽能熱水系統(tǒng)的正常穩(wěn)定運行。通常是把輔助性熱源裝置設(shè)置在水箱周邊，這樣可以方便后期運行和維護；同時根據(jù)實際情況對輔助性熱源裝置采取合理的控制方式，如手動啟動、定時啟動、全日重點啟動等[2]。此外，還需對電磁閥和溫度控制閥進行合理設(shè)置。

4 應(yīng)用實例

某高層商業(yè)建筑工程總建筑面積6457.54m2，建筑高度65m，由地下1 層+地上10 層組成，其中1F 為商鋪區(qū)、2F為餐飲區(qū)，3F～5F 為辦公區(qū)、6F～10F 為公寓區(qū)。在本工程的建筑給排水設(shè)計中擬應(yīng)用太陽能熱水系統(tǒng)。

4.1 系統(tǒng)參數(shù)

4.1.1 平均日熱水用水量

根據(jù)當?shù)貧夂驕囟惹闆r并參考相關(guān)設(shè)計標準來計算和確定平均日熱水用水量數(shù)值。經(jīng)計算和比選得出：局部熱水供應(yīng)時平均熱水用水量為33L/（人· d），集中熱水供應(yīng)時平均熱水用水量為40 L/（人·d）～50L/（人· d）。

4.1.2 冷熱水溫度取值

根據(jù)當?shù)啬昶骄鶞囟葋砗侠磉x取冷水溫度數(shù)值，該地區(qū)年平均冷水溫度為15℃～20℃，故初始水溫可取值15℃；熱水溫度的取值則需四季保持在45℃～55℃。

4.1.3 太陽能保障率

采用熱管真空管方案，在20℃的進水溫度和70℃的出水溫度情況下，經(jīng)計算得出太陽能保障率可達到1249kw·h/（m2·a）。 根據(jù)實際情況，陽光等級選擇C 級。

4.1.4 水箱容積

水箱容積設(shè)計的關(guān)鍵是建筑最大熱水使用量，在實際設(shè)計中需以高峰用水量和工程投資為依據(jù)。由于建筑中人員密度較大、管線分布較多，所以還需考慮到最大用水量。為避免水箱容積的實際值與設(shè)計值不相符，應(yīng)按照最大用水量的0.4 倍計算。

4.2 系統(tǒng)設(shè)計

4.2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

首先，在太陽能熱水系統(tǒng)的進水部分設(shè)計中，根據(jù)實際情況選擇單向閥門方案，注意要對建筑高度、系統(tǒng)布置、壓力等因素進行充分考慮，確保管線連接緊密、布設(shè)合理。其次，在太陽能熱水系統(tǒng)的加熱部分設(shè)計中，注意要充分考慮水箱的性能，合理選擇太陽能真空管的加熱方式。最后，在太陽能熱水系統(tǒng)的供水系統(tǒng)設(shè)計中，采取冷熱水管整體設(shè)計方案，管道則進行獨立、封閉布設(shè)，注意要盡量排除重力勢能對水箱高度的不利影響。

4.2.2 定溫循環(huán)系統(tǒng)設(shè)計

在太陽能熱水系統(tǒng)的進水系統(tǒng)設(shè)計中，為提高水管和水箱的連接效果，應(yīng)處理好差額補水，同時這樣做還可促進冷水與水箱內(nèi)熱水的均勻混合，從而保證溫度分布均勻。對定溫循環(huán)系統(tǒng)采取循環(huán)加熱的方式，以使水源可以在外力條件下持續(xù)流動，得到良好的保溫 效果。

4.2.3 集熱器排列設(shè)計

當?shù)啬昶骄鶞囟?6.7℃、最高溫度39℃、最低溫度-3℃，年平均日太陽輻照量12.613MJ/m2。考慮到是高層商業(yè)建筑，要求較高的太陽能應(yīng)用效率，所以選擇采用新型復(fù)合拋物面聚光集熱器。CPU 綜合采用真空和熱管技術(shù)，在設(shè)計中遵循邊緣光線原理，并采用非城鄉(xiāng)低聚焦度聚光器，只需定期調(diào)整傾角角度即可達到較好的應(yīng)用效果。根據(jù)相關(guān)技術(shù)規(guī)范并參考地方維度，初步確定太陽能集熱器安裝角度為31.35°。但考慮到太陽能熱水系統(tǒng)主要是在夏季應(yīng)用，因此經(jīng)設(shè)計優(yōu)化后，確定最終的太陽能集熱器安裝角度為20°。傾斜安裝還需適當調(diào)整輻射強度，根據(jù)實際情況計算確定輻射強度為765W/m2。集熱器設(shè)置總數(shù)量為356 組，其中包括屋頂上的193組和小屋頂、斜屋頂至上的163 組；集熱器組與集熱器組之間采用同程連接方式，目的是保證流量分配均勻；組間間距為800cm，能夠給后期維護維修提供充足的空間。

4.2.4 水箱設(shè)計

在太陽能熱水系統(tǒng)的水箱設(shè)計中，首先根據(jù)實際情況確定水箱的體積，以40%為標準來進行設(shè)計能夠更好地保障經(jīng)濟效益；其次根據(jù)實際情況合理選擇水箱保溫措施，常規(guī)保溫措施即可滿足要求，即在水箱外部包裹一層保溫材料，或是采用真空包裹法，即在水箱外部增加一個真空層以用于保溫。

5 結(jié)語

給排水系統(tǒng)是現(xiàn)代建筑中的重要系統(tǒng)，也是建筑中能耗較高的系統(tǒng)，可以說，給排水系統(tǒng)的能耗水平直接決定著建筑整體能耗水平，所以為實現(xiàn)建筑節(jié)能設(shè)計目標，必須要對給排水系統(tǒng)進行有效的節(jié)能設(shè)計，而太陽能熱水系統(tǒng)的應(yīng)用正是其有效舉措之一。在實際應(yīng)用中，必須要把握好太陽能熱水系統(tǒng)的相關(guān)設(shè)計要點，以最大限度地發(fā)揮出其在建筑給排水設(shè)計中的應(yīng)用優(yōu)勢。