高层建筑太阳能热水系统设计分析

摘　要：太阳能热水系统以节能与环保的突出特点越来越受欢迎。本文结合工程实例，提出三个太阳能热水系统设计方案，并分析了其优缺点，以满足人们的要求。

关键词：高层建筑 ； 太阳能热水系统 ； 辅助加热
1.工程概况
　　为了打造低碳建筑，需要考虑太阳能等洁净能源的应用，以此作为设计亮点之一；同时提出，太阳能热水系统在做到实用性的前提下能最大限度降低投资成本。该工程是地上10层的高层办公楼，其1～9层公共卫生间的洗手盆和1O层健身房淋浴间考虑太阳能热水供应，而本楼冷水给水系统竖向分区供水：1～4层由市政管网直接供给，5～l0层由加压供水设备加压后供给。如何做到经济、实用是设计的主要原则，本文结合三个具体的设计方案来分析其利弊。
2.系统方案分析
2．1 方案一：集中集热、分户换热、分户储热
　　在高层建筑中，太阳能热水系统常采用集中集热、分户换热、分户储热的热水系统(见图1)，系统的核心元件之一就是分户承压容积式换热器，分户容积式换热器可以做到二次间接换热，很好地解决了高层建筑设计中冷水热水供水压力不均衡的问题，也可以避免在日照充裕时间段太阳能热水过热(达到接近沸水的温度)状态下对人体的烫伤危险，并且产品自带电辅助加热，可以补偿太阳能热水系统在日照不足时间段的供热量。系统中分户水箱体积越大，蓄热能力则越大，节能效果越明显。
　　　
　　图1 方案一太阳能热水系统原理图
　　本系统在屋顶设置热媒水箱，水箱有开式、闭式两种，可定期补充热媒介质。热媒介质采用机械循环，并设温度计控制水泵的工作状态。办公楼洗手热水系统与淋浴热水系统相互独立，分开考虑。
　　此系统为设计推荐方案，虽然系统的初期投资相对其他方案较高，但热水系统使用的舒适性效果非常好。针对投资成本稍高的方案一，建设方希望设计尝试在不增设其它辅助热源的前提下充分利用太阳能来服务于本楼热水系统。
2．2 方案二：集中集热、集中换热、洗手热水集中储热、淋浴热水分户储热
　　为满足业主要求，提出了第二种设计方案(见图2)。方案二仍然采用公共建筑中常用的集中集热、集中换热的集中热水系统形式，改变之处在于取消了洗手热水系统的分户容积换热器，洗手热水采用集中储热，淋浴热水采用分户储热，洗手热水系统与淋浴系统相互独立。
　　
　　图2 方案二太阳能热水系统原理图
　　另外，本楼使用功能以办公为主，非对外营业型，洗手盆热水温度的舒适性要求不高，为节省造价，降低系统运行成本，设计在业主可以接受的前提下以降低舒适性来简化系统。
　　图2中洗手热水系统干管机械循环，集中蓄热，是最为简化的太阳能利用方式，节省了造价。系统中冷水与热水的供水压力不均衡是设计的难点之一，因为冷水供水系统分两个区，热水供水只有一个区，难以平衡压力。如果将热水系统改为闭式系统，冷热水全部采用一套加压供水设备加压后供给，则冷热水供水压力平衡可以解决。但每层用水点都采用变频加压供水，有悖于“充分利用市政供水压力”的节能设计理念，同时造价的增加无法让业主满意，于是笔者决定放弃此尝试。考虑到本工程地处南方，且本楼为非对外营业型的办公场所，对洗手热水系统要求较低，设计决定采用可调式支管减压阀对热水支管供水压力进行调节，对冷水、热水供水压差逐层统计、分层调节，尽量降低每层冷水、热水供水压差值。每层热水的压力差值越接近越好，因为恒定的冷水、热水压力差值有利于单柄混合龙头调温操作，容易形成规律性的操作角度，对于使用者即使换层使用混合热水龙头也接近原有习惯，大大提高了使用的舒适性，也节省造价。
　　冷热水温度差的不稳定性也是造成调节水温困难的因素之一，要彻底解决温度不稳定的弊端，唯有借助于第二辅助热源来弥补太阳能集热的不足之处。本方案提出的初衷是取消辅助热源，探讨单一的太阳能热水系统来服务于生活，所以在热水使用舒适性要求不高的前提下忽略此影响。
　　关于10层淋浴热水系统，建设方建议“将太阳能热水系统与传统家用电热水器相结合，将太阳能加热后的热水直接作为电热水器的补水来应用”。这看似合理的构思，实则给设计方出了一道难题，笔者对这个方案进行技术探讨，将业主提议进行优化，深人分析了系统的利弊及可实施性。淋浴热水系统采用太阳能热水作为电热水器的补水水源，表面看充分利用了太阳能，还能在日照不足时以电热水器作为补充(业主认为，传统电热水器技术成熟，安全性及能效比相对较高，允许适量设置几台电热水器)。这个构思必须注意如下问题：(1)太阳能热水温度过高可能损害电热水器，甚至有安全隐患。要解决太阳能热水过热的问题，可在集热系统的循环管路设置温控电磁闷，温度过高时关闭系统同路，停止供应热水。(2)如何让电热水器内的水参与系统循环。若容器内的热水不参与循环，初期用水水温难以满足使用的要求，若泄宅容器内的冷水，则造成水源浪费。当然，电加热可以解决水温问题，但系统的节能效果受到影响。
2．3 方案三：集中集热、集中换热、集中储热
　　方案二綦本满足了业主对本办公楼1～9层洗手热水的使用要求，为了解决10层淋浴热水系统部分存在的问题，提出了第三种设计方案(见图3)。
　　
　　图3 方案三太阳能热水系统原理图
　　淋浴热水系统如何做到最大节能、节省投资的效果，是方案三的重要特点，淋浴系统也考虑集中储热，即屋顶设置储热水箱，将洗手、淋浴热水均储存在水箱内，形成一套集中集热、集中换热、集中储热的太阳能热水系统。此系统结构简单，投资节省，能充分利用太阳能。但存在一个难点，就是热水箱出水压力如何保证与冷水供水压力平衡，因为热水箱内压力为零，而冷水供水压力则接近于150kPa。
　　为平衡冷热水供水压差，可以在淋浴热水出水总管设管道增压泵，通过流量控制阀来控制水泵的启停，当淋浴时自动启泵，这样通过水泵增压满足冷热水压力悬殊的问题。若要进一步降低投资及运行成本的费用，则不考虑增设管道泵，而是将水箱高度抬高，利用水箱与10层淋浴喷头的相对高差来满足供水压力要求，当然，系统供水压力的大小完全取决于水箱高度。
　　为了弥补日照条件不足时太阳能热水系统难以保证淋浴热水的情况，笔者建议甲方就近预留几个电热水器作为备用，平时运行以太阳能热水系统为主
3.结束语
　　充分利用太阳能等洁净能源是我国积极推广的国家能源战略，本设计结合实际工程，在满足基本使用要求的同时，尽可能降低投资运行成本，为业主提供低成本、高回报的新能源利用技术，也为无辅助热源的纯太阳能热水设计提供了参考。当然，文章介绍的太阳能热水系统并非适用于各类建筑，选择何种系统与业主的使用要求相关。太阳能利用技术的推广应用意义重大，本文意在抛砖引玉，希望建筑节能技术更快更好地发展，让经济能源与节能设计更好更多地服务于人类生活。
　　参考文献：
　　[1]郑瑞澄．民用建筑太阳能热水系统工程技术手册[M]．北京：化学工业出版社．2006．
　　[2] 浙江大学建筑设计研究院．2008浙S12／J60太阳能热水系统设计与安装[S]．杭州：浙江工商大学出版社，2009.