2010-12-02 11:30:36 作者：袁新毓 來源： 瀏覽次數(shù)：1050
網(wǎng)友評論 2 條隨著我國能源的緊缺和《可再生能源法》的頒布和實施，太陽能等作為可再生能源，在建筑中的應用越來越受到人們的重視，許多地方政府出臺了一系列的文件強制要求小高層住宅安裝太陽能熱水器。杭州市政府去年出臺了一政府文件要求12層以下的住宅必須安裝太陽能熱水器，本文以杭州某房地產(chǎn)公司小高層住宅項目為例談一下小高層住宅太陽能熱水系統(tǒng)解決方案，與大家共同探討適合小高層住宅的太陽能熱水系統(tǒng)。
隨著我國能源的緊缺和《可再生能源法》的頒布和實施，太陽能等作為可再生能源，在建筑中的應用越來越受到人們的重視，許多地方政府出臺了一系列的文件強制要求小高層住宅安裝太陽能熱水器。杭州市政府去年出臺了一政府文件要求12層以下的住宅必須安裝太陽能熱水器，本文以杭州某房地產(chǎn)公司小高層住宅項目為例談一下小高層住宅太陽能熱水系統(tǒng)解決方案，與大家共同探討適合小高層住宅的太陽能熱水系統(tǒng)。 關鍵詞：小高層住宅、集中集熱分戶儲水、太陽能熱水系統(tǒng)、資源共享、控制系統(tǒng)
一、前言
為了節(jié)能減排及建筑節(jié)能，許多新建建筑考慮采用太陽能熱水器來提供生活熱水，同時隨著城市快速發(fā)展，建筑用地資源越來越稀少，許多房地產(chǎn)開發(fā)商早已經(jīng)開始建設小高層及高層住宅小區(qū)，提高土地利用率。于是小高層住宅如雨后春竹般出現(xiàn)在各個大中城市角落，對于小高層住宅來說，采用太陽能熱水系統(tǒng)解決生活熱水問題是值得大家討論的問題，小高層住宅成功設計安裝太陽能熱水系統(tǒng)的案例少之又少。本項目是太陽能熱水系統(tǒng)在小高層住宅成功應用的典范。
二、小高層住宅采用太陽能熱水系統(tǒng)需要考慮的幾個問題
1、在選擇不同的太陽能熱水系統(tǒng)方案時，應優(yōu)先選擇系統(tǒng)運行可靠，管理方便，便于攤銷輔助能源費用、冷熱水費用和運行費用成本等，達到管理簡單方便，容易被住戶接受，不產(chǎn)生物業(yè)與住戶的矛盾等。
2、應考慮如何解決住在低層用戶使用太陽能熱水的問題。
3、太陽能系統(tǒng)設計時，應考慮到陰雨天氣時太陽能產(chǎn)熱水不足的問題。為確保熱水供應的可靠性，系統(tǒng)設計應配置輔助加熱系統(tǒng)，以確保用戶全天24小時或定時供應熱水。
4、系統(tǒng)應達到優(yōu)先利用太陽能源加熱熱水，當太陽能不足時，再讓輔助能源補充加熱。實現(xiàn)充分利用太陽能源，降低輔助加熱能源的費用的目的。
5、太陽能熱水系統(tǒng)應合理、可靠、先進；太陽能及輔助加熱系統(tǒng)運行應實現(xiàn)全自動化、智能化；在保證工程質(zhì)量和效果的前提下，盡可能降低工程造價，提高系統(tǒng)的性價比。
6、太陽能熱水系統(tǒng)的布局與擺放應與周圍的建筑物相協(xié)調(diào)，日常使用維護檢修應方便。
7、太陽能熱水系統(tǒng)設計應與建筑工程設計同步進行，前期為安裝太陽能熱水系統(tǒng)預留管線、預埋件等應到位，以方便后期太陽能熱水系統(tǒng)安裝。
三、太陽能熱水系統(tǒng)解決方案選擇
在小高層住宅設計安裝太陽能熱水系統(tǒng)，主要有以下四種解決方案可供選擇。下面對這些解決方案的優(yōu)缺點分別加以分析，然后作出最佳選擇。
解決方案（一）在樓頂每戶安裝一臺家用太陽能熱水器（家用單臺系統(tǒng)）
優(yōu)點：
1、各住戶的太陽能相互獨立，互不影響；
2、運行過程中，不存在收費管理問題；
3、系統(tǒng)投資最低，運行較穩(wěn)定，技術成熟。
4、安裝簡單方便
缺點：
1、低層住戶的太陽能，使用時受到水壓的影響，使用不便，甚至無法使用；
2、各戶的太陽能都是一個獨立的系統(tǒng)，無論哪家的太陽能有問題，都要上樓頂維修，因此上樓維修的頻率最高，不便于樓頂管理和維護；
3、擺放不方便，不易與建筑物相協(xié)調(diào)，影響觀瞻；
4、各戶上下兩根管道，過多的管道敷設空間受限；
5、不能實現(xiàn)熱水資源共享，熱水資源存在“旱澇不均”的問題。
解決方案（二）安裝一套分體式太陽能熱水系統(tǒng)，集熱單元安裝在陽臺或南墻面上，儲熱水箱放置在室內(nèi)（分戶集熱分戶儲水系統(tǒng)）
優(yōu)點：
1、住戶的太陽能相互獨立，互不影響；
2、運行過程中，不存在收費管理問題；
3、各戶水箱可放置在室內(nèi)方便的地方，如地下室、設備間、衛(wèi)生間、廚房、陽臺、閣樓等位置。
4、系統(tǒng)投資較高，運行較穩(wěn)定，技術成熟。
缺點：
1、集熱單元安裝需安全、牢靠，否則易存在安全隱患；
2、采用自然循環(huán)效果不理想，采用水泵強制循環(huán)，費電，水泵存在噪音，增加控制功能。
3、應綜合考慮各戶集熱單元安裝位置，否則會破壞建筑立面美觀。、
4、受傾角影響，陽臺型采光效率低，成本高。
5、集熱單元若出問題維修可能不方便，因此需采用高檔產(chǎn)品。
6、不能實現(xiàn)熱水資源共享，熱水資源存在“旱澇不均”的問題。
分戶集熱分戶儲水系統(tǒng)示意圖
解決方案（三）在樓頂安裝一個集中儲水的太陽能熱水系統(tǒng)，通過管道供熱水至每家每戶（集中集熱集中儲水系統(tǒng)）
優(yōu)點：
1、可以實現(xiàn)熱水資源共享，不受樓層高低限制；
2、便于根據(jù)建筑情況靈活布局，可以實現(xiàn)與建筑物相協(xié)調(diào)；
3、只有一個系統(tǒng)，運行可靠，上樓維修率低，樓面太陽能可由物業(yè)負責維護管理；
4、系統(tǒng)投資較低，運行較穩(wěn)定，運行成本低，技術成熟。
缺點：
1、輔助能源用量受天氣陰晴影響，不便于核算運行成本和費用；
2、運行過程中，熱水需要收費；收費標準制定不當，易造成物業(yè)和住戶的矛盾。
3、需要在樓頂放置一個大儲熱水箱，建筑設計需考慮樓頂承重問題。
解決方案（四）樓頂安裝集中集熱的太陽能集熱系統(tǒng)，通過管道將熱能送至各戶，并給安裝在各戶家里的儲熱水箱加熱（即集中集熱分戶儲熱系統(tǒng)）
優(yōu)點：
1、各住戶使用自家水箱里的熱水和輔助能源，不存在收費問題；
2、不受樓層高低限制，并可以實現(xiàn)太陽能熱能資源共享；
3、運行過程中，不存在收費管理問題；
4、只有一個系統(tǒng)，運行可靠，上樓維修率低，樓面太陽能可由物業(yè)負責維護管理；
5、可以根據(jù)樓面建筑情況靈活布局，最容易實現(xiàn)與建筑物相協(xié)調(diào)；
6、集熱系統(tǒng)集中放置在屋面位置，各戶貯水箱放置在各戶室內(nèi)方便的位置。
缺點：
1、為方便使用和安全可靠，應采用承壓型儲熱水箱，并帶有電加熱功能。因此水箱成本高，從而造成系統(tǒng)成本較高。
2、為避免各住戶由于貯水箱溫度不同，熱量互混現(xiàn)象，電氣控制系統(tǒng)應特殊設計。
第四種解決方案雖然造價較高，但優(yōu)點突出，不須考慮水箱承重、電輔加熱預留、線路預留、供熱水循環(huán)、熱水計費等問題，是將來小高層住宅統(tǒng)一安裝太陽能熱水器的發(fā)展方向。因此小高層住宅采用太陽能熱水系統(tǒng)應按解決方案四進行設計，如果房地產(chǎn)開發(fā)商受投資限制，可以采用以下方法解決。該解決方法，可以使房產(chǎn)開發(fā)商對太陽能的投資低于其它幾種方案。
1、太陽能集中集熱和通到各住戶的管路部分由開發(fā)商出資，產(chǎn)權歸開發(fā)商所有，供住戶免費使用。
2、各住戶有免費使用太陽能熱源的權力，但用戶如愿意使用太陽能，儲熱水箱由各戶出資購買。
以下是為某房地產(chǎn)開發(fā)公司杭州某住宅小區(qū)設計安裝的集中集熱分戶儲水太陽能熱水系統(tǒng)為例詳細介紹該系統(tǒng)設計實施要點。
四、簡要設計
4．1設計參考依據(jù)
（1）GB/T18713-2002《太陽熱水系統(tǒng)設計、安裝及工程驗收技術規(guī)范》
（2）GB50364-2005《民用建筑太陽熱水系統(tǒng)應用技術規(guī)范》
（3）GB50015-2003《建筑給水排水設計規(guī)范》
（4）GB/T17581-1998《真空管太陽集熱器》
（5）GB/T17049-1997《全玻璃真空太陽集熱管》
（6）GB/T6424-1997《太陽能集熱器技術條件》
（7）GB4301-84《太陽能集熱器熱性能試驗方法》
（8）GB/T15513-1995《太陽能熱水器吸熱體、連接管及其配件秘用彈性材料的評價方法》
（9）GBJ1788《鋼結構設計規(guī)范》
（10）GB/T12936《太陽能熱利用術語》
（11）GB50275《壓縮機、風機、泵安裝工程施工及驗收規(guī)范》
（13）用戶要求
4.2設計參數(shù)
（1）氣象參數(shù)
查有關資料，杭州：緯度30o14’，經(jīng)度120o10’，高度41.7m
全年各月平均室外氣溫、水平面/當?shù)鼐暥刃泵嫔系脑缕骄仗栞椪樟浚∕J/㎡·d）
年太陽輻照量：水平面4129.595MJ/㎡，當?shù)鼐暥葍A角表面5463.685MJ/㎡。
年平均日太陽輻照量：水平面11.303MJ/㎡，當?shù)鼐暥葍A角表面14.969MJ/㎡
年平均日照時數(shù)：1800-2000小時
年平均日日照時數(shù)：4.99小時
年平均溫度：16.45oC
冷水計算溫度：10oC
（2）熱水設計參數(shù)
設計計算人口：1#樓109戶、2#樓79戶、3#樓79戶、4#樓100戶
設計熱水用水量標準：普通戶型儲水水箱容量按150L設計，躍層戶型按200L設計
計算生活熱水溫度：55℃，計算冷水溫度：10℃
（3）常規(guī)能源費用
電價：0.65元/（KW/h）（2008年，每月50千瓦/時以下不加價，50千瓦/時以上加價0.10元）
（4）太陽集熱器性能參數(shù)
集熱器類型：國標高效平板集熱器
集熱器規(guī)格：2000mm×1000mm（長×寬）
4.3工程概況
（1）建筑說明
本工程位于杭州市閑林鎮(zhèn)，杭州的地理位置為：緯度30o14’，經(jīng)度120o10’，高度41.7m，該住宅小區(qū)為由4棟11層板式小高層德式風格住宅組成。
（2）用戶要求
根據(jù)用戶提供的建筑圖紙設計太陽能熱水系統(tǒng)，方案為：（1）太陽能熱水系統(tǒng)基本形式按集中—分散式太陽能熱水系統(tǒng)設計；（2）獨立的分戶式太陽能熱水系統(tǒng)；（3）用戶認為適合本小區(qū)的其他方案。
根據(jù)用戶提供的建筑圖紙，我方認為該小區(qū)適合采用方案（1），但考慮到系統(tǒng)穩(wěn)定性及可靠性及與建筑結合美觀程度等因素，本次設計根據(jù)方案（1）進行設計，同時進一步完善系統(tǒng)方案。其中集中集熱模塊采用平板集熱器，集熱系統(tǒng)采用承壓系統(tǒng)，內(nèi)充介質(zhì)防凍液，防結垢，防凍、耐腐蝕。提高系統(tǒng)使用壽命。
（3）生活熱水供應
太陽能集熱系統(tǒng)放置在屋頂，太陽能為間接式供水系統(tǒng)。每戶一個儲熱水箱放置在戶內(nèi)，太陽能通過每戶住宅儲熱水箱內(nèi)的換熱器為用戶制備熱水，本系統(tǒng)全天24小時供應熱水；電加熱作為輔助能源。太陽能集熱器統(tǒng)一安裝在屋面上。
4.4系統(tǒng)熱水負荷計算
（1）用水人數(shù)
選4#樓1單元為設計內(nèi)容。
1單元總住戶為20戶，每戶以150L設計。
（2）系統(tǒng)日耗熱量、熱水量計算
2.1系統(tǒng)日耗熱量
取m=20戶；qr=150L/戶；c=4187J（kg·℃）；pr=1kg/L；tr=55℃；tL=10℃。
代入公式Qd=mqrc（tr-tL）pr/86400
則Qd=6542W
2.2系統(tǒng)日用熱水量
取qr=150L/戶；m=20戶。
代入公式qrd=qrm
則qrd=3000L/d
（3）設計小時耗熱量計算Qh
取m=20戶；qr=150L/戶；c=4187J（kg·℃）；pr=1kg/L；tr=55℃；tL=10℃；Kh=5.12。
代入公式Qh=Khmqrc（tr-tL）pr/86400
則Qh=33495W
4.5熱水循環(huán)流量、設計秒流量計算
（1）全日供應熱水系統(tǒng)的熱水循環(huán)流量
取Qs=5%Qh；Δt=5℃
代入公式：qx=Qs/1.163Δt
則qx=288L/h
（2）供熱水管的設計秒流量q（L/s），計算最大用水時衛(wèi)生器具給水當量平均出流概率
取qr=50L/（人·d）；ms=3；kh=5.12；Ng=2；T=24小時。
代入公式Uo=qrmskh/(0.2NgT×3600)(%)
則Uo=1.48%
查《建筑給排水設計規(guī)范》（GB50015-2003）的系統(tǒng)熱水供水管的設計秒流量為q=0.85L/s
4.6太陽能集熱系統(tǒng)設計
（1）太陽能集熱器的定位
太陽集熱器與建筑方向同方位，朝向為正南方向。建筑為坡屋頂，太陽集熱器傾角與該建筑屋面坡度一致。
（2）太陽能集熱面積確定
本系統(tǒng)為間接系統(tǒng)，間接系統(tǒng)集熱器面積的計算和選擇應首先計算直接系統(tǒng)集熱器面積。
2.1直接系統(tǒng)集熱器面積計算
a、太陽能保證率f的確定杭州屬于資源一般地區(qū)，系統(tǒng)全年運行，按照國家標準、經(jīng)驗值和計算機模擬法，取太陽能保證率為50%。
b、確定管路及儲熱水箱的熱損太陽集熱系統(tǒng)的集熱器管路、換熱器及等部件均在室外，戶用儲熱水箱放置在室內(nèi)，因此根據(jù)經(jīng)驗值取0.2.
c、集熱器年平均集熱效率的確定根據(jù)歸一化溫差并查廠家集熱器效率曲線，取=55%。
綜上，取QW=3000L/d；c=4.187KJ/(Kg·℃)；pr=1kg/L；tend=55℃；tL=10℃；f=0.5；JT=14969KJ/㎡；=0.2；=0.55.
代入公式=QWc（tend-tL）f/JT(1-)
則=42.91㎡
2.1間接系統(tǒng)集熱器面積計算
根據(jù)公式計算：AIN=AC·[1+(FRUL·AC/Uhx·Ahx)]
其中：AIN—間接系統(tǒng)集熱總面積，㎡；
AC—直接系統(tǒng)集熱總面積，㎡；
FRUL—集熱器總熱損系數(shù)，W/(㎡·℃),平板型集熱器取4-6，真空管集熱器取1-2，具體數(shù)值要根據(jù)集熱器產(chǎn)品的實際測試結果而定；
Uhx—換熱器換熱系數(shù)，W/(㎡·℃)；
Ahx—間接系統(tǒng)換熱面積，㎡。，單個水箱內(nèi)盤管換熱面積為1㎡，總換熱面積Ahx=20㎡
取FRUL=6W/(㎡·℃)；Uhx=600W/(㎡·℃)
代入得AIN=45.65㎡
由于該小高層屋面為坡屋面，為了與建筑一體化及保證使用效果，設計該系統(tǒng)選擇24塊平板型集熱器,該類型集熱器每塊集熱面積為2平米，集熱面積共為48平米。
4.7關鍵設備選型
（1）太陽能集熱器
目前國內(nèi)使用的太陽能集熱器主要有平板集熱器、真空管集熱器、熱管集熱器。
平板集熱器：
優(yōu)點：容易與建筑結合，承受壓力能力高，維修率低。
缺點：不防凍，適合在南方地區(qū)使用。若在北方地區(qū)應在春、夏、秋三季使用,若全年使用應解決好防凍問題；
真空管集熱器：
優(yōu)點：在中國占有90﹪市場，在零下25℃條件下，仍可產(chǎn)生熱水，可一年四季使用。是目前全國各地普遍使用的產(chǎn)品。
缺點：一根真空管破裂，影響整個系統(tǒng)運行。承受壓力能力差。
熱管集熱器：
優(yōu)點：可在零下50℃條件下使用，抗凍性能好，適合在北方高寒地區(qū)使用。一根真空管破裂，不影響系統(tǒng)運行。承受壓力能力高。
缺點：其冷凝端（加熱端）表面積僅是真空管的百分之一，易結水垢，換熱效果較真空管差。
平板集熱器、真空管集熱器、熱管集熱器各有優(yōu)缺點，由于該小高層屋面為坡屋面，為了實現(xiàn)與建筑一體化，該小高層住宅小區(qū)設計采用平板集熱器。
（2）貯熱水箱
每戶的水箱容積為150L，美國史密斯承壓水箱。
（3）集熱系統(tǒng)循環(huán)水泵
按每平方米集熱器的流量為0.015kg/（㎡·s）計算，集熱系統(tǒng)的流量為2700L/h,此流量即為集熱系統(tǒng)的流量?？紤]到沿程損失、局部損失，計算得：H=0.15MPa。采用德國威樂水泵，該泵噪音小，性能穩(wěn)定可靠，使用壽命長。
4.8輔助熱源
輔助熱源為電加熱，放置于戶用水箱中。
4.9輔助熱源功率計算
輔助加熱功率的選取應按陰雨天沒有太陽能時，完全靠輔助加熱來保證供熱設計。（杭州地區(qū)：每年日照時數(shù)大于6小時的天數(shù)約為220-250天，此期間不使用輔助加熱）輔助加熱功率應按陰雨天完全靠電加熱加熱時計算。
計算參數(shù)：最長加熱時間：4小時
冷水水溫：15℃
蒸汽水溫：55℃
加熱水量：150kg
由以上參數(shù)計算輔助加熱功率為：
P=CMΔT/η·H·860=2.0KW
式中：C：水的比熱1千卡/kg·℃
M：加熱水量kg
ΔT:加熱溫差℃
η：電加熱管熱效率，無量綱；(取0.95)
4.10管道
系統(tǒng)管道采用采用DN25/DN15熱鍍鋅管道。
4.11管道保溫計算
保溫層厚度的計算按下式：
d=3.14dw1.2l1.35t1.75/q1.5
式中：d——保溫層厚度，mm；
dw——管道或圓柱設備的外徑，mm；
l——保溫層的熱導率，KJ(h·m·℃)
t——未保溫的管道或圓柱設備外表面溫度，℃；
q——保溫后的允許熱損值，KJ(h·m)
經(jīng)過計算d=20mm，為保證保溫效果管道，保溫采用30mm厚橡塑棉保溫。
4.12膨脹罐容量計算選擇
膨脹水箱總容積按下式計算：
式中：V——膨脹水箱總容積，L；
p1——加熱前水加熱儲熱水箱內(nèi)水的密度，kg/L；
p2——加熱后熱水的密度，kg/L；
P1——膨脹水箱處的管內(nèi)水壓力，MPa，絕對壓力，P1=管內(nèi)工作壓力+0.1MPa；
P2——膨脹水箱處的管內(nèi)最大允許壓力，MPa，絕對壓力，其數(shù)值可取1.05P1；
Vc——系統(tǒng)內(nèi)熱水總容積，L，當管道系統(tǒng)不大時，Vc可按儲熱水箱容積計算。
經(jīng)過計算V=4.56L，此系統(tǒng)取值為5L。
五、結語
該系統(tǒng)經(jīng)過一年多時間的運行，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，獲得了該房地產(chǎn)開發(fā)商及用戶的肯定，集中集熱分戶儲水太陽能熱水系統(tǒng)是太陽能熱水系統(tǒng)在高層住宅應用中的發(fā)展方向。在此拋磚引玉，與大家共同探討適合小高層住宅的太陽能熱水系統(tǒng)。
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