浅谈高层住宅中太阳能热水系统的设计

张琨

【摘要】介绍了在高层住宅太阳能热水系统设计中比较常用的三种系统的运行形式及其优缺点，并指出在进行太阳能热水系统设计时，应该根据建筑物的实际情况，合理而灵活地选择热水系统。

【关键词】高层住宅；太阳能；热水系统

【 abstract 】 introduced in high-rise residential solar hot water system design is more commonly used three kinds of the operation of the system forms and their advantages and disadvantages, and points out that the solar hot water system design, should according to the actual situation of buildings, reasonable and the flexibility to choose hot water system.

【 key words 】 high-rise residential; Solar energy; Hot water system

中图分类号:TK511文献标识码：A文章编号：

温室气体让地球发烧。200多年来，随着工业化进程的深入，大量温室气体，主要是二氧化碳的排出，导致全球气温升高、气候发生变化，这已是不争的事实。12月8日，世界气象组织公布的“2009年全球气候状况”报告指出，近10年是有记录以来全球最热的10年。此外，全球变暖也使得南极冰川开始融化，进而导致海平面升高。芬兰和德国学者公布的最新一项调查显示，本世纪末海平面可能升高1.9米，远远超出此前的预期。如果照此发展下去，南太平洋岛国图瓦卢将可能是第一个消失在汪洋中的岛国。

如今，低碳减排，节能环保已成为人类的共识。低碳意指较低（更低）的温室气体（二氧化碳为主）的排放,“低碳生活”作为一种生活方式，先是从国外兴起，可以理解为：减低二氧化碳的排放,就是低能量、低消耗、低开支的生活方式。如今，这股风潮逐渐在我国一些大城市兴起，潜移默化地改变着人们的生活。低碳生活代表着更健康、更自然、更安全，返璞归真地去进行人与自然的活动。有人主张从节电节气和循环利用`回收三个环节来改变生活细节，能尽可能接近低碳生活。太阳能作为一种取之不尽、用之不竭的洁净的绿色能源，目前世界各国都在积极推广应用。在居住建筑中，生活热水制取时的能量耗费是除采暖、空调外的第二大负荷，采用太阳能作为热源供应生活热水是一项有效的节能技术。最近一、两年，我国各省、市政府纷纷出台建筑节能办法，其中一条就是12层(含)以下新建居住建筑必须全面应用太阳能热水系统。

太阳能热水器在多层、低层住宅中的使用已非常普及，技术也比较成熟。其特点有：(1)普遍：太阳光普照大地，没有地域的限制无论陆地或海洋，无论高山或岛屿，都处处皆有，可直接开发和利用，且勿须开采和运输。

(2)无害：开发利用太阳能不会污染环境，它是最清洁的能源之一，在环境污染越来越严重的今天，这一点是极其宝贵的。

(3)巨大：每年到达地球表面上的太阳辐射能约相当于130万亿t标煤，其总量属现今世界上可以开发的最大能源。

(4)长久：根据目前太阳产生的核能速率估算，氢的贮量足够维持上百亿年，而地球的寿命也约为几十亿年，从这个意义上讲，可以说太阳的能量是用之不竭的。

本文主要介绍在高层住宅太阳能热水系统设计中比较常用的三种系统形式。

1． 分户集热、分户储热的分户式太阳能热水系统

1．1 系统运行形式

对于高层住宅来说，由于屋面资源相对贫乏，每户所能分摊到的可利用屋面面积往往不足以完整地布置各自的太阳能热水器，再加上高层住宅可能存在分区供水或管线过长等问题，所以传统的每户在楼顶安装一台直插式太阳能热水器这种形式已不适合高层住宅。在高层住宅中，分户式太阳能热水系统一般使用的是集热与储热完全分离的构。集热器采用壁挂式，安装于阳台等合适的建筑南立面，储热水箱可以根据用户需求放置在适当的地方，如设备间、卫生间、阳台等。集热器和水箱之间利用被加热液体的密度变化来实现自然循环。图1为分户集热、分户储热的分户式太阳能热水系统示意图

图1 分户集热、分户储热的分户式太阳能热水系统示意图

1．2 系统优点

就使用上来说，这种太阳能热水系统的优点非常显著，每户一套独立系统，减少了系统的循环管路，提高了集热效率，降低了使用费用，而且其水、电为分户计量，用户随住随用，无计费纠纷，便于物业管理。

1．3 系统缺点

首先是在安装上，集热器与墙面及阳台栏板的关系处理比较复杂，集热器的外表形状、质感、色彩、光亮度等都需要与建筑物本身及环境相协调，既要兼顾建筑的美观，又要避免对周围环境产生色彩污染和光污染等视觉污染。

其次是关于日照时间，高层建筑一般大寒日的日照时间大于2 h就能满足要求，而集热器的日照时间却要求在冬至日不少于4 h，因此在高层建筑的下面几层，安装于阳台等建筑南立面上的集热器就很难满足规范对日照时间的要求。

另外，从太阳能资源的利用上来说，这种分户式太阳能热水系统还存在着资源利用不充分的缺点。比方说，在同一单元中某日有些家庭储热水箱中的热水会因不使用而闲置并冷却，而另一些家庭却因热水不够用而不得不采用辅助加热器进行加热，造成能源消耗加大。

2． 集中集热、分户储热的半集中式太阳能热水系统

2．1 系统运行形式

集热器通过并联、串联和串并联组合成集热单元，集中布置在屋面，储热水箱则分散布置在每户住宅内，一般采用间接换热的方式，两者之间通过循环泵的强制循环来实现热量的收集与转移。图2为集中集热、分户储热的半集中式太阳能热水系统示意图。

图2 集中集热、分户储热的半集中式太阳能热水系统示意图

2．2 系统优点

集中布置的集热器构成集热单元，供整个系统共用，实现太阳能热能资源共享，降低了使用成本，最大效率地利用集热单元。

储热水箱和辅助加热都分别放置在各户室内，既有利于水箱的保温，又可以满足各住户不同的用水习惯。每户一套供水系统，用水、用电实现分户计量，便于后期的物业管理和维护。

系统采用间接加热虽然会存在一定的热交换损失，但其能够适应寒冷的气候条件和较硬的原水水质，而且由于热媒集热管道的口径相对较小，使得集热管内温升较快，启动迅速，还能保证热水的卫生、洁净。

2．3 系统缺点

该系统最大的缺点是当住户通过辅助加热设备的加热，使储热水箱内水的温度高于热媒的温度时，该户自行加热产生的热量就会通过热媒管的循环被传至整个热媒管网。虽然我们可以通过设置性能可靠的热敏感应的电磁阀等措施来加以控制，但是在系统运行过程中，还是不能完全避免。另外，系统中各户吸收太阳热能的量不均衡，难以利用经济手段予以调节。

3. 集中集热、集中储热的集中式太阳能热水系统

3．1 系统运行形式

集热器构成集热单元，集中布置在屋面，储热水箱可以根据需要集中设置在屋面或地下室，两者之间采用温差循环方式。储热水箱通过直接或间接换热提供生活热水，设置循环泵，利用定温回水循环方式，保证生活用水的温度，每户分别设置热水表用于分户计量。图3是集中集热、集中储热的集中式太阳能热水系统的其中一种形式的示意图。

图3集中集热，集中储热的集中式太阳能热水系统示意图

3．2 系统优点

本系统形式比较多样，能适应多种建筑物的要求，而且投资低，回收周期短，是目前在高层建筑太阳能热水系统中使用较为广泛的。从太阳能资源的利用上来说，采用集中式或半集中式的太阳能热水系统都可以达到资源共享。但是规模不宜太大，一般以单元或单幢建筑为系统规模。

3．3 系统缺点

由于太阳能是一种不稳定的分散性能源，不能全天候供能，也无法按使用要求及时加热，为保证热水供水安全可靠性，太阳能热水系统不管采用何种形式，都必须配备可靠的辅助加热能源。储热水箱集中设置使得本系统的热水的运行成本相对较高，而且随天气阴晴和季节不同而变化，使用过程中，需要定期收取热水费用，易造成物业和住户的矛盾。

4.结束

居住建筑由于增加了太阳能热水系统，其建筑成本也增加了。太阳能产品的经济效益是要在使用中逐步体现的，因此我们在设计时不光要考虑太阳能热水系统使用的舒适性，还要考虑其经济性。如果系统初期投资太大，则很难被开发商所接受。如果系统的运行成本较高，那么会使住户对太阳能的使用产生排斥感。以前有些小区也设计过集中热水系统，但由于集中热水系统运行的成本太高，住户宁愿另行设置家用的热水器也不愿使用集中热水，最终使得整个集中热水系统废弃不用。因此我们在做太阳能热水系统的设计时，应该根据建筑物的实际情况，合理而灵活地选择热水系统，不能一成不变。相信只要我们设计出运行安全可靠、管理方便、经济实惠、又能与建筑完美结合的太阳能热水系统，那么太阳能的使用就会为更多的人所接受，节能、环保的思想会更深入人心。

参考文献：

《建筑给水排水设计规范》（GB50015-2003）方鄂华 钱稼茹 叶列平《高层建筑结构设计》 中国建筑工业出版社

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。