高层建筑太阳能热水系统应用与设计探讨

高层建筑太阳能热水系统应用与设计探讨 杭州普桑能源科技有限公司 袁新毓 北京四季沐歌太阳能技术集团有限公司 李帅摘要：杭州市政府要求12层以下的住宅必须安装太阳能热水器，本文以杭州某房地产公司高层建筑项目为例谈一下高层建筑太阳能热水系统解决方案，与大家共同探讨适合高层建筑的太阳能热水系统关键词：高层建筑 集中集热分户储水 太阳能热水系统 资源共享 控制系统0前言为了节能减排及建筑节能，许多新建建筑考虑采用太阳能热水器来提供生活热水，同时随着城市快速发展，建筑用地资源越来越稀少，许多房地产开发商早已经开始建设小高层及高层住宅小区，提高土地利用率。于是高层建筑如雨后春竹般出现，对于高层建筑来说，采用太阳能热水系统解决生活热水问题是值得大家讨论的问题，高层建筑成功设计安装太阳能热水系统的案例少之又少。本项目是太阳能热水系统在高层建筑成功应用的典范。1高层建筑采用太阳能热水系统需要考虑的几个问题1.1在选择不同的太阳能热水系统方案时，应优先选择系统运行可靠，管理方便，便于摊销辅助能源费用、冷热水费用和运行费用等，达到管理简单方便，容易被住户接受，不产生物业与住户的矛盾等。1.2应考虑如何解决住在低层用户使用太阳能热水的问题。1.3太阳能系统设计时，应考虑到阴雨天气时太阳能产热水不足的问题。为确保热水供应的可靠性，系统设计应配置辅助加热系统，以确保用户全天24小时或定时供应热水。1.4系统应达到优先利用太阳能加热热水，当太阳能不足时，再让辅助能源补充加热。实现充分利用太阳能，降低辅助加热能源费用的目的。1.5太阳能热水系统应合理、可靠、先进；太阳能及辅助加热系统运行应实现全自动化、智能化；在保证工程质量和效果的前提下，尽可能降低工程造价，提高系统的性价比。1.6太阳能热水系统的布局与摆放应与周围的建筑物相协调，日常使用维护检修应方便。1.7太阳能热水系统设计应与建筑工程设计同步进行，前期为安装太阳能热水系统预留管线、预埋件等应到位，以方便后期太阳能热水系统安装。2 太阳能热水系统解决方案选择 在高层建筑设计安装太阳能热水系统，主要有以下四种解决方案可供选择。下面对这些解决方案的优缺点分别加以分析，然后作出最佳选择。解决方案一：在楼顶每户安装一台家用太阳能热水器（家用单台系统）见图1。优点：1.各住户的太阳能相互独立，互不影响；2.运行过程中，不存在收费管理问题；3.系统投资最低，运行较稳定，技术成熟。4.安装简单方便。缺点：1.低层住户的太阳能，使用时受到水压的影响，使用不便，甚至无法使用；2.各户的太阳能都是一个独立的系统，无论哪家的太阳能有问题，都要上楼顶维修，因此上楼维修的频率最高，不便于楼顶管理和维护；3.摆放不方便，不易与建筑物相协调，影响观瞻；4.各户上下两根管道，过多的管道敷设空间受限； 5.不能实现热水资源共享，热水资源存在“旱涝不均”的问题。 图1 家用单台系统解决方案二：安装一套分体式太阳能热水系统，集热单元安装在阳台或南墙面上，储热水箱放置在室内（分户集热分户储水系统）见图2、图3。 优点：1.住户的太阳能相互独立，互不影响；2.运行过程中，不存在收费管理问题；3.各户水箱可放置在室内方便的地方，如地下室、设备间、卫生间、厨房、阳台、阁楼等位置；4.系统投资较高，运行较稳定，技术成熟。缺点：1.集热单元安装需安全、牢靠，否则易存在安全隐患；2.采用自然循环效果不理想，采用水泵强制循环，费电，水泵存在噪音，增加控制功能。3.应综合考虑各户集热单元安装位置，否则会破坏建筑立面美观。、4.受倾角影响，阳台型采光效率低，成本高。5.集热单元若出问题维修可能不方便，因此需采用高档产品。6.不能实现热水资源共享，热水资源存在“旱涝不均”的问题。图2 分户集热分户储水系统示意图 图3 分户集热分户储水系统安装现场解决方案三：在楼顶安装一个集中储水的太阳能热水系统，通过管道供热水至每家每户（集中集热集中储水系统）见图4、图5。优点：1.可以实现热水资源共享，不受楼层高低限制；2.便于根据建筑情况灵活布局，可以实现与建筑物相协调；3.只有一个系统，运行可靠，上楼维修率低，楼面太阳能可由物业负责维护管理；4.系统投资较低，运行较稳定，运行成本低，技术成熟。缺点：1.辅助能源用量受天气阴晴影响，不便于核算运行成本和费用；2.运行过程中，热水需要收费；收费标准制定不当，易造成物业和住户的矛盾。3.需要在楼顶放置一个大储热水箱，建筑设计需考虑楼顶承重问题。图4 集中集热集中储水系统示意图 图5 集中集热集中储水系统现场工程解决方案四：楼顶安装集中集热的太阳能集热系统，通过管道将热能送至各户，并给安装在各户家里的储热水箱加热（即集中集热分户储热系统）见图6图8。优点：1.各住户使用自家水箱里的热水和辅助能源，不存在收费问题；2.不受楼层高低限制，并可以实现太阳能热能资源共享；3.运行过程中，不存在收费管理问题；4.只有一个系统，运行可靠，上楼维修率低，楼面太阳能可由物业负责维护管理；5.可以根据楼面建筑情况灵活布局，最容易实现与建筑物相协调； 6.集热系统集中放置在屋面位置，各户贮水箱放置在各户室内方便的位置。缺点： 1.为方便使用和安全可靠，应采用承压型储热水箱，并带有电加热功能。因此水箱成本高，从而造成系统成本较高。 2.为避免各住户由于贮水箱温度不同，热量互混现象，电气控制系统应特殊设计。图6 集中集热分户储水系统示意图 图7 集中集热分户储水系统工程安装现场 图8 大功率容积式电热水器第四种解决方案虽然造价较高，但优点突出，不须考虑水箱承重、电辅加热预留、线路预留、供热水循环、热水计费等问题，是将来高层建筑统一安装太阳能热水器的发展方向。因此高层建筑采用太阳能热水系统应按解决方案四进行设计，如果房地产开发商受投资限制，可以采用以下方法解决。该解决方法，可以使房产开发商对太阳能的投资低于其他几种方案。1.太阳能集中集热和通到各住户的管路部分由开发商出资，产权归开发商所有，供住户免费使用。2.各住户有免费使用太阳能热源的权力，但用户如愿意使用太阳能，储热水箱由各户出资购买。以下是为某房地产开发公司杭州某住宅小区设计安装的集中集热分户储水太阳能热水系统为例详细介绍该系统设计实施要点。 3 简要设计3.1设计参考依据1.GB/T18713-2002太阳热水系统设计、安装及工程验收技术规范；2.GB 50364-2005民用建筑太阳热水系统应用技术规范；3.GB50015-2003建筑给水排水设计规范；4.GB/T17581-1998真空管太阳集热器；5.GB/T17049-1997全玻璃真空太阳集热管；6.GB/T6424-1997太阳能集热器技术条件；7.GB4301-84太阳能集热器热性能试验方法；8.GB/T15513-1995太阳能热水器吸热体、连接管及其配件用弹性材料的评价方法；9.GBJ1788钢结构设计规范；10.GB/T12936太阳能热利用术语；11.GB50275压缩机、风机、泵安装工程施工及验收规范； 12.用户要求。 3.2设计参数3.2.1气象参数查有关资料，杭州：纬度3014，经度12010，高度41.7m表1 全年各月平均室外气温、水平面/当地纬度斜面上的月平均日太阳辐照量MJ/(d)123456789101112气温4.35.69.515.820.724.328.427.923.418.312.46.8水平面6.8137.7539.02112.54214.46813.21817.40516.46312.01310.2768.3887.303纬度斜面11.54614.15816.44817.85818.91617.92915.54815.59715.71414.27211.23410.408年太阳辐照量：水平面4129.595MJ/，当地纬度倾角表面5463.685 MJ/;年平均日太阳辐照量：水平面11.303MJ/，当地纬度倾角表面14.969 MJ/;年平均日照时数：18002000小时;年平均日日照时数：4.99小时;年平均温度：16.45C;冷水计算温度：10 C。3.2.2热水设计参数设计计算人口：1号楼109户、2号楼79户、3号楼79户、4号楼100户；设计热水用水量标准：普通户型储水水箱容量按150L设计，跃层户型按200L设计；计算生活热水温度：55，计算冷水温度：10。3.2.3常规能源费用 电价：0.65元/（kWh）（2008年，每月50（kWh）以下不加价，50（kWh）以上加价0.10元）。3.2.4太阳集热器性能参数 集热器类型：国标高效平板集热器； 集热器规格：2000mm1000mm。3.3工程概况 3.3.1建筑说明本工程位于杭州市九堡，该住宅小区由4栋11层板式小高层德式风格住宅组成。3.3.2用户要求根据用户提供的建筑图纸设计太阳能热水系统，方案为：1.太阳能热水系统基本形式按集中分散式太阳能热水系统设计；2.独立的分户式太阳能热水系统；3.用户认为适合本小区的其他方案。根据用户提供的建筑图纸，我方认为该小区适合采用方案1.但考虑到系统稳定性及可靠性及与建筑结合美观程度等因素，本次设计根据方案1进行设计，同时进一步完善系统方案。其中集中集热模块采用平板集热器，集热系统采用承压系统，内充介质防冻液，防结垢，防冻、耐腐蚀。提高系统使用寿命。3.3.3生活热水供应太阳能集热系统放置在屋顶，太阳能为间接式供水系统。每户一个储热水箱放置在户内，太阳能通过每户住宅储热水箱内的换热器为用户制备热水，本系统全天24小时供应热水；电加热作为辅助能源。太阳能集热器统一安装在屋面上。3.4系统热水负荷计算 3.4.1用水人数选4号楼1单元为设计内容。1单元总住户为20户，每户以150L设计。3.4.2系统日耗热量、热水量计算1.系统日耗热量取m=20户；qr=150L/户；c=4187J（kg）；pr=1kg/L；tr=55；tL=10。代入公式 Qd=m qr c（tr - tL）pr/86400则 Qd=6542W 2.系统日用热水量取qr=150L/户；m=20户。代入公式 qrd=qr m则 qrd=3000L/d3.4.3设计小时耗热量计算Qh取m=20户；qr=150L/户；c=4187J（kg）；pr=1kg/L；tr=55；tL=10；Kh=5.12。代入公式 Qh= Kh m qr c（tr - tL）pr/86400则 Qh=33495W3.5热水循环流量、设计秒流量计算1.全日供应热水系统的热水循环流量取Qs=5% Qh；t =5代入公式：qx=Qs/1.163t则 qx=288L/h2.供热水管的设计秒流量q（L/s），计算最大用水时卫生器具给水当量平均出流概率取qr=50L/（人d）；ms=3；kh=5.12；Ng=2；T=24小时。代入公式 Uo=qr ms kh/(0.2 Ng T3600)(%)则 Uo=1.48%查建筑给排水设计规范（GB50015-2003）的系统热水供水管的设计秒流量为q=0.85L/s3.6太阳能集热系统设计3.6.1太阳能集热器的定位太阳集热器与建筑方向同方位，朝向为正南方向。建筑为坡屋顶，太阳集热器倾角与该建筑屋面坡度一致。3.6.2太阳能集热面积确定 本系统为间接系统，间接系统集热器面积的计算和选择应首先计算直接系统集热器面积。3.6.3 直接系统集热器面积计算1.太阳能保证率f的确定 杭州属于资源一般区，系统全年运行，按照国家标准、经验值和计算机模拟法，取太阳能保证率为50%。2.确定管路及储热水箱的热损 太阳集热系统的集热器管路、换热器及等部件均在室外，户用储热水箱放置在室内，因此根据经验值取0.2。3.集热器年平均集热效率的确定 根据归一化温差并查厂家集热器效率曲线，取=55%。综上所述，取QW=3000L/d；c=4.187KJ/(Kg)；pr=1kg/L；tend=55；tL=10；f=0.5；JT=14969kJ/；=0.2；=0.55.代入公式 = QWc （tend -tL）f / JT(1-)则 = 42.913.6.4 间接系统集热器面积计算根据公式计算： AIN=AC1+(FRULAC/UhxAhx)其中： AIN 间接系统集热总面积，； AC 直接系统集热总面积，； FRUL 集热器总热损系数，W/(),平板型集热器取4-6，真空管集热器取1-2，具体数值要根据集热器产品的实际测试结果而定； Uhx 换热器换热系数，W/() ； Ahx 间接系统换热面积，。，单个水箱内盘管换热面积为1，总换热面积Ahx =20 取FRUL=6 W/()；Uhx=600 W/()代入得 AIN =45.65 由于该小高层屋面为坡屋面，为了与建筑一体化及保证使用效果，设计该系统选择24块平板型集热器,该类型集热器每块集热面积为2m2，集热面积共为48m2。3.7关键设备选型1.太阳能集热器目前国内使用的太阳能集热器主要有平板集热器、真空管集热器、热管集热器。平板集热器：优点：容易与建筑结合，承受压力能力高，维修率低。缺点：不防冻，适合在南方地区使用。若在北方地区应在春、夏、秋三季使用,若全年使用应解决好防冻问题。真空管集热器：优点：在中国占有90市场，在-25条件下，仍可产生热水，可一年四季使用。是目前全国各地普遍使用的产品。缺点：一根真空管破裂，影响整个系统运行。承受压力能力差。热管集热器：优点：可在零下50条件下使用，抗冻性能好，适合在北方高寒地区使用。一根真空管破裂，不影响系统运行。承受压力能力高。缺点：其冷凝端（加热端）表面积仅是真空管的百分之一，易结水垢，换热效果较真空管差。平板集热器、真空管集热器、热管集热器各有优缺点，由于该小高层屋面为坡屋面，为了实现与建筑相结合，该高层建筑小区设计采用平板集热器。2.贮热水箱每户的水箱容积为150L，美国史密斯承压水箱。3.集热系统循环水泵按每集热器的流量为0.015kg/（s）计算，集热系统的流量为2700L/h,此流量即为集热系统的流量。考虑到沿程损失、局部损失，计算得：H=0.15MPa。采用德国威乐水泵，该泵噪音小，性能稳定可靠，使用寿命长。3.8辅助热源辅助热源为电加热，放置于户用水箱中。3.9辅助热源功率计算辅助加热功率的选取应按阴雨天没有太阳能时，完全靠辅助加热来保证供热设计。（杭州地区：每年日照时数6小时的天数约为220250天，此期间不使用辅助加热）辅助加热功率应按阴雨天完全靠电加热装置加热时计算。计算参数：最长加热时间：4小时； 冷水水温：15； 蒸汽水温：55； 加热水量：150 kg。 由以上参数计算辅助加热功率为： P= cmT /H860 = 2.0kW；式中： C：水的比热 1千卡/（kg）； m： 加热水量 kg； T: 加热温差 ；：电加热管热效率，无量纲； (取0.95)。3.10管道 系统管道采用DN25/DN15热镀锌管道。4.11管道保温计算保温层厚度的计算按下式：d d = 3.14dw1.2l1.35t1.75/q1.5式中：d 保温层厚度，mm； dw 管道或圆柱设备的外径，mm； l 保温层的热导率，kJ(hm) t 未保温的管道或圆柱设备外表面温度，； q 保温后的允