太阳能热水系统在公建及住宅项目中的设计及应用

张洁

摘要：太阳能是目前最丰富的可再生能源,在发电,取暖,供水等方面取得了广泛应用.本文根据作者实际工程经验并结合国家规范要求,针对当前建筑太阳能热水系统的给排水设计方面进行了分析和总结.太阳能既是一次能源,又是可再生能源.太阳能资源丰富,既可免费利用,又无需运输,对环境又无任何污染.如何合理,有效利用太阳能技术,已成为不可改变的趋势.在国家大力提倡低碳环保的前提下,住宅太阳能热水系统开始大量应用在新建住宅上面.因此,如何合理进行建筑太阳能

关键词：太阳能热水系统 给排水设计 太阳能技术 可再生能源 集热器 太阳能资源 一次能源 集热系统 辅助加热

近几年，随着建筑行业内国家绿色建筑标准以及各种通用规范的制订和颁布，符合标准的新建工程都需设置太阳能系统。在给排水专业设计中，太阳能热水系统得到广泛应用。

太阳能热水系统可以充分利用太阳能源加热热水，达到实现减少常规能源使用量的目的，因而具有节约能源和洁净环保的优点。目前已成为节能减排的主要措施之一而大力推广。太阳能系统主要由四部分组成：集热器、贮集热器、贮水箱、泵、连接管道、辅助部件和必要时配合使用的辅助能源。

在当前的公共建筑和住宅设计中，如何确定选用哪种太阳能热水系统，就要根据太阳能热水系统形式和特点选取最合理的利用形式。当前的太阳能热水系统种类很多，主要有以下三种形式：a集中供热系统；b集中-分散供热系统；c分散热水系统。集中热水系统，集热器的安装集中在屋面，储热水箱的安装选择可以在室外，也可以安装在室内，一般利用集热器吸收的热能，把水集中加热，再把热水供应到各用水点；集中-分散供热系统，集热器需要集中安装在屋面，储热水箱分散到室内的用热水处，辅助热源通常选择电或燃气。分散热水系统的集热器可以安装在阳台外部，也可以把集热器整体安装在屋面，储热水箱分散到阳台或室内卫生间的用热水处，辅助热源采用电起到辅助作用。

在公共建筑或者工业建筑的设计中，通常采用集中供热系统，把太阳能集热器、贮热水箱、循环水泵设置于屋顶，辅助热源为电加热器，太阳能集热系统采用强制循环直接系统。集中供热系统原理图详图1。

图1：集中供热系统原理图

太阳能热水系统室外管道及室内干、支管采用镀锌钢管。太阳能集热器、储热水箱的管道连接方式均采用同程方式连接。

集热器在安装时，其安装倾角要充分考虑到当地的纬度因素，具体说来，热水系统在夏季使用安装倾角要在当地纬度上减10°；如果系统更多的用于冬季，其安装倾角要在当地纬度基础上加10°；对于水平热管集热器来说，安装倾角通常为0°，利用热管式集热器安装倾角≧10°。集热器的安装朝向以正南方或正南方位偏东西30°范围内设置。集热器在的连接线路可以通过：a并联；b串联；c串并联等方式连接，形成集热器组。集热器组内部的集热器连接要采用并联的方法，尽可能减少串联的数目，这样可以减少一部分能耗。循环系统的集热器组内部连接适宜采用并联。

管路的设置也是给排水设计中的重要环节，需要确保冷热水系统压力均衡，具体说来系统中的冷、热水压差不要超过0.02MPa。管道需要采取保温措施，确保供水温度更加稳定，因此对于室外管道来说，通常需要采用防冻措施，管路中不可存在死角，避免出现水滞留问题，同时要按照给排水的流向合理设置坡度。管道设计的走线也要兼顾美感，尤其是室外管路、管线需要设置在比较隐蔽的位置。管线需要预埋在套管中，并穿越围护结构。竖向管线的设计多应用在竖向管道井中，这样管线及安全隐蔽，又便于维护和检修。室内水平管线在设计中需要在楼板和墙体面层中沟槽，并且使管线处于水平状态，隐蔽于吊顶等内部构造，需要注意管线要无接头，这样可以避免漏电引发火灾。

集中太阳能系统工作原理：真空集热管接受太阳辐射，将收集的太阳辐射能转换成热能，逐渐加热真空管和集热器内的水。当集热器内水温达到设定温度时，通过温度传感器、温度控制器及电磁阀、循环水泵等设备，将集热器内的热水输送到集热水箱储存，同时自动补进冷水。通过对集热水箱、管道及阀门采取保温措施，集热水箱中的高温水即可供用户使用。

在住宅建筑的设计中，目前最新采用的系统为分散热水系统。集热器选择平板型，挂设于阳台外部，集热水箱为搪瓷内胆设置于阳台内部或者卫生间内，辅助热源为电加热器，太阳能集热系统采用自然循环间接系统。分散供热系统原理图详图2。

图2：分散供热系统原理图

太阳能热水系统室内管道采用热水型无规共聚聚丙烯（PP-R）管，管材使用条件1级，管系列为 S3.2，垫层内敷设。

分散太阳能系统工作原理：自然循环无需外部动力，系统依靠集热器和水箱中的介质温度不同产生的密度差进行的循环（热虹吸循环），将储热水箱中的水不断加热；系统的加热过程是反复不断的通过自然循环来实现，由于自然循环，水箱中的热水分层，水箱中的热水总是上层先达到使用要求；当在日照不足时，用户可以启动电加热，将水箱中的水加热到使用温度。电加热自动控制，也可以手动控制。

在现代太阳能设计中无论太阳能集中热水系统或者分散供热水系统，需要在建筑设计前期就应该充分考虑可行的设计方案，使太阳能热水系统与之同步设计，同步施工、验收。做到太阳能集热器与建筑外观的相互协调，综合考虑占地少，节约投资，故障率低，提高设备利用率，有利于水温和水压平衡，同时太阳能管理、计量等问题也需要再选用太阳能形式时也需要综合考虑。另外从设备利用率、水压平衡等方面看太阳能集中热水供应系统也不宜太大，根据实际情况调整方案，对于大的厂区或者公建，如果采用太阳能集中热水供应系统，最好以单栋或者相邻几栋为一个小的循环系统是合理的。太阳能集中热水系统采用的形式多种多样，其适用范围较广且各占优势。设计时还要考虑到太阳能系统的节能性以及经济实用性，选择最合适的集热系统，经过多方核算以及考虑其安全因素等，设计调整出真正高效节能的太阳能集中热水系统，更好的服务社会做出应有的贡献。

参考文献

【1】GB50364-2018民用建筑太阳能热水系统应用技术标准

【2】GB50015-2019 建筑给水排水设计标准

【3】12系列建筑标准设计图集12S3热水工程