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摘要:近年来，我国利用太阳能制备生活热水的趋势逐步加快，越来越多的太阳能热水系统得到开发利用。本文将结合太阳能集中式热水供应系统工程实例，就集中太阳能热水供应系统的设计作了详细的研究，为集中太阳能热水供应系统的推广提供参考。
关键词:太阳能热水系统；集热器；热水供水方式；设计
中图分类号：S611 文献标识码：A 文章编号：
1 引言
在当前的社会中，能源问题已经成为一个世界关注的话题。由于太阳能是一种可再生的无污染能源，近年来在住宅建筑中的应用逐渐广泛起来。集中太阳能热水供应系统作为一种新型的太阳能热水供应方式，在一定程度上被采用，为此，对于集中太阳能热水供应系统的设计也逐渐受到了人们的重视。本文结合应用实例，就此类系统设计应该注意的问题和需要的设备进行分析，为推进城市可再生能源在建筑中的应用和发展做出应有的贡献。
2 工程概况
某住宅建筑，总建筑面积约75921m2，分两期建，其供热系统均采用太阳能集中供热。一期建设第1到15栋，13层高，建筑高度约为42.2m，二期建设第16到18栋，两幢均32层高，建筑高度约为93.8m。集热器放置在屋面、女儿墙、侧立面或阳台上。
3 本工程太阳能热水供水系统的主要特点
3.1 热水供应规模和效益
全部采用太阳能供应住户生活热水，最大日热水用水量为350m3，最大时耗热量为10802MJ，总集热面积达到5036m2。其规模大、栋数多、受益人数多，具有可观的经济和环保效益，初步估算年节能费用约187万元，系统寿命期内二氧化碳减排量约9274t。
3.2 集热器的布置
太阳能集热器在中高层住宅中，首先考虑安装在建筑物顶部，在建筑外观上不会影响建筑景观；同时，集热器的安装排列不受建筑物走向的限制，可以达到系统最佳的集热效果。
3.3集热器分组
由上述的集热器布置可以发现，高层住宅所需的集热器数量、面积比较庞大，常用的集热器串联连接会造成大量能量损耗，因此本项目对集热器进行分组，分组后热媒采用并联方式接入集水器，再进入储热设备。因设计中集热器数量较多，特别是第16、17、18栋楼中既有设于屋顶的平板型集热器，又有设于外墙和阳台的金属管式真空管集热器，故本设计参照《建筑给水排水工程技术与设计手册》，对集热器进行分组布置，将其分成若干个子系统，每个子系统的集热器面积大致相近，集热系统热媒采用强制循环直接加热方式。以第16栋A座为例，共设置5组集热器，其中屋面集热器分成2组，每组集热器数量分别为43块和44块；女儿墙部分集热器分成2组，每组集热器数量均为36块；南侧立面阳台集热器为1组，集热器数量为58块；由于每组集热器的面积、热媒在管道中的输送距离、流量、集热器的类型都有差距，故设计根据每组集热器的流量、阻力损失的不同，配置流量、扬程相匹配的强制循环泵，并在回水管路上设置平衡阀调节，使得进入集热水箱的热媒符合设计要求。集热器的安装位置及分组并联布置见图1。
图1 第16栋A座集热器布置示意
3.4 集热器的选型
目前市场上的集热器主要有三种：平板集热器、全玻璃真空管集热器和金属U型管式真空管集热器。平板集热器是目前南方地区最常用的太阳能集热器，其使用寿命长，不易损坏；造价低，约800元/m2，不抗台风，对于环境温度常年高于0℃的地区，集热效率略高于全玻璃真空管，但其对安装角度要求较高，当设置在立面时，热效率降低较多。
3.5 储热容器的选择
该工程采用的储热容器为压力罐，一期工程15栋小高层单栋楼的日用水量较小，储热容积最大的为12m3，最小的只有8m3。二期工程3栋高层住宅，其日用水量较大，储热容积达到了几十个立方米，其中第16栋储热容积为18.8m3，采用2个容积为10m3的压力罐，第17栋、18栋储热容积都达到了60m3，每栋都需要3个容积为20m3的压力罐来储热。
3.6 辅助加热方式和热源的选择
为满足建设方节省初期投资、减少运行管理成本的要求，本项目的太阳能热水系统采用太阳能集中集热—集中储热—分散辅助加热的形式，表1给出了太阳能集中辅助加热和分户辅助加热方式的优缺点比较，住宅集中式太阳能热水系统，若采用集中辅助加热，会因为在用户入住率低的情况下每户实际分担加热费用很大，即便用户满住，如使用不足也会造成浪费。采用分户辅助加热有利于节能减少费用，当阴雨天气太阳能与热水温度不够时，分户使用多少热水就加热多少热水，如此能够更为有效利用太阳能。辅助能源作为太阳能系统的有效补充，应该根据用户自身具备的条件，综合考虑其运行成本、初期投资等因素进行选择。目前的燃气、电等常规能源中，燃气辅助为第一选择，其设备投资不高，安装简单、运行费用相对最低，设备选择广泛。本项目采用分户天然气辅助加热。
表1 集中辅助加热和分户辅助加热方式对比
3.7 热水供水方式
太阳能系统的合理应用除太阳能集热系统优化运行外，合理的供水系统设计也至关重要，本项目供热水箱采用屋顶容积式压力罐形式，充分利用给水系统的供水压力，供水方式为上行下给式，采用分区减压的方式，分区楼层同生活给水系统，2～5层为1区，6～14层为2区，16～24层为3区，25～32层为4区；每区设减压阀减压，对供水压力超过0.35MPa的楼层设支管减压，阀后设定压力0.2MPa，立管干管回水，每区回水泵设在首层，4区回水共用一根管道将降温后的热水压力输送到供热水箱。由于每区的减压数值不同，各区的加压循环泵的扬程除了克服循环流量的阻力损失外还要加上被减掉的水头，选择水泵性能参数的偏差会导致各区回水压力不平衡，设计在回水管道上设置平衡阀，以调节平衡各区回水流量满足设计要求。此供水方式的优点为冷热水压力相对平衡，用户能获得稳定的热水供应，节能节水，满足了规范减压装置的设置要求；缺点是供水立管较多，管路复杂，回水循环泵也多，各区回水循环泵由于提升的压力不同而共用回水管，增大了维护运行管理的复杂性。
设计中对每户的热水供水管路也进行过探讨。由于集热系统未设置集中辅热系统，系统供给用户的热水水温并不稳定，何时启用热水器进行辅热用户难以把握。
解决方式一是用户采用温度自动设定的热水器，设定热水器出口温度后，热水器会根据进水水温自动无极调整燃气供应量，确保出水水温在要求的范围。此方式管理简便，易于实施，最充分地利用了太阳能，但该类热水器造价稍高，由于热水器为用户自理，所以存在着用户入住时安装何种热水器的变数。
方式二是采用在空调系统中经常使用的温控三通阀，设定热水进水温度(如35℃)，当进水水温大于设定温度时，热水管连接卫生間、厨房的管路端打开，热水直接供用户使用，当进水水温小于设定温度时，三通阀连接卫生间、厨房的管路端关闭，与连接燃气热水器的管路端打开，水进入用户燃气热水器，由燃气热水器加热水到设定温度供用户使用。此方式系统简单，对用户热水器无特殊要求，运行可靠，但要增加价格较高的温控三通阀，且要设置控制线路，对管理使用的要求较高。
根据与建设方商榷，认为方式一更能满足本项目的使用要求，故设计采用用户自备温度自动设定的燃气热水器辅热方式供水。
4 太阳能热水系统设计
该工程的所有高层和小高层住宅热水供水均采用分区减压供热的方式。根据《民用建筑太阳能热水系统应用技术规范》(GB50364—2005)的设计方法和计算公式，得到系统设计主要参数见表2，一、二期工程各栋楼的耗热量、设计小时热水量、集热器面积、储水容积设计数据见表3。
表2 热水系统设计主要参数选用
表3 住宅群太阳能供热系统设计数据一览
注：实际用水人数按住户人数的70％计算。
5 太阳能热水系统的节能效益
太阳能热水系统的节能效益可以从太阳能热水系统节能费用和太阳能环保效益两方面进行评估。
5.1 经济效益
太阳能热水系统年节能量根据公式ΔQsave＝AcJt(1－ηc)ηcd计算，项目所在区域太阳能辐射量Jt为4934MJ/(m2·a)，集热面积Ac为5036m2，集热效率ηcd和热损失ηc分别为0.5和0.2，计算得年节能量ΔQsave为9939050MJ。
本项目按照1200元/m2集热面积估算，太阳能系统总增投资Ad为604.32万元，系统寿命期n约为15年，年燃料价格上涨率e和年维护费率Dj采用1％，5年以上银行贷款利率d按6.8％计算，可获得折现系数PI为9.78。该区域居民用电价格为0.68元/(kW·h)，折算成热价Cc为0.19元/MJ，根据系统寿命期内总节省费用公式SAV＝PI×(ΔQsaveCc－AdDj)－Ad，可知系统寿命期内节省的费用约为1172.64万元。按太阳能热水系统运行Ne年后节省的总资金与系统所增加投资相等时，即SAV＝0时，其折现系数PI为3.3，计算得本项目的动态回收年限为4年；根据简单年节能费计算公式W＝CcΔQsave，年节能费用约为187万元。以上数据说明本项目的经济效益是良好的。
5.2 环保效益
太阳能系统的环保效益主要体现在因节省常规能源而减少的二氧化碳排放量。二氧化碳的减排对环境保护和可持續发展起到了不可估量的作用。本项目在系统寿命期即15年内二氧化碳减排量QCO2＝ΔQsavenFCO2(44/22)/(WEff)，其中标准煤热值Ｗ为29.308MJ/kg，电热水器热效率Eff为0.95，系统寿命期n为15年，二氧化碳排放因子FCO2为0.866kg碳/kg标准煤，可得到本项目在系统寿命期内二氧化碳减排量为9274.152t。
6 存在的问题
该市此工程整个建筑群15栋小高层住宅，3栋高层住宅均采用太阳能热水系统，系统较庞大，由于太阳能供热的不稳定性，在阴天水温不足，又分户辅助加热，故在收费和管理上存在难度。立面和阳台上设置的集热器，特别是非正南面设置的集热器，由于需要其补充面积比Rs在53％～57％之间，增加了集热器的数量，且集热器的类型及安装方式均有特殊要求，造成投资增加。
7 小结
综上所述，集中太阳能热水供应系统的经济效益和环保效益十分明显。但其涉及的范围较广，有建筑、结构、电气等多个专业。为了保证集中太阳能热水供应系统的质量，在设计过程中，重点要处理好集热器布置、选择、分组，冷热水供水方式及压力平衡，辅助加热方式等方面，这样才能确保其实际应用效果，以推动此系统在建筑中的应用。
参考文献
[1] 张恩博.太阳能热水系统在医院中的应用实例[J].山西建筑.2011（32）
[2] 孙会华.太阳能集中热水供应系统的合理设计探讨[J].城市建设理论研究.2012（11）
关键词:太阳能热水系统；集热器；热水供水方式；设计
中图分类号：S611 文献标识码：A 文章编号：
1 引言
在当前的社会中，能源问题已经成为一个世界关注的话题。由于太阳能是一种可再生的无污染能源，近年来在住宅建筑中的应用逐渐广泛起来。集中太阳能热水供应系统作为一种新型的太阳能热水供应方式，在一定程度上被采用，为此，对于集中太阳能热水供应系统的设计也逐渐受到了人们的重视。本文结合应用实例，就此类系统设计应该注意的问题和需要的设备进行分析，为推进城市可再生能源在建筑中的应用和发展做出应有的贡献。
2 工程概况
某住宅建筑，总建筑面积约75921m2，分两期建，其供热系统均采用太阳能集中供热。一期建设第1到15栋，13层高，建筑高度约为42.2m，二期建设第16到18栋，两幢均32层高，建筑高度约为93.8m。集热器放置在屋面、女儿墙、侧立面或阳台上。
3 本工程太阳能热水供水系统的主要特点
3.1 热水供应规模和效益
全部采用太阳能供应住户生活热水，最大日热水用水量为350m3，最大时耗热量为10802MJ，总集热面积达到5036m2。其规模大、栋数多、受益人数多，具有可观的经济和环保效益，初步估算年节能费用约187万元，系统寿命期内二氧化碳减排量约9274t。
3.2 集热器的布置
太阳能集热器在中高层住宅中，首先考虑安装在建筑物顶部，在建筑外观上不会影响建筑景观；同时，集热器的安装排列不受建筑物走向的限制，可以达到系统最佳的集热效果。
3.3集热器分组
由上述的集热器布置可以发现，高层住宅所需的集热器数量、面积比较庞大，常用的集热器串联连接会造成大量能量损耗，因此本项目对集热器进行分组，分组后热媒采用并联方式接入集水器，再进入储热设备。因设计中集热器数量较多，特别是第16、17、18栋楼中既有设于屋顶的平板型集热器，又有设于外墙和阳台的金属管式真空管集热器，故本设计参照《建筑给水排水工程技术与设计手册》，对集热器进行分组布置，将其分成若干个子系统，每个子系统的集热器面积大致相近，集热系统热媒采用强制循环直接加热方式。以第16栋A座为例，共设置5组集热器，其中屋面集热器分成2组，每组集热器数量分别为43块和44块；女儿墙部分集热器分成2组，每组集热器数量均为36块；南侧立面阳台集热器为1组，集热器数量为58块；由于每组集热器的面积、热媒在管道中的输送距离、流量、集热器的类型都有差距，故设计根据每组集热器的流量、阻力损失的不同，配置流量、扬程相匹配的强制循环泵，并在回水管路上设置平衡阀调节，使得进入集热水箱的热媒符合设计要求。集热器的安装位置及分组并联布置见图1。
图1 第16栋A座集热器布置示意
3.4 集热器的选型
目前市场上的集热器主要有三种：平板集热器、全玻璃真空管集热器和金属U型管式真空管集热器。平板集热器是目前南方地区最常用的太阳能集热器，其使用寿命长，不易损坏；造价低，约800元/m2，不抗台风，对于环境温度常年高于0℃的地区，集热效率略高于全玻璃真空管，但其对安装角度要求较高，当设置在立面时，热效率降低较多。
3.5 储热容器的选择
该工程采用的储热容器为压力罐，一期工程15栋小高层单栋楼的日用水量较小，储热容积最大的为12m3，最小的只有8m3。二期工程3栋高层住宅，其日用水量较大，储热容积达到了几十个立方米，其中第16栋储热容积为18.8m3，采用2个容积为10m3的压力罐，第17栋、18栋储热容积都达到了60m3，每栋都需要3个容积为20m3的压力罐来储热。
3.6 辅助加热方式和热源的选择
为满足建设方节省初期投资、减少运行管理成本的要求，本项目的太阳能热水系统采用太阳能集中集热—集中储热—分散辅助加热的形式，表1给出了太阳能集中辅助加热和分户辅助加热方式的优缺点比较，住宅集中式太阳能热水系统，若采用集中辅助加热，会因为在用户入住率低的情况下每户实际分担加热费用很大，即便用户满住，如使用不足也会造成浪费。采用分户辅助加热有利于节能减少费用，当阴雨天气太阳能与热水温度不够时，分户使用多少热水就加热多少热水，如此能够更为有效利用太阳能。辅助能源作为太阳能系统的有效补充，应该根据用户自身具备的条件，综合考虑其运行成本、初期投资等因素进行选择。目前的燃气、电等常规能源中，燃气辅助为第一选择，其设备投资不高，安装简单、运行费用相对最低，设备选择广泛。本项目采用分户天然气辅助加热。
表1 集中辅助加热和分户辅助加热方式对比
3.7 热水供水方式
太阳能系统的合理应用除太阳能集热系统优化运行外，合理的供水系统设计也至关重要，本项目供热水箱采用屋顶容积式压力罐形式，充分利用给水系统的供水压力，供水方式为上行下给式，采用分区减压的方式，分区楼层同生活给水系统，2～5层为1区，6～14层为2区，16～24层为3区，25～32层为4区；每区设减压阀减压，对供水压力超过0.35MPa的楼层设支管减压，阀后设定压力0.2MPa，立管干管回水，每区回水泵设在首层，4区回水共用一根管道将降温后的热水压力输送到供热水箱。由于每区的减压数值不同，各区的加压循环泵的扬程除了克服循环流量的阻力损失外还要加上被减掉的水头，选择水泵性能参数的偏差会导致各区回水压力不平衡，设计在回水管道上设置平衡阀，以调节平衡各区回水流量满足设计要求。此供水方式的优点为冷热水压力相对平衡，用户能获得稳定的热水供应，节能节水，满足了规范减压装置的设置要求；缺点是供水立管较多，管路复杂，回水循环泵也多，各区回水循环泵由于提升的压力不同而共用回水管，增大了维护运行管理的复杂性。
设计中对每户的热水供水管路也进行过探讨。由于集热系统未设置集中辅热系统，系统供给用户的热水水温并不稳定，何时启用热水器进行辅热用户难以把握。
解决方式一是用户采用温度自动设定的热水器，设定热水器出口温度后，热水器会根据进水水温自动无极调整燃气供应量，确保出水水温在要求的范围。此方式管理简便，易于实施，最充分地利用了太阳能，但该类热水器造价稍高，由于热水器为用户自理，所以存在着用户入住时安装何种热水器的变数。
方式二是采用在空调系统中经常使用的温控三通阀，设定热水进水温度(如35℃)，当进水水温大于设定温度时，热水管连接卫生間、厨房的管路端打开，热水直接供用户使用，当进水水温小于设定温度时，三通阀连接卫生间、厨房的管路端关闭，与连接燃气热水器的管路端打开，水进入用户燃气热水器，由燃气热水器加热水到设定温度供用户使用。此方式系统简单，对用户热水器无特殊要求，运行可靠，但要增加价格较高的温控三通阀，且要设置控制线路，对管理使用的要求较高。
根据与建设方商榷，认为方式一更能满足本项目的使用要求，故设计采用用户自备温度自动设定的燃气热水器辅热方式供水。
4 太阳能热水系统设计
该工程的所有高层和小高层住宅热水供水均采用分区减压供热的方式。根据《民用建筑太阳能热水系统应用技术规范》(GB50364—2005)的设计方法和计算公式，得到系统设计主要参数见表2，一、二期工程各栋楼的耗热量、设计小时热水量、集热器面积、储水容积设计数据见表3。
表2 热水系统设计主要参数选用
表3 住宅群太阳能供热系统设计数据一览
注：实际用水人数按住户人数的70％计算。
5 太阳能热水系统的节能效益
太阳能热水系统的节能效益可以从太阳能热水系统节能费用和太阳能环保效益两方面进行评估。
5.1 经济效益
太阳能热水系统年节能量根据公式ΔQsave＝AcJt(1－ηc)ηcd计算，项目所在区域太阳能辐射量Jt为4934MJ/(m2·a)，集热面积Ac为5036m2，集热效率ηcd和热损失ηc分别为0.5和0.2，计算得年节能量ΔQsave为9939050MJ。
本项目按照1200元/m2集热面积估算，太阳能系统总增投资Ad为604.32万元，系统寿命期n约为15年，年燃料价格上涨率e和年维护费率Dj采用1％，5年以上银行贷款利率d按6.8％计算，可获得折现系数PI为9.78。该区域居民用电价格为0.68元/(kW·h)，折算成热价Cc为0.19元/MJ，根据系统寿命期内总节省费用公式SAV＝PI×(ΔQsaveCc－AdDj)－Ad，可知系统寿命期内节省的费用约为1172.64万元。按太阳能热水系统运行Ne年后节省的总资金与系统所增加投资相等时，即SAV＝0时，其折现系数PI为3.3，计算得本项目的动态回收年限为4年；根据简单年节能费计算公式W＝CcΔQsave，年节能费用约为187万元。以上数据说明本项目的经济效益是良好的。
5.2 环保效益
太阳能系统的环保效益主要体现在因节省常规能源而减少的二氧化碳排放量。二氧化碳的减排对环境保护和可持續发展起到了不可估量的作用。本项目在系统寿命期即15年内二氧化碳减排量QCO2＝ΔQsavenFCO2(44/22)/(WEff)，其中标准煤热值Ｗ为29.308MJ/kg，电热水器热效率Eff为0.95，系统寿命期n为15年，二氧化碳排放因子FCO2为0.866kg碳/kg标准煤，可得到本项目在系统寿命期内二氧化碳减排量为9274.152t。
6 存在的问题
该市此工程整个建筑群15栋小高层住宅，3栋高层住宅均采用太阳能热水系统，系统较庞大，由于太阳能供热的不稳定性，在阴天水温不足，又分户辅助加热，故在收费和管理上存在难度。立面和阳台上设置的集热器，特别是非正南面设置的集热器，由于需要其补充面积比Rs在53％～57％之间，增加了集热器的数量，且集热器的类型及安装方式均有特殊要求，造成投资增加。
7 小结
综上所述，集中太阳能热水供应系统的经济效益和环保效益十分明显。但其涉及的范围较广，有建筑、结构、电气等多个专业。为了保证集中太阳能热水供应系统的质量，在设计过程中，重点要处理好集热器布置、选择、分组，冷热水供水方式及压力平衡，辅助加热方式等方面，这样才能确保其实际应用效果，以推动此系统在建筑中的应用。
参考文献
[1] 张恩博.太阳能热水系统在医院中的应用实例[J].山西建筑.2011（32）
[2] 孙会华.太阳能集中热水供应系统的合理设计探讨[J].城市建设理论研究.2012（11）