太阳能热水系统的应用探讨

摘　要：随着人们环保意识的不断提高，节约资源、绿色环保的太阳能热水系统在房屋建筑中得到广泛应用。本文对太阳能热水系统在房屋建筑应用情况作了一些介绍，根据笔者多年工作经验，对太阳能热水系统设计技术进行探索。

关键词：太阳能；热水系统；整合设计；布置形式
一、设置太阳能需考虑的问题
　　太阳能热水系统组成有：集热器、贮热器、热水辅助加热装置以及管路系统。
　　在房屋建筑中设置太阳能热水系统，需要考虑以下几个问题：1)选择太阳能热水系统的方式，应优先选择运行稳定、计费简单不会产生计费纠纷，且运行成本低、管理方便的太阳能热水系统。2)所选用的系统应能较好地解决底部几层用户太阳能热水的使用。3)所选系统应能最大程度上利用太阳能热能，并能确保24小时内的热水需求。4)所选系统应能最好地与建筑环境相协调，最小限度地破坏建筑总体的美感。5)所选系统应能满足日常维护的便利。
　　二、太阳能热水系统关键技术应用
　　围绕太阳能与建筑设计一体化设计的各个方面，深入研究各项技术措施，涵盖了太阳能热水与建筑一体化设计的各个方面。
　　(1)城市环境下高层住宅太阳能有效利用
　　①标准规范的不一致性
　　高层住宅日照要求与标准中规定，高层居住建筑与其他居住建筑的间距，应保证受遮挡的居住建筑的居室冬至日满窗目照的有效时间不少于连续1 h。 而太阳能热水系统相关标准中规定，建筑设计应满足太阳能集热器有不少于4h的日照时间要求。两者之间的不一致性，导致太阳能热水系统效果不能保证。因此有必要对城市区域高层住宅的太阳能利用进行研究，并以此找出解决的方法。
　　②分析计算方法
　　对住宅设计中的日照条件能否满足应用太阳能集热器的日照时长展开分析计算。研究方法为软件模拟和实际观测结合，研究针对两方面：被遮挡和自遮挡，研究的建筑类型依据某小区建筑的布局特点选取，其中被遮挡部分研究的是行列式布局下板式与塔式住宅的日照时长；自遮挡部分的研究对象为板式一梯两户，塔式一梯四户和一梯六户。由于屋面上安置太阳能集热器较易满足4h日照，仅研究南向外墙和阳台的日照时长，从而掌握高层住宅外界面的日照状况。
　　图1为多栋18层塔式住宅群呈东西向排布，多塔式建筑间距按冬至日满足连续1 h日照需要的间距(最小L=69m)设置时，住宅外界面日照时长的模拟结果。研究对象建筑的南向立面上日照等时线为平缓的凸起，在5．4～7．7 Ill高度处，即近2层～2层半之间，在此等时线以上的外墙上可以达到连续4 h日照，以下的这部分区域均不宜设置太阳能集热器。
　　　　　　
　　图1  多塔式住宅日照平面及立面分析
　　③案例分析结果
　　通过对大量案例的分析，发现建筑形式和规划布局对日照时长产生影响。
　　a.板式建筑的长度与高度比值对日照的影响较大：南向建筑越长对北向住宅底层住户的遮挡越大；在建筑布局中，宜尽量布置短板式楼，避免超长板式楼。
　　b.塔式住宅不宜采用行列式布置，可采用错列式布置以便有更多的南立面用来采集太阳能；一般情况下，3层以下外立面不能保证冬至日累计4 h的日照时长。
　　(2)建筑外界面整合的设计要点与布置形式
　　对几十个高层住宅(一梯两户、一梯三户、一梯四户)的屋面太阳能热水系统可用面积及满足层数进行计算和统计。结果表明，一梯两户的屋面可利用面积能满足1O～14层用户的太阳能热水需求，一梯三户和一梯四户的屋面可利用面积仅能满足7层用户的太阳能热水需求。因此对于高层住宅使用太阳能热水系统而言，集热器的布置就不应该仅局限于屋面，必须结合墙面、阳台、凸窗台等部位进行集成设计。本文重点对不同集热器布置形式下的设计要点进行研究。包括设置形式、构造方式、维护设计等。
　　①墙面整合设计
　　墙面整合设计包括直立式、倾斜式两种。垂直式是集热器与墙面平行，与墙面结合紧密，尤其是与空调室外机的结合，外观具有一定的装饰效果，但热效率低。倾斜式是集热器与墙面有一定的角度，外观装饰效果不如直立式，但接受太阳照射效果好于垂直式。设计时要充分考虑支架与预埋件的固定、集热器与墙面结合处管道穿墙的防水措施、管线隐蔽埋设及安装检修措施，适用于补充屋面摆放集热器面积有限的高层居住建筑，与空调室外机的结合，外观具有一定的装饰效果。居住建筑南向的外墙面相对有限，因此一般只能选用太阳能热水系统的分散供热类型。在建筑外墙按集热器长度分段增加挑板，对防止集热器损坏坠落有一 定效果。
　　②阳台整合设计
　　阳台整合设计包括垂直式、倾斜式、栏板式、构件式。其中垂直式(图2)安装便利，易于维护，管线布置简洁，倾斜式(图3)的热效率要高于垂直式。适用于居住建筑中新建的户数较少的多层、小高层，其中集热器下方无挑板的更适用于太阳能改扩建项目;需采取部件防坠落措施，减少阳台和相邻部分建筑的凹凸变化，适当增加安装集热器部分的面宽。栏板式和构件式(图4)更好地体现了与建筑的一体化，使一件物体的功能多样化，适用于新建建筑，集热器及相关构件的承载力、抗风、抗震、防腐等物理性能均应达到相关要求。
 
　　  A                    B              C              D
　　    图2  阳台垂直式                      图3 阳台倾斜式
　　         
　　    图4  阳合构件式
　　凸窗整合设计(图5)应充分紧邻阳台，并留有一定自由空间，以便水箱等设备的安放;辅助能源宜为电加热形式，以避免燃气管道在房间内的穿越。
　　           
　　    图5  凸窗台整合设计
　　(3)高层住宅实施太阳能热水系统的策略
　　对于高层住宅而言，由前面分析可知，屋面可利用太阳能热水系统的面积无法满足整栋建筑全部用户的热水需求。且高层住宅一般情况下，3层以下外立面不能保证冬至日累计4h的日照时长，即无法满足太阳能集热器的布置要求。因此针对这种情况，高层住宅实施太阳能热水系统的策略有3种，可根据项目实际情况加以选择使用。
　　①屋面可利用太阳能热水系统的面积制备的生活热水供建筑上部用户使用。建筑上部区域采用集中供热系统或集中一分散供热系统，其区别在于辅助能源的集中设置与否;建筑下部区域采用分散供热系统，可考虑将太阳能集热器结合墙面、阳台、凸窗台等部位进行集成设计，辅助能源设于用户侧;建筑3层以下用户采用常规供热水方式。这种模式相比较方法2管线较 短，且靠近用热需求侧，热损失较少，主要通过房价等手段进行调控。
　　②屋面可利用太阳能热水系统的面积制备的生活热水供建筑下部用户使用。建筑下部区域采用集中供热系统或集中一分散供热系统，其区别在于辅助能源的集中设置与否;建筑上部采用分散供热系统，可考虑将太阳能集热器结合墙面、阳台、凸窗台等部位进行集成设计，辅助能源设于用户侧。与方法(1)相比，虽然管线较长，但热利用效果较高，且可以解决由于住宅楼层高低产生的一系列问题。
　　③屋面可利用太阳能热水系统的面积制备的生活热水供建筑全部用户使用，该方法太阳能热水系统较简单，但若不辅以墙面、阳台、凸窗台等部位的集成设计，会很大程度上依靠辅助能源，不能得到较高的太阳能保证率。
　　除上述方法外，对于高层住宅太阳能热水系统的解决策略还须综合考虑建筑形式及房型排布。如板式一梯两户，由于南阳台可以结合客厅设计较大开间，除屋顶之外，可利用阳台设置集热器，贮供热水箱安置在阳台或卫生间，做到管线简洁适用。一梯三户设计太阳能系统，由于中间户通常凸起会遮挡两边住户的墙面，所以两侧住户阳台若考虑安置太阳能集热器，就要注意被遮挡损失集热。塔式住宅一梯四户或一梯六户除前面的两户可以利用阳台，其他住户可考虑采用屋顶集热。
　　(4)辅助能源技术整合设计
　　由于太阳能的不稳定性，必须与其他能源结合使用，才能保证稳定的热水供应。按照供热水范围的分类，分别给出不同的太阳能热水系统辅助加热方案类型，并针对每种方案给出具体的参数计算方法并提出相应的设计要求、选用原则及控制方式。表1为太阳能热水系统辅助能源类型选用推荐表，辅助能源的类型必须根据太阳能热水系统类型、贮供热水箱形式及位置综合判定。
　　表1 太阳能热水系统辅助能源类型选用推荐

　　三、结语
  住宅建筑太阳能的设置有其自己的独特性，因此太阳能热水系统在住宅建筑上的应用类型及规模应根据实际建筑设计情况而定，具体的系统选择和设置应该根据太阳能热水系统在建筑中的经济性能、使用功能、建筑设计等多方面性能综合评价而做出最佳的选择，共同营造绿色、健康、舒适的社会环境。