太阳能热水系统在中高层绿色建筑中的应用

范伟锋，余国保（.珠海兴业新能源科技有限公司，广东 珠海 400；.珠海兴业绿色建筑科技有限公司，广东 珠海 400）

1 项目概况

1.1 项目背景

自 2008 年我国开展“绿色建筑评价标识”工作以来，我国绿色建筑得到了较为快速的发展。太阳能热水系统作为市场上推广时间最早、技术成熟度最高的绿色建筑节能技术，受到使用者的青睐。该项技术能够节约电能、减少资源消耗，节约用户开支，同时兼顾环境效益和经济效益，各种形式的热水系统能够有很好的地域适应性，是建设绿色建筑和生态城市的重要手段。但太阳能热水在建筑上的应用也存在一些弊端，譬如：① 集热器及设备的安装和建筑物整体规划布局之间的矛盾；② 高层建筑中的光热利用问题，尤其是集热器安装的安全问题，包括结构安全核算和破碎物跌落问题；③ 包括太阳能热水施工在内的绿色施工有序组织问题。

特别是对于中高层建筑，在热水需求量较大、安装空间不足的前提下，如何破解上述矛盾，需要对太阳能热水工程的设计进行因地制宜的整体策划。本项目中安全、有效而且美观地采用了屋顶、立面和阳台等多种形式的太阳能热水系统，最大程度地利用了太阳能热水资源。可为中高层绿色建筑中太阳能热水的利用提供有益的经验参考。

1.2 项目简介

珠海保障性住房太阳能光热项目位于珠海市，年平均气温 22.3 ℃，最低气温 2.5 ℃。纬度倾角平面上年平均太阳辐射量为 4 651.56 MJ/m2，年均日照时数为 1 991.8 h，是广东省南亚热带地区热量最丰富的地区之一。属于日照时数 ＞1 400 h/a，且年太阳辐射量 ＞4 200 MJ/m2及年极端最低气温 ≥-4.5 ℃ 的地区，故项目优先采用太阳能作为热水供应热源。项目共 3 栋楼，其中 2 栋 28 层；1 栋 27 层，每层 10 户，均为高层住宅建筑；每层单人房 2 间，一房一厅 4 间，两房一厅 3 间，三房一厅 1 间；根据甲方的实际需求以及 GB 50015—2003《建筑给水排水设计规范》、GB 50555—2010《民用建筑节水设计标准》规范要求。经计算，主要用水量和配置如表 1 所示。

表1 用水量和集热器面积

珠海保障房同样为高层住宅建筑，借鉴以往成功的经验，采用集中-分散供热系统的应用形式。

运行原理：设计为全天候热水供应系统，晴天，冷水进入集热器，吸收了热量，集热器内的冷水逐渐升温，经过热媒供水管，流至分户承压水箱的换热盘管，换热盘管吸收热媒中的热量后，将水箱内的水加热；同时，热媒管内的热水通过热水循环泵抽回至太阳能集热器内加热，如此不断循环，最终使分户承压水箱内的水温达到 40～50℃。分户承压水箱内储存该住户一天的热水用水量。

阴雨天时，太阳能无法加热或者只能将分户承压水箱内的水升温 2～3 K，因此，需要考虑辅助加热装置。本工程分户承压小水箱自带电加热系统，太阳能为主，电加热为辅。太阳能采用温差自动控制，电加热定时定温启动。可有效保证用户每日的生活热水需求。

本系统集热器设置在屋面花架或钢架上，南立面挂墙或挂阳台，水箱则设置在阳台，水箱具备缺水保护、超温保护和接地保护功能。水箱通过换热盘管二次进行换热。天气晴好时，太阳能循环泵启动，冷水在集热器中受太阳能辐射使温度升高。当集热器热水温度高于保温水箱内的水温且达到设定温差（5～10 K）时，循环水泵在温差控制器的作用下自动启动，将热水经上循环管送到各户全承压户用太阳能换热水箱的盘管中，与各户储热水箱里的冷水换热，工质变冷再由下循环管进入集热器阵，继续受太阳能辐射加热。如此循环使各户承压换热水箱中的水温不断升高。

2 方案设计和技术难点

2.1 方案设计要点

(1) 集热器安装设计。建筑为高层建筑，高达 27～28 层，屋面面积无法满足实际需要的集热面积，需要集热器挂立面以补充屋面面积不足，所以集热器安装位置分为 3 大块：① 屋面架空安装集热器；② 南立面、西立面挂墙集热器；③ 南立面阳台壁挂集热器。

(2) 节水设计。方案采用集中集热分户储热系统，是通过太阳能集热器对户内小水箱二次加热，用水不与循环水接触。用水质量高，用水不易受到污染，避免了水的浪费。系统供水采用分区供水，保证入户端供水压力 ≤0.2 MPa，且不低于用水设备最低工作压力，避免超压供水造成水的浪费；承压供水，冷热水端两侧压力一致，避免了忽冷忽热而造成水资源浪费，节约用水。

(3) 改善室内外环境。钢架架空层集热器安装方式和挂立面“幕墙”式集热器安装方式，不仅解决了集热器安装面积不足的问题，而且还解决了两大难题：一为屋面腾出了宝贵的空间，可以设计成活动空间、种植屋面等，增加舒适度；二有利于增强建筑物的隔热效果，改善室内环境。

2.2 方案设计解决的难点

(1) 在本项目中，前期在建筑中就规划了太阳能光热利用，所以在设计上考虑了结构安全，提前预留了集热器的安装位置，解决了现有绝大部分建筑太阳能设计安装滞后，集热器安装和建筑整体布局规划之间的矛盾，实现了光热与建筑一体化，安装美观、结构安全。

(2) 阳台壁挂设计安装在凹槽内，立面集热器采用内嵌式安装，屋面集热器采用架空钢架安装，并设计安装护栏和检修通道，太阳能循环管道均安装于集热器背部，最大可能避免物件跌落造成的安全事故。

珠海位于海边，主要受到台风的影响，荷载的计算是项目的关键。以屋面集热器架空安装为例，设计荷载取值如下：① 恒荷载：支架计算时取 0.2 kN/m2，檩条计算时取 0.2 kN/m2；② 雪荷载：0 kN/m2；③ 基本风压：0.68 kN/m2（珠海市 25 a 一遇风压）；④ 地面粗糙度为 B 类，高度变化系数为 2.0；⑤ 本工程抗震设防烈度为 7 度，基本地震加速度值为 0.1 g，设计地震分组为第一组；屋面支架为钢支架 ＋ 槽钢檩条光热支撑系统。

通过恒荷载和风荷载的组合用 SAP 2000 进行扰度分析和应力分析，均满足要求，见图 1、图 2。

图1 扰度校核（结构变形图）

图2 应力校核（应力比信息图）

集热器玻璃、边框和支架都经过严格的结构计算，集热器压码采用长短双卡码件固定，加上内嵌式、凹槽等特殊的安装方式，保证安全。

(3) 在项目的具体实施过程中，成立施工项目部，制定施工组织计划。作为总包方绿色建筑项目施工管理体系的一部分，在实际施工中和建筑方紧密配合，满足绿色施工的要求。集热器支架、钢结构采用工厂预制，在现场尽量采用螺栓连接，减少焊接，避免在施工中产生噪声、扬尘和光污染。合理安排集热器安装的顺序，采用自上而下安装，避免在安装过程中物件的跌落，砸坏下方已经安装好的集热器。

2.3 项目节能减排的贡献

项目集热面积共 2 010 m2。珠海太阳集热器采光表面上的年太阳辐照量 JT为 4 651.56 MJ/m2；珠海兴业新能源公司集热器的全日集热效率 ηcd取 60%，管路和水箱的热损失率 ηc取 20%，Fhx取 80%

如果按原设计屋面考虑遮挡，3 栋只能摆放 768 m2集热器，通过架空安装、挂立面和阳台壁挂增加 1 242m2集热器，总产热水量由 46 t 增加到 122 t 左右。

2.4 方案设计的局限性及展望

本项目对中高层绿色建筑中太阳能热水的利用提供了有益的经验参考。项目通过架空、挂立面、阳台壁挂等方式解决了集热器面积严重不足的问题，达到了充分利用可再生能源的目的。通过一系列的技术措施，实现了节能、节水、环保的要求。在中高层绿色建筑中太阳能利用要达到良好的效果，需要满足两个前提：第一需要在建筑设计中同步设计太阳能，从结构安全、安装位置的预留充分考虑；第二要综合投资成本、质量安全、绿色施工保证和使用效果，选择合适的太阳能应用类型。

现有传统的太阳能热水系统在单体建筑中设计方案都是“从一而终”，但是太阳能热水系统应用形式各有优缺点。本项目集中集热分户储热系统选用，取决于自身的特点，高层住宅建筑的集热器安装面积严重不足，才选择了此方案。实际设计过程中应该根据建筑的类型选择合适的系统。单体建筑中，可以单一选择一种太阳能利用形式，可以是其中 2 种甚至 3 种形式的组合。比如单体建筑中，不考虑保证安装的统一性、美观性和投资成本等其他因素的影响，在较高楼层，从顶层往下 10 层采用集中集热分户系统，南立面采用分户集热分户储热-阳台壁挂系统；低层非南立面采用家用热泵系统或者常规能源系统。单体建筑太阳能热水系统设计应细化，利用形式可以多样化。

由上可知不论采用怎样的光热利用形式，是单一还是组合，都是为了充分利用而非“强制”利用太阳能，最终目的就是满足使用需求，同时满足节能环保建筑，可持续发展的要求。

开发新的光热利用形式，实现光热与建筑一体化；发挥工匠精神优化设计，满足绿色建筑“四节一环保”要求，太阳能光热利用才能健康、可持续地发展。

3 绿色建筑上可选用的光热新形式

太阳能光热工程从产生开始，经过长期的发展，孕育了几种比较成熟的光热利用的形式：① 混凝土平（斜）屋面式；② 金属屋面；③ 阳台壁挂式；④ 别墅分体式。随着人民生活水平的日益提高，对光热设计的要求也会相应提高，既要满足光热建筑一体化要求，在绿色建筑上还要满足“四节一环保”的要求。

下面是几种光热在建筑中利用的几种新形式的实际案例，运行情况良好：① 挂立面“幕墙”式 ；② 阳台栏杆式；③ 架空式。

4 结 语

珠海保障房太阳能热水系统与建筑设计同步进行，通过一系列的技术措施解决了太阳能热水系统在中高层绿色建筑中的一些难点。在充分考虑工程设计安全性的前提下尽可能架空和立面安装增加集热面积，为中高层绿色建筑中太阳能热水的利用提供宝贵的经验。阐明了太阳能光热在中高层绿色建筑中应用的可行性、多样化和可推广性。太阳能光热在绿色建筑中的应用，需要在不断地工程实践中总结经验，扬长避短，敢于创新，充分合理地利用太阳能。