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夏麟 叶少帆 田炜 (华东建筑设计研究院有限公司，上海200041) 在13项光热利用项目调研的基础上，梳理归纳了太阳能热水系统项目的应用情况，包括规模、技术形式、应用效果等。结合技术实施的现场情况、运营情况、实际使用的供能情况和效率以及维护保养情况对示范项目的经验和教训进行了归纳和提炼，最后提出了太阳能热水系统建筑利用的适用性建议。 1上海地区太阳能光热系统应用情况调研 上海市早在2005年就开始重视可再生能源在建筑领域的应用，“十一五”期间实现新增太阳能光热建筑应用面积337.65万m2，折合集热面积约20000 m2；新增太阳能光电建筑应用装机容量33.7MW；新增浅层地能（包括地表水和土壤能）建筑应用面积241.7万m2。上海市为进一步加大对本市建筑节能工作的推进力度，市政府陆续发布了《上海市节能减排专项资金管理办法》、《上海市建筑节能项目专项扶持暂行办法》、《上海市建筑节能示范项目申报指南》和《上海市建筑节能示范项目申报指南的补充意见》等鼓励政策，重点将太阳能、浅层地热能等可再生能源与建筑一体化的居住建筑或公共建筑作为重点示范的项目之一，明确了可再生能源建筑应用的技术要求。截至2012年末，上海市可再生能源建筑应用项目为38项，其中涉及太阳能热水系统应用的项目为13项，9个项目为居住建筑，4个项目为公共建筑，见表1。 1.1系统形式 在居住建筑项目中，大部分项目为分散式集热储热（户式独立）的太阳能热水系统（见图1），高层和别墅建筑全部是分散式集热储热（户式独立）的太阳能热水系统，多层建筑主要是采用集中式集热储热太阳能热水系统。热水用途以淋浴、厨房洗碗为主。公共建筑全部采用集中式集热储热系统，热水用途主要是厨房洗碗、洗浴和洗手。
1.2集热器布置位置 居住建筑从集热器布置情况（见图2）可以看出，阳台、平屋面、坡屋面都有布置，且比例接近，其中别墅建筑由于有坡屋面的有利条件，通常选择在南面的坡屋面上放置集热器；多层住宅通常选择在平屋面上布置集热器；对于高层住宅来说，由于每栋楼户数较多，采用集中的屋顶布置方式无法提供足够的热量，基本都选择在阳台上布置集热器，以分散的形式提供每户热水需求。
所调研的公共建筑均具有平屋面特性，建筑层数为6~9层，通过在平屋面上布置集热器即可满足用水需求，所以调研的项目全部采用平屋面布置集热器的方式。采用这种方式对于公共建筑来说还具有集热器易于发现问题，便于清理、维修的优点。 1.3集热器形式 居住建筑的集热器形式主要有平板和真空管2种，从集热器形式比例分布（见图3a）可以看出，真空管应用更为广泛，占80%，其中高层建筑全部使用真空管。从公共建筑集热器形式(见图3b)可以看出，平板集热器在办公类公共建筑中运用更为广泛。 a居住建筑
图3集热器形式比例分布 1.4水箱形式 水箱形式主要有开式和闭式2种，从调研情况可以看出基本上都采用了闭式水箱。对于开式系统来说，其优点是供水水压稳定，但个别项目中由于采用了间接加热系统，采用开式水箱是不合理的，而且采用开式系统也直接导致了夏季系统过热时，喷出大量水蒸气，导致用水量的增加，并且也造成了一定的不安全因素。 1.5水箱布置位置 水箱安装主要有地下室机房、楼顶、阳台、阁楼、卫生间/浴室几种(见图4)。
对于高层住宅水箱与集热器就近放置，基本都选择放置在阳台，缩短换热管线。某项目（高层住宅）大部分用户认为太阳能系统由于其庞大的水箱造成了阳台空间的减小，而把太阳能系统水箱拆除，仅留阳台上的集热器，使整个系统作废。调研的别墅项目分别将水箱放置在阁楼和地下室机房当中，所处区域都是密闭空间，在这些空间中，有可能因夏季运行过热而产生喷气，会对室内温湿度环境造成不利影响，但据业主描述，这一现象并未发生。 公共建筑的水箱大部分布置在机房，见图5。
1.6集热器面积 对于居住建筑，别墅通常设计的每户集热器面积较大，通常按照4 m2/户的大小设计，而高层和多层建筑的每户设计集热器面积一般为1.73~2.82m2。 公共建筑的集热器需求与热水用途有关，若系统仅用于厨房洗碗则集热器面积可以较小，而如果加入了洗浴和洗手用途，则热水用量大大增加，所需的集热器面积也大大增加。 1.7水箱容积 无论是分户集热还是集中集热分户供热的住宅，其每户的水箱容积都较小，约100 L。而别墅的水箱稍大一些，有150 L、200 L、300 L几种，而集中供热的养老院及宿舍建筑水箱容积基本在2~3 m3。从公共建筑的水箱选择可以看出公共建筑水箱的水箱容积通常都比较大，而且通常都采用间接式加热方式，采用多组水箱的形式。 1.8使用效果 在调研项目中，有些项目目前处于关闭状态未能正常使用，非正常使用的比例达到22%。 1.9太阳能保证率 在所调研示范项目太阳能热水系统中，太阳能保证率大多数在50%～60%，最低太阳能保证率为34.5%（阳台立面安装），最高为65.2%，均满足《可再生能源建筑应用工程评价标准》（GB/T50801-2013）中要求资源一般区太阳能热水系统太阳能保证率不低于30%的要求。 1.10集热效率 在所调研示范项目太阳能热水系统中，集热效率主要分布在45%～48%，最低集热效率为42.7%，最高为52.3%，均满足《可再生能源建筑应用工程评价标准》中要求太阳能热水系统集热效率不低于42%的要求。 2上海地区太阳能光热系统应用情况调研分析 2.1设计经验 2.1.1控制系统设置完善 各示范项目中，均设置有较为完善的控制系统。例如某住宅项目中，其主要监控点都设置了温度监控传感器，能够对系统中集热器、水箱中的水温进行精确的测量。同时测量数据反馈至控制系统，通过控制系统的计算来切换集热循环、辅助加热灯的开启。通过设置太阳能操作面板，还能够使系统一键式运行。 2.1.2集热器倾角设置的优化 部分示范工程项目在设计时，由于缺乏集热器的布置条件，只能在一些角度不佳的位置，例如墙面、阳台上进行布置。在示范工程建设的不断摸索和改进过程中，通过对集热器角度进行微调，获得了相对较好集热条件，提高太阳能利用效率。比较典型的是某项目中，在一期项目调试的基础上，四期调整了集热器角度，由90°调整为75°（见图6），通过角度的调整，太阳能保证率得到了提高，为高层住宅的太阳能热水系统设计提供借鉴。 图6阳台壁挂式集热器安装倾角 2.1.3系统与建筑一体化设计 在所调研的项目中，项目在与建筑结合方面均有较多的考虑，符合建筑 一体化设计要求(见图7)。 图7某项目的太阳能一体化设计 2.1.4利用多水箱系统防止太阳能系统过热 在某住宅项目中，通过设置2个集热水箱（见图8），可以根据太阳辐照量的多少进行切换，在冬季太阳辐照不足，系统水温较低的条件下采用单水箱运行，可以保证用水水温；在夏季太阳辐照过量的条件下，可以开启双水箱运行，使得系统加热水量增多，水温不会过高。 图8某项目的双水箱系统 2.1.5设置太阳能系统过热报警系统防止过热 针对过热问题，某项目通过在水箱中设置温度监控，设定报警温度，达到过热条件下蜂鸣报警的作用，使用户及时发现系统系统过热问题并排除。 2.1.6利用阳极镁棒法防止水垢的产生 热水系统由于长期温度较高，很容易产生钙镁离子的沉积，在集热器、换热设备、水箱等上面形成水垢，影响系统的正常运行，造成系统效率的降低。某项目在水箱中设置阳极镁棒（见图9），用于去除水垢，有很好的效果，有效减轻了水垢的沉积。
图9用于控制水垢的阳极镁棒 2.2运营经验 2.2.1太阳能热水系统保养策略 在某宿舍楼项目中，有效结合了学校特性，利用假期时间对各个宿舍楼太阳能热水系统进行保养维护，对不同宿舍楼之间用水进行调配，达到了用水量与集热量的统一，也保证了系统的定期保养维护。这一管理经验可以有效用于学校建筑、保障性住房等有明显节假日用水变化特性的建筑太阳能热水系统。 2.2.2就近设置系统维修服务站 在某住宅项目中，由于该小区太阳能用户较多较为集中，厂家选择就近设置系统维修服务站，能够负责太阳能热水系统的启动、维修、保养等工作，有利于系统故障的排查，使系统连续正常运行。在推广太阳能热水系统使用的进程中，一方面需要扩大太阳能热水系统使用数量和使用面积，另一方面太阳能热水系统正常连续运行也是需要保证的。这一做法值得借鉴，在有集中太阳能热水使用的区域范围内，应设置系统维修服务站点。 2.2.3系统安装完成后立刻进行漏水检查 由于太阳能集热器在运输和储存过程中有可能出现碰撞、破损的问题，在安装时也可能出现管道接头未拧紧的情况，这些都会导致系统水量的漏损，造成水资源浪费，并且影响系统供热，因此，在所调研的项目中，均在系统安装完毕后进行漏水检查。 2.2.4在夏季每日进行系统过热排查 针对夏季发生的过热问题，应及时监控与排查。在某住宅项目中，在入住率不高的情况下，加大了发生系统过热的概率，该项目通过系统维护人员的每日巡检，及时发现系统过热问题，并通过手动补充冷水的措施，防止系统过热。 2.2.5合理设置热水收费制度 热水系统的收费决定用户的使用率，对于公共浴室热水使用应当设置合理的收费制度。在某宿舍楼、老年公寓项目中均通过刷卡收费的方式使用户在进行热水使用时能够即开即用，节约用水，并使得太阳能供热能够有所保障。在设置热水价格时，系统应当考虑用户的接受程度，最好进行用户接受度调研，根据调研分析来确定热水价格。 2.2.6多模式多工况的切换 对于分散式太阳能热水系统，当用户长期外出时，会因为系统无人使用，导致过热、热水储存时间过长水质变差等问题。为了解决这一问题，在某别墅项目设置了多种运行模式可进行切换，用户可在长期外出时，将系统切换至“外出模式”，使系统自动进行热水的更换，并停止辅助加热系统。 3太阳能热水系统建筑利用的适用性建议 根据对上海市可再生能源示范项目运营效果的调研，既发现了好的经验也发现了需要注意的问题，为了更好地推动太阳能热水系统在建筑中的应用，关于系统选择和适用性上提出以下建议。 （1）应根据热水需求量、季节性用水特点、昼夜用水特点以及经济效果决定是否选用太阳能热水系统： ①当建筑热水用水需求很小时，不建议使用太阳能热水系统，如无食堂用水的办公楼，热水用水仅为办公人员洗手使用等。 ②当系统主要用水量集中在冬季，在夏季用水量较少时，不建议使用太阳能热水系统。 ③当系统主要用水为夜晚用水时，适合使用太阳能热水系统，以便白天充分收集热量供夜间使用。 （2）应当根据用水特性、集热器可布设区域的大小、水温稳定性要求确定太阳能作为产生热水的主要热源还是辅助热源： ①对于全日制使用热水的建筑，如宾馆、医院、游泳馆，热水使用量很大，若以太阳能作为主要热源难以满足热水用水要求，因此应使用太阳能作为辅助热源加热热水。 ②当集热器可布设区域不足时，应避免为了追求产热水量而过度增加集热器面积，从而造成集热器之间的自遮挡，此时也应当使用太阳能作为辅助热源。 ③当系统对水温稳定性要求较高时，建议将太阳能作为辅助热源使用。 （3）应通过建筑类型和可布置集热器的位置来确定系统的集热供热形式： ①公共建筑以及宿舍楼实行统一管理，适合采用集中式太阳能热水系统。 ②各户相互独立的别墅，适合采用集中式太阳能热水系统。 ③多层住宅、养老院以及屋顶面积充足的高层住宅，应采用集中分散式太阳能热水系统。 ④高层住宅由于屋面面积无法满足太阳能集热器的放置要求，可选择将集热器放置在各户阳台或墙面，采用分散式太阳能热水系统。 （4）应根据集热器和水箱的相对位置来确定太阳能热水系统的循环方式： ①当集热器布置在屋顶时，应采用强制循环系统。 ②当集热器在阳台布置时，根据水箱放置的方式选择循环方式，若水箱为地面放置的立式水箱时，应采用强制循环系统。 ③当水箱为阳台壁挂式且水箱进水口位置高于集热器出口时，可以利用不同温度水的密度差，使集热器加热的热水自然循环上升进入到水箱当中，从而进行自然循环。 （5）应根据水箱和用水点的相对位置确定给水方式，可采用重力式或压力式，当水箱位于屋顶或阁楼时，可以利用重力作用，采用重力给水；当水箱布置在阳台或地下室时，需要采用增压水泵进行压力给水。 （6）应根据系统对水温稳定性的要求来确定集热器内的传热工质，可分为直接加热和间接加热2种形式。当系统对水温稳定性要求很高时，如游泳馆建筑，应使用间接加热。 （7）太阳能热水系统中的集热循环水系统应进行阻垢处理，阻垢处理要求应根据水质和水箱形式确定。 （8）公共建筑应避免使用电加热作为其辅助热源。
原标题：太阳能热水系统建筑应用情况调研分析 |
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