住宅太阳能热水系统整合优化设计方案

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前言

太阳能作为无污染的绿色能源，近几年在建筑中的应用得到了快速发展，太阳能热水系统在与建筑物的有机结合方面也得到了推进。为了满足人们对高质量生活的追求，越来越多的住宅在设计中采用太阳能热水系统。因此有必要进一步规范住宅建筑太阳能热水系统与建筑一体化的设计、安装，对于太阳能热水系统的最佳形式、最佳规模等进行研究，以改善住宅功能、节省能源，推动生态住宅的发展进程。

一、设计方案类型

（一）太阳能热水系统型式类别

太阳能热水系统根据集热系统、辅助系统及供水的不同组合形式，可以分为分户集热—分户储热辅热式，集中集热—分户储热辅热式及集中集热—集中储热辅热式太阳能热水系统三类。

1、分户集热—分户储热辅热式太阳能热水系统

1.1分户集热—分户储热辅热式太阳能热水系统是指终端用水点以户为单位，每户独立设置太阳能集热器、储水箱、辅热设备及相关管路，每户独立使用的小型太阳能热水系统。

1.2分户集热、分户储热辅热系统中，集热器的安装位置可为建筑屋顶（平屋面、坡屋面）、立面墙、披檐及阳台拦板等位置；

1.3分户集热、分户储热辅热式太阳能热水系统较适用于独立式小型别住宅、联排别墅中，也可以在多层住宅及高层住宅中使用。针对于以上不同的建筑类型，分户集热、分户储热式太阳能热水系统的安装、运行方式有所不同。独立式小型住宅、联排别墅采用分体别墅型太阳能热水系统；高层住宅多采用阳台壁挂式太阳能热水系统。

1.4分体别墅型太阳能热水系统：适用于独立式小型住宅、联排别墅住宅的分户集热、分户储热辅热太阳能热水系统。

（1）分体别墅型太阳能热水系统一般采用分离式强制循环二次换热（工质循环或水介质排空方式）系统形式；

（2）在安装时，集热器与屋面相结合进行安装，满足建筑结构功能的同时不影响建筑物的外观；储水箱及其他辅助设备安装于室内设备间，便于操作及维修；

（3）在辅助能源的选择上，一般宜选用电加热形式；在使用时，可采用半自动控制的方式（温度不足手动启动，达到设定温度时自动停止）

（4）系统运行原理示意图：

图一、分体别墅型太阳能热水系统示意图（强制温差循环方式）

1.5阳台壁挂式太阳能热水系统：较适合于多层、高层住宅分户供热系统的使用；

（1）阳台壁挂式太阳能热水系统一般采用自然循环方式，为保证系统的全年使用，循环介质采用防冻液；

（2）安装时将集热器放置于阳台栏板，水箱可安放在阳台内侧或设备间内，要求水箱位置高于集热器。建议太阳能与水箱位置不宜过远。

（3）辅助能源一般采用电加热方式，半自动控制。

1.6分户集热、分户储热辅热太阳能热水系统方案优缺点：

（1）系统为小型分体式承压供水式，系统简单，使用方便，在建筑应用中的应用安全性可靠性高。

（2）储水箱距离用水点较近，户内热水管路距离短，用热水时不会放出大量的冷水，节水效果好；

（3）产品使用独立，产权明确，由住户负责日常维护，无管理难度；

（4）辅助加热设备建议采用定时定温的方式控制，节能效果好；

（5）热水资源利用无法共享，有效利用率较低，系统综合造价相对较高；

图二、阳台壁挂型太阳能热水系统示意图（介质自然循环方式）

2、集中集热、分户储热式太阳能热水系统

2.1集中集热、分户储热辅热式太阳能热水系统是指将太阳能集热器集中、统一规划安装于建筑物屋面部分，储水箱、辅助保障系统按终端用户为单位独立设置的太阳能热水系统。

2.2集中集热、分户储热式太阳能热水系统：

（1）太阳能集热器集中安装在建筑物的屋面；

（2）储水箱及辅助设备按每户的用量分别设置在各户内；水箱通过太阳能循环泵与屋面集中集热器进行循环；

（3）辅助加热装置一般采用电加热，分户设置于户内水箱中。

2.3集中集热、分户储热辅热太阳能热水系统方案优缺点：

（1）集热器统一安装设置，集热循环管路较少，减少了对公共空间的占用；

（2）热水供应系统采用分户式，热水管路减短，承压供水；集热具备有分体式热水系统节水效果好等特点；

（3）热水系统分户供应，水费、辅助电费计费容易，

（4）系统设计相对较为复杂，如需着重考虑热量分配不均及高层的压力平衡总是。

（5）由于系统的辅助分户设置，因此在各用水终端进行热量补充时，须关闭太阳能循环泵，否则会造成单户辅助系统热量进入太阳能集热系统而无法计量；

（6）整个太阳能热水系统不同部分产权归属不尽相同。集热器统一使用，为公有设备（归属物业管理），而各终端设备为各户私有，在设备的使用过程中，易造成责任混乱，设备的管理及问题处理相对易发生纠纷。

图三、集中集热、分户储热辅热式太阳能热水系统

3、集中集热、集中储热辅热式太阳能热水系统

3.1集中集热、集中储热辅热式太阳能热水系统是指太阳能集热系统、储水箱及辅助部分全部集成化，统一安装储热器，统一设置集中储水箱及辅助加热设备，然后将热量再次分配至各用水终端的太阳能系统；

3.2集中集热、集中储热辅热式太阳能热水系统根据储水箱承压性可分为承压式系统和非承压式系统两种；

3.3承压式集中集热、集中储热辅热式太阳能热水系统一般适合于储水容积较小的系统类型。比如在多层住宅的供水系统中以一个单元为供水单位的太阳能热水系统；

3.4非承压式集中集热、集中储热辅热式太阳能热水系统成本造价较低，一般较适合于大容量供水单位。

3.5集中集热、集中储热辅热太阳能热水系统方案优缺点：

（1）太阳能集热系统、辅热系统、供水系统高度集成化，集热系统热损失小；

（2）辅助能源系统集中设置相比于分散设置，其初期投入设备功率及期的运行费用都相对较小，节能优势更加明显；

（3）热水供水系统相比于分户式系统便于进行优化设计，保证供水品质，实现在节能、节水的前提下达到随时供应符合用户需求的热水的目的。

（4）集中集热、集中储热辅热太阳能热水系统可以克服分户式集群系统中占用公共管道井面积较大的缺点，节省了系统管材；但需设置独立的公共设备间，占用建筑物的公共面积；

（5）集中集热、集中储热辅热太阳能热水系统在集热器面积、辅助功率、热水系统的设计、使用上均存在平衡互补性：

A、集热面积相对较小，各种辅助设备较小，初期投资费用低；

B、使用过程中，由于系统对设备的集成整合程度高，因此可以对不同用水点的需求的能量进行方便、合理的调节，使太阳能量及系统设备的有效利用率更高，且保证了充足的用水量；

（6）集中集热、集中储热辅热太阳能热水系统需根据太阳能系统的均运行成本确定热水收费标准，通过分户安装热水表对热水进行计量收费，相对较为麻烦；

（7）集中集热、集中储热辅热太阳能热水系统后期需物业管理部门进行设备的整体维护及管理；

3.6集中集热、集中储热辅热太阳能热水系统分类对比：

根据系统使用规模的不同，可分为多栋楼系统、独栋楼系统及单元楼系统三种。多栋楼系统由于存在集热损失及室外供热管线损失较大的缺点，不推荐使用。下面就单元楼系统及独栋楼系统的不同点进行对比分析。

序号

项目

单元楼系统

独栋楼系统

01

经济性能

承压水箱，初期的投资高，回收期较长

开式水箱，设备集中程度高，初期的投资低，回收期短

02

建筑结合

空间占用

设备间多处，占用公共空间相对较多

设备间一处，占用公共空间相对较少

03

管井位置

集热管道布置数量多，占用管井空间大

集热管道布置数量少，占用管井空间小

04

系统设计

承压系统供水

变频机组供水

05

使用功能

管理水平

管理点较多，后期管理维护费用相对较高

管理点较少，后期管理维护费用相对较低

06

管路热损

集热系统为多路，相对热损失较大；供热系统管路短，热损失小；

集热系统为单路，热捐失相对较小；供热循环管路较长，相对热损失偏大；

07

运行费用

采用自来水压力供水方式，相对更加节省费用

采用变频机组供水，会产生一定的费用

图四、集中集热、集中储热辅热式太阳能热水系统（开式水箱）

图五、集中集热、集中储热辅热式太阳能热水系统（承压水箱）

二、住宅太阳能热水系统优设计

1、住宅类型：

目前，建筑的普遍类型一般有以下几种形式：别墅型住宅，多层住宅、板式小高层、板式高层住宅、点式塔楼住宅等。在遵循经济实用、节能节水、安全简便的原则下，应结合各类型住宅的结构特点、用水点分布情况、用户的实际用水习惯、系统的运行管理模式、辅助能源的种类及经济承受力等因素，应针对不同的住宅类型设计不同类型、不同规模的太阳能热水系统。

2、太阳能热水系统优化选择

2.1、别墅型住宅：

别墅属高档次住宅，其在建筑功能及建筑外观的要求比普通住宅要高。对生活热水的使用，存在用水量相对较大，供水舒适性要求高、要求保证率较高等特点。因此，在太阳能热水系统的选用上，推荐采用分体别墅型太阳能热水系统。

2.2多层住宅（按户型平均面积80平米考虑，人均日设计用水量50L）

（1）按6层6个单元计算，每单元一梯两户，屋面面积约为960m2（按平屋面考虑，若为坡屋面，南向可利用坡屋面面积510m2）；

（2）多层住宅按6层6单元一梯两户考虑，共计72户，每户按3人计算，则总用水人数为216人，因此系统最大设置集热器面积140平米，其集热器的布置完全可满足；

多层住宅的屋面面积较为充裕，可以根据用水需求设置足够的集热器面积，因此在太阳能热水系统的选择上，建议选择集中集热、集中储热辅热太阳能热水系统；在系统的规模上，可选择独栋楼设置独立太阳能热水系统一套的方式，太阳能热水系统为开式供水模式（图四）。

2.3板式小高层/高层

（1）每单元一梯两户，单元屋面面积约为160m2（按平屋面考虑，若为坡屋面，南向可利用坡屋面面积85m2）；按太阳能的基本布置，基本可以满足6-7T的产水量；

（2）上述水量基本最低可满足120人左右的日用水，每户按3人计算，满足的总户数40户，按一梯两户考虑，因此，基本上在20层及以下住宅上屋顶面积基本可满足该楼的生活用热水量；

因此板式小高层/高层（20层以下）上，可以选择集中集热、集中储热辅热太阳能热水系统或集中集热、分户储热系统；20层以上板式高层住宅由于其屋面可安装的太阳能集热器面积有限，宜采用阳台壁挂式太阳能热水系统与集中集热集中储热辅热、集中集热分户储热辅热太阳能热水系统等其他系统的分高低区联合供应的方式。

2.4点式塔楼住宅

点式塔楼住宅由于其建筑结构的物点，存在屋面可利用面积无法满足太阳能集热器布置条件的缺点，因此太阳能集热面积无法完全满足全楼的热水供应；

点式塔楼住宅其建筑设计一般存在北向户型，因此，不具备采用阳台壁挂式的安装条件；

针对于上述特点，建议在屋面布置太阳能集热器满足高区用户生活热水供应，利用地下室等设备层安装其他能源形式满足低区用户生活热水供应。

三、结论分析

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具体而定。具体应根据太阳能热水系统在建筑中的经济性能、使用功能、系统设计、建筑设计等多方面性能综合评价选择。