太阳能热水系统在建筑给排水设计中的应用和探析

徐 静

（兰州工业学院，甘肃 兰州 730050）

1 太阳能热水系统在建筑给排水中的应用要点

1.1 太阳能热水系统的设计

太阳能热水系统类型较多，包括水箱式、即热式。水箱式属于紧凑型，即热式属于分离型。除此之外，也包括自然循环式、强制循环式等多种模式。现阶段，在建筑给排水设计中最常使用的太阳能热水器系统是直接加热的分离式太阳能热水系统。该系统的主要优势是通过水箱与集热器之间的独立设置，保障加热时循环系统可承受压力提升，除此之外，也减少污染外泄的可能性，使太阳能的热能能够提高转换效率。对热水系统进行设计时，通常将太阳能热水器的水箱部分设置在偏低的地面结构处，或设置在地下室空间内，这样能够减少后期损坏时维修的难度，也能避免太阳能热水系统水箱对建筑立体结构压力过大，影响立体结构整体使用效果。太阳能热水系统设计的要点一方面是考虑太阳能热水系统与建筑给排水项目使用需求之间是否匹配，另一方面也要考虑太阳能热水器的结构是否会对建筑物造成过大压力影响，分别从热水系统与建筑物两方面，对太阳能热水系统进行设计选择。

1.2 给排水管路的设计

管路设计部分是太阳能热水系统功能实现最关键的部分，需要采取科学措施，保持冷水与热水系统之间的压力处于平衡状态，要将冷水管与热水管的压力差控制在0.02 MPa以内，对太阳能热水系统所有管路进行设计时，都要采取有效的保温处理，这样才能保证太阳能热水系统的供水温度达到预期标准，避免热水温度散失后，影响整体供水质量，如果太阳能热水系统部分管道处于室外，需要采取相应的防冻处理方法，在冬季气温过低时，如果管道内部的水结冰，容易出现管道冻裂的情况。因此，要对管路进行合理布置，在管道方向安排中尽可能减少室外管线数量，室内水平管线的设置要保持隐蔽。除此之外，在管路设置中也要考虑后期故障维修是否方便进行，采取相应的保护措施后，便于维修工作开展。隐秘部分管线工程施工中，不能留有管线的接头处，要将管线的接头处设置在明显区域，这样后期防护以及维修工作开展才更方便进行。可以选择橡塑作为保温材料，不仅保温效果好，并且在使用中不用担心由于生锈而影响到整体排水管路系统的安全性。

1.3 太阳能热水系统控制方式

在建筑给排水系统设计中应用太阳能热水系统，要根据太阳能热水系统自身的占地尺寸预留出足够的建筑空间，这样才能确保施工中各类设备能够顺利安装。更要结合功能需求以及实际情况，设置辅助性的热源装置，这样才能保障太阳能热水系统不受外界天气环境变化影响，始终能够正常稳定地运行。通常情况下，将辅助性的热源装置安装在太阳能热水器的水箱周边，这样后期辅助性热源装置，一旦出现故障，也更方便维护、维修。同时也要根据实际情况对辅助性热源的安装数量、启动方式进行合理控制，通常采用定时启动的设计方式，在夜间，太阳能热水器不能捕捉到足够的太阳能，需要辅助热源装置帮助维持热量。采用定时启动的控制方式，不仅能够达到最理想的加热状态，也能节省系统使用。除此之外，在控制方式设计选择中，还需要对电磁阀和温度阀进行合理设置，确保所安装的位置安全，并且能够达到预期使用效果。太阳能热水系统控制方式选择中，是对太阳能热源系统选择辅助性的热源装置，并对各控制阀启动开关进行安装设计，使太阳能热水器能够正常运行，同时也利用其他辅助性的热源装置，保证太阳能热水器使用中整体稳定性提升。

2 基于应用实例的系统参数设计

将太阳能热水系统应用在建筑给排水设计中，选择具体的建筑工程作为研究案例。某高层商业建筑工程的总建筑面积为6457 m2，建筑高度为65 m。由地下一层、地上十层组成，对该建筑工程的建筑给排水进行设计中，太阳能热水器能够节约后期使用成本，因此拟定使用太阳能热水系统。对于该工程给排水设计中太阳能热水系统的具体使用方案，作出如下参数设计。

2.1 平均日热水用水量

首先计算出该建筑工程平均日用水量情况。对于平均日用水量的计算，参照当地气候温度变化以及高层建筑物的相关设计标准来进行，保障建筑物的平均日用水量能够满足使用需求。经过计算与对比，最终确定平均日用水量方案为局部热水供应量为每人33 L/d。对平均日热水用量进行计算时，辅助计算系统来完成。平均日热水用水量关系到太阳能热水系统设计时水箱器材的选择。水箱容量要满足平均日热水用量使用需求，这样在接下来的使用中才能保障热水供应达到稳定。如果平均日用水量高于太阳能热水系统的最大蓄水能力，那么在使用时，热水用量高峰时期容易出现供应不足的问题。太阳能热水系统中所储存的热水需要经过循环与冷水相结合，最终达到平均温度后，符合日常热水使用温度标准，这样才能够向建筑主体供应。因此，在对平均日热水用量进行计算时，与地区的气候温度相结合，在气候温度较低的地区，平均日热水用量相对较高。

2.2 冷热水温度取值

对于冷水、热水温度取值的计算，是根据建筑物所在地区全年的平均温度来进行。文章所列举的建筑案例所在地区年平均冷水温度为15～20 ℃摄氏度之间。因此，在对冷水温度进行取值时，初始水温度取值为15 ℃，对热水温度进行取值时，全年四季保持在45～55 ℃，便能满足使用需求。冷水、热水温度取值计算结果得出后，对太阳能热水系统进行系统参数设置时，可以按照这一温度取值标准来完成。冷水、热水温度随着室外环境变化，会出现波动，因此在取值时要考虑季节温度变化对水温的影响。在秋冬季一些室外温度比较低的时候，冷水温度通常在20 ℃以下。此时，需要将热水温度控制在55 ℃以上，这样才能够满足整体使用。夏季室外温度较高，冷水平均温度达到20 ℃，此时热水温度可以保持在45～50 ℃之间，这样整体太阳能热水系统的水源供应才能平稳。

2.3 太阳能保障率

太阳能保障率，也就是太阳能板的转换效率。计算公式为：太阳能板得转换效率=[太阳能板的功率(瓦)/太阳能板的面积(mm2)]*1000，太阳能热水系统在使用中，随着太阳能电池板使用寿命延长，所输出的功率也会慢慢衰减，太阳能板的转换率也会逐渐降低。太阳能热水系统的太阳能保障率是由太阳能部分提供的能量占系统总负荷百分比率所得出。太阳能保障率的大小与取值，是受建筑物太阳能热水系统使用中太阳辐照气候条件、系统投资回收期等经济性参数，以及用户要求所影响的。如果太阳能热水系统的太阳能保障率取值过低，会影响到太阳能热水系统所发挥的调节作用。因此，对于太阳能板的转换率要长时间记录，更要考虑平均情况，根据建筑给排水项目的使用需求，计算得出太阳能热水系统的太阳能板更换时间，及时维修养护，确保太阳能板在转换效率方面能够满足使用。在对太阳能热水系统进行设计时，关于太阳能保障率的设计采用热管真空管方案来进行。当建筑所在地区的平均冷水温度为20 ℃时，进水温度达到20 ℃，出水温度达到70 ℃，此时经过计算可以得到太阳能保障率，太阳能保障率为1249 kw·h（m2·a），根据该地区的平均阳光照射情况，阳光等级为C级别。

2.4 水箱容积

太阳能热水系统水箱容积是设计最关键的部分，为是否能够满足建筑物给排水系统最大热水的使用，尤其是对建筑物高峰用水量的设计。在实际水箱容积计算设计时，还要结合工程投资依据来进行，确保在合理经济范围内能够满足高峰用水量需求。该文所设计的太阳能热水系统，由于所选择的建筑案例中人员密度程度比较大，管线分布也相对比较复杂，除此之外，还要考虑高峰用水时期最大热水使用量的需求。为避免水箱容积设计计算出的结果在实际使用时不能满足需求，选取设计值时，按照最大用水量的1.4倍进行计算，这样的水箱容积能够满足高峰用水使用需求。1.4倍的水箱容积计算结果，在实际太阳能热水系统使用时，如果高峰用水量提升，也不会导致热水供应不足。水箱容积是太阳能热水系统设计中最为关键的部分。如果太阳能热水系统在建筑主体中的管线排布存在不合理的部分，通过后期维修优化也能及时处理。但如果水箱容积选择不足，后续使用时将会导致太阳能热水系统的整体使用效率下降，后期维修更换也十分麻烦。因此对于水箱容积的计算，要保证各类数值取值准确，反复对比实际参数，达到最符合实际使用需求的水箱容积计算结果。

3 系统设计

3.1 结构设计

太阳能热水系统应用在建筑给排水中，对结构进行设计时，要严格按照太阳能热水系统的安装顺序以及功能重要程度进行设计，避免在结构方面出现缺陷。首先，对太阳能热水系统的进水部分进行设计，根据前期所计算得到的参数结果，选择单向阀门方案。在阀门方案选择时，要与建筑物主体的高度以及太阳能热水系统布置、水压等实际情况相结合，保障单向阀门与管线之间的连接紧密，所在位置合理，避免将单向阀门设置在隐秘部分。这样如果后续出现结构故障问题，维修难度将会增大。其次是，对太阳能热水系统的加热部分进行设计，也就是水箱性能选择以及太阳能板的选择，太阳能板的功率要满足热水容量需求，要重点考虑水箱的性能，对太阳能真空管的加热方式进行合理布置，根据太阳能加热板使用中的损耗情况计算出平均更新年限。最后针对太阳能热水系统的供水端进行设计，供水端是冷热水管整体方案设计中的最终阶段，在管道设计中要保障独立密封。当水箱高度升高时，由于内部水压较大，重力势能会增大。

3.2 定温循环系统设计

对建筑物太阳能热水系统的定温循环系统进行设计时，重点针对进水部分来进行，提高水管与水箱之间的连接紧密程度。尤其是针对差额补水要重点设计，确保冷热水箱内所存储的水能够均匀混合，这样才能确保温度循环分布均匀。对于太阳能热水系统的定温循环系统，在设计时采用循环加热方式来进行，水源能够在外力条件下持续流动循环，这样能够达到良好的保温效果，也能使冷水、热水混合后的温度均匀分布，满足热水供应需求。定温循环系统设计时，重点强化水源在外力条件下的流动能力，以及水管与水箱之间的连接线。

3.3 集热器排列设计

针对集热器排列方式进行设计时，该文所选择的建筑案例所在地区年平均温度为16.7 ℃，最高温度可达到39 ℃，最低温度为-3 ℃，年平均太阳辐照量为12.613 MJ/m2。由于建筑案例属于高层商业建筑，因此太阳能应用效率要求较高，在针对集热器排列进行设计时，考虑高层商业建筑自身需求，选择最新型的复合抛物面聚光集热器。见图1。

该种集热器的优势在于占地面积比较小，并且能够在有限建筑面积基础上，最大程度扩大聚光集热范围，能够将光能采集后更好地转化为热能。在排列设计时，采用图1的排列分布方式来进行横向延长，纵向排列设计时根据建筑物可供利用的面积，合理设计总行数。这种排列设计方式不会影响到本身，使每一个复合抛物面聚光集热器都能在阳光照射下运转工作。不会由于排列设计方式不合理，导致集热器出现前后遮挡从而产生阴影的情况。

图1 复合抛物面聚光集热器

4 结语

在现代建筑中，给排水系统承担着重要的角色，也是建筑物整体中耗能较高的部分。给排水系统的能耗水平以及环保指数，直接决定着建筑整体的能耗情况，也是绿色建筑设计中重点关注的部分。将太阳能热水系统与建筑给排水系统相结合，替代传统热水系统，使建筑给排水系统的整体能源消耗得到明显控制。经过实际案例分析结果显示，太阳能热水系统具有明显的能源节约效果，并且运用太阳能热水系统，能够满足建筑物使用中的热水供应需求。未来，太阳能热水系统将成为建筑给排水设计中的主体，全面替代传统热水系统，使建筑物整体设计更加科学合理。