城镇建筑应用太阳能热水系统

1、中高层建筑太阳能热水系统设计方案2012年3月一、引言 为加快推进太阳能热水系统在本市民用建筑领域的应用，提高人民生活质量，促进节能减排，由市住房城乡建设委会同市发展改革委、市规划委负责制定太阳能热水系统建筑应用管理办法，给太阳能在城镇住宅的应用推广带来了机遇及挑战。基于目前中高层住宅太阳能热水系统常用形势的比较研究，提出了中高层住宅太阳能热水系统整合设计方案，实现了太阳能热水系统与中高层建筑完美结合、建筑一体化设计。二、设计原则 1、结合区域能源供应现状，最大限度收集、整合利用自热资源，合理设计太阳能集热系统、辅助能源系统、热水供应系统，实现能量的交换，做到能量供给的综合利用。 2、系统经济

2、可行性：从最终用户使用角度考虑，太阳能热水系统在满足高品质供水特性的前提下，其初投资尽量合理，运行费用需低于其他常规能源形势。 3、设备节能省地的原则:从开发商的角度出发，太阳能热水系统应尽量避免占用建筑物的有效使用面积，是开发商的利益最大化。 4、便于维护及管理：从物业的利益出发，太阳能产品及系统应具有高寿命、低故障率、便于维护管理等特性，以满足物业公司在管理上的便捷性。包括维修、取费、计量等方面。 5、在技术可行性的基础上，综合平衡各方的利益，系统设计时应避免前期开发商对增投资过高的抵触，也须考虑后期使用过程中管理 和维护等问题。 三、系统要求 1、太阳能热水系统使用寿命15年左右；有可靠

3、的防冻、防结露、放冰雹、防过热、抗风、抗震等技术措施。2、太阳能热水器与建筑相结合，在外观上，与建筑设计统一规划、同步设计、合理布局、因地制宜，实现太阳能集热器与建筑的协调统一。3、在结构上，确保建筑物的承重、防水、抗风等功能不受影响。4、在管理布局上，合理布置太阳能循环管路以及冷热水供应管路。 5、在系统运行上，要求系统可靠、稳定、安全，易于安装、检修、维护、合理解决太阳能与其他能源水加热设备的匹配，实现系统的智能化和自动控制。 6、太阳能热水系统类型的选择，应根据建筑物类型、使用要求、安装条件等因素综合确定。7、水源与水质：水源为市政自来水，水质卫生标准应符合生活饮用水标准的要求。四、太阳

4、能热水系统分类与介绍 1、太阳热水系统按供热水方式分为：分户集热、分户供水；集中集热、集中供水；集中集热、分户供水。2、太阳热水系统按系统运行方式分为：自然循环系统；强迫循环系统；直流式系统。3、太阳能热水系统按其他能源水加热设备安装位置分为：内置加热系统；外置加热系统（主管加热系统、干管加热系统、支管加热系统）。4、太阳能热水系统按其他能源水加热设备使用方式分为：一般供热水系统；定时供热水系统；全日供热水系统。5、太阳能工程系统包括：太阳能集热器、水箱、水泵、电磁阀、辅助能源、控制系统、管路管件、支架。6、太阳能集热器类型：热管集热器，真空管集热器，平板集热器。集热器性能比较比较要素集热器类

5、型平板型真空管型热管型冬季集热效率低中高运行方式承压、非承压非承压承压、非承压易损程度低较高中安全耐用性高低高稳定性安装简单、耐候性差、使用寿命长安装较简单、需定期维护、使用寿命较短安装快捷、维护方便、使用寿命长价格中低高五、中高层建筑太阳能热水系统分析 1、住宅的类型 单层住宅：主要是指我们通常意义上的平房。低层住宅：主要是指3-4层以下的别墅或联体建筑。多层住宅：指6-7层的住宅建筑。中高层住宅：指9-15层的住宅建筑。高层住宅：指15层以上的建筑。2、不同类型太阳能热水系统对比、分户集热分户供水优点：无需热水收费管理系统产权明晰，日常维护故障维修方便。缺点:出现各楼相互遮挡情况是，高楼的

6、低层用户不适宜安装塔楼非朝阳面住户不适宜安装用水点离阳台远，安装管线长，用水时需要排空较多管内冷水。、集中集热集中供水优点：集热器集中设于屋顶或采光最好的位置，与各户实际日照条件无直接关系系统安装简洁、效率高、管线少、易安装热水共用利用率高。缺点：需要分摊辅助加热费用及水费，因此需要分户计量收费，给系统管理、维护带来困难采用电辅助加热，加热功率大，大大增加系统初投资系统工作时间长，管道散热多，增加热水成本高层供水系统需解决冷热水压力平衡问题。、集中集热分户供水系统优点：使用经济性： 集中采热、分户供热系统太阳能产生的热量是通过换热的方式提供给用户的，用户无须支付太阳能产生热量的费用，只是在太阳

7、辐照不足时使用需支出少量其它能源水加热设备所消耗的费用，总体使用成本低廉。 管理便捷性： 本系统集热器及循环控制设备均设置于公共空间，便于物业统一管理和维护，能够更有效地保证系统长期正常运转，在设备使用寿命期限内持续发挥效力，避免了用户因维护成本高所造成的投资浪费。 公摊费用低： 因系统仅通过热媒换热向住户提供热量，故无需物业统一计量收费，系统运行费用低廉，用户易于承受，用户公摊费用低，仅需支付循环水泵的电耗。 建筑协调性（美观） 集热器统一安装，可与建筑良好的结合，集热器设于屋顶采光最好的位置，与各户实际日照条件无直接关系，不需要每户均设南向阳台，因而建筑平面布局可以相对灵活。不多占用室内空

8、间，减少土建成本。 3、辅助能源系统 太阳能热水系统中，辅助能源的使用类型对系统最终运行费用有较大影响。辅助能源系统包括：城市热网加热、燃气加热、地源热泵辅助加热、空气源热泵辅助加热、电辅助加热等。六、中高层建筑应用太阳能热水系统方案（一）、分户集热分户供水形式：选用平板型集热器由于真空管整体式、壁挂式太阳能在实际应用中出现诸多的问题，如维修量大；维修环境较为危险，频繁的更换真空管和维修供回水管路给用户带来了不便；真空管易碎，阳台或高层安装时破碎的真空管下落极易伤及路人，若遇大风天气破碎的玻璃更是四处乱溅。平板式太阳能热水器克服了以上的缺点，取代了真空管热水器的位置。l 效果美观 平板阳台壁挂

9、式太阳能热水器可与建筑物很好的结合，结构紧凑，整体效果美观，可作为建筑物的装饰品。l 安装简单、应用范围大 平板式太阳能热水器可安装在阳光照射的墙面上，占用面积2平方米，每户都有足够的空间安装。不受楼型限制，无论是塔楼、板楼，单层、多层、小高层、高层都可安装。 分户集热分户用水 分户集热分户用水l 系统设计 系统设计承压能力强，结构紧凑，无易损件，智能化控制，24小时供应热水；集热器和保温水箱分开设计，系统可采用自然循环，也可强制循环，强制循环时保温水箱可安装在任意位置；承压运行，使用的舒适度更高。系统组成：平板集热器，保温水箱，工作站（选配），连接管路。系统工作原理：如上图所示，平板分体式自

10、然循环太阳能热水器由集热器、保温水箱、管路及附件组成。自然循环是保温水箱置于集热器上方（高低差不低于60公分），集热器在吸收太阳辐射后对循环介质进行加热，介质温度上升，从而使集热器和保温水箱里面的换热器之间产生温差，因此引起自热对流循环，从而促使循环介质不断与水箱中的水进行换热，逐渐加热保温水箱中的水。l 用户完全独立 各住户的太阳能热水系统相互独立，互不影响；不受楼层限制，不存在收费管理；l 安装方式多样 屋顶嵌入式，阳台壁挂式，雨棚式，朝南立面式。（二）、集中集热分户供水形式：用真空管、热管、平板式集热器1、集中集热分户供水辅热形式（分户设置换热水箱）系统工作基本原理：(1)太阳能集热系统

11、采用温差循环；系统的供热采用二次交换、定温循环的方式进行。A、集热器温度与储水箱温度差达到设定上限时，太阳能系统水泵启动，提升储水箱温度。B、集热器温度与储水箱温度差低于设定下限时，太阳能系统水泵停止。C、系统供水泵根据平衡水箱的温度进行控制；当平衡水箱温度高于设定值时，系统水泵循环，通过二次换热的方式将热量交换至各户内储水箱进行储存。D、各用户用水时，检查户内储水箱的温度，当温度达到用水要求时，可直接使用；当温度无法达到用水要求时，可关闭阀门，采用电加热进行辅助加热；在用水完毕水箱温度降低后，打开阀门继续利用太阳能加热。优点：（1）集热器统一安装，集热循环管路少，水箱容积小，占用公共空间面积

12、小；（2）热水系统供应为分户式，储水、辅助加热均在户内，减少了辅助系统、供水系统的运行费用及热损失；（3）热水系统分户供应，无热水计费、辅助电费计量收取问题；（4）尽管集热系统管路变长，但由于系统水泵运行时间短，因此，总体运行成本较低；缺点：（1）太阳能系统与用水系统为换热形式，相对降低热效率；（2）为避免辅助热量分配的串热问题，用户手动开关循环管路阀门；（3）各户设置分体承压水箱（不锈钢），占用住宅空间，且相对初资投资较高；系统原理图：2、集中集热、分户储热辅热形式；（楼顶统一设置分户换热水箱）工作原理：采用“集中集热分户贮水分户使用”的太阳能热水系统。即在楼顶倾斜屋面上安装一套太阳能集热器

13、，每户设置安装一个200L贮热水箱，贮热水箱集中放置于建筑楼顶的平屋顶和坡屋面之间的夹层内，贮热水箱具有不锈钢盘管换热器换热功能和辅助加热功能，太阳能集热器与贮热水箱内安装的不锈钢盘管换热器，通过管路连通，形成一个循环回路，通过换热方式，将每户贮热水箱内的水加热；贮热水箱的冷水上水由各户的冷水管补入，贮热水箱内的辅助电加热用电也由各户分别接线，用户直接使用自家的水和电，不需要物业另行收取太阳能水费和电费等。系统优点：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、可以实现太阳能热能资源共享；3、太阳能系统的造价成本低；4、可根据建筑结构灵活布局，可以实现与建筑相协调；5、太阳能只

14、有一个系统，运行可靠；6、楼面太阳能可由物业负责维护管理；系统原理图： （三）、集中集热-集中供热形式：用真空管、热管、平板式集热器 1、集中集热集中储热辅热形式：（每栋楼设置一套系统）系统工作基本原理：(1)、太阳能集热系统采用温差循环、定温产水的工作方式。A、集热器温度与储水箱温度差达到设定上限时，太阳能系统水泵启动，提升储水箱温度。B、集热器温度与储水箱温度差低于设定下限时，太阳能系统水泵停止。C、系统变频机组供水；当水箱温度高于设定值时，辅助能源不进行加热；当水箱温度低于供水设定值时，辅助能源启动加热。D、为保证系统24小的热水供应，系统末端设置电动阀，根据温度启停，保证主干管线的热水

15、温度。系统优缺点：优点：（1）热水资源共享性高，系统整合程度高，太阳能量及设备的有效利用率更高，初期建设规模相对较小；（2）初期投资较低；（3）24小时的热水供应，用户使用相对简单；缺点：（）占用建筑物公共空间，后期需物业部门集中管理，集中维护；适用对象：多层住宅。系统原理图2、集中集热集中储热辅热形式（按每单元设计一套系统） 系统工作基本原理：（1）、太阳能集热系统采用温差循环、定温产水的工作方式；A、集热器温度与储水箱温度差达到设定上限时，太阳能系统水泵启动提升储水箱温度。B、集热器温度与储水箱温度差低于设定下限时，太阳能系统水泵停止。C、系统为常压水箱，利用增压泵供水；D、系统循环泵根据

16、使用情况及温度两种条件控制；在各户用水时，温度低于设定值时，循环泵定时循环；若温度高于设定值，则不循环；（2）、太阳能集热器按楼门集中布置于屋面，水箱首选在屋面，可有效减少集热半径；辅助加热：电加热直接置于水箱中；优点：（1）系统规模小，相对于每栋楼一套系统的规模，供热系统散热损失小，运行费用低；（2）系统供水运行成本低；（3）采用呼叫式，减少了为保证供水温度进行的系统循环造成的大量的热损；缺点：（1）系统分散，每栋楼需占多个设备间；（2）系统需热计量、收费管理；适用对象：高层住宅系统原理图 集中集热、集中储热辅热形式（按每单元设计一套系统）七、实例分析工程概况谋小区共20、21、22、23、

17、24#楼拟安装采用太阳能热水系统，上述楼座均为6层的多层住宅建筑，其中20#楼为两个单元，一个单元两户，共计24户；21-24#楼为三个单元、一个单元两户，共计36户。此方案使用集中式太阳能热水系统方案。辅助能源：采用电作为辅助热源。设计规范l GB/T18713-2002 太阳能热水系统设计、安装及工程验收技术规范l GB/T50364-2005 民用建筑太阳能热水系统应用技术规范l GB / T 17049 全玻璃真空太阳集热管l GB / T 17581 真空管太阳集热器l GB / T 18708 家用太阳热水系统热性能试验方法l GB / T 19141 家用太阳热水系统技术条件l

18、GB 50242 建筑给水排水及采暖工程施工质量验收规范l GB 50268 给水排水管道工程施工及验收规范l GB4272-92 设备及管道保温技术通则l GB50015-2003 建筑给水排水设计规范系统方案设计根据小区定位及建筑类型，同时该小区住宅楼均为坡屋面，屋面和平屋顶之间有夹层。因此根据前述太阳能热水系统住宅建筑中的应用方式，本小区太阳能集中热水系统的方式推荐采用集中集热，集中储热辅热形式和集中集热分户储热辅热形式两种方案。两种方案均采用集中集热的形式因此所需集热面积相同。、热水量计算：根据建筑单元设置、户数及用水定额计算每个单元日用水总量。20#楼24户，21-24#楼36户，按

19、照每户每日用水200升计算，20#楼日热水需求量为4800升，由于是集中供热水考虑日同时使用率，实际日热水需用量为3600升。21-24#楼日热水需求量为7200升，由于是集中供热水考虑日同时使用率，实际日热水用量为5400升。、太阳能集热面积计算：根据国家现行标准太阳热水系统设计、安装及工程验收技术规范GB/T 18713-2002中的计算公式，计算过程如下：集热面积计算公式：系数含义:u ：系统集热器采光面积，m²；u ：日平均用水量，kg；u ：水的定压比热容，kJ /（kg ·）；u ：贮热水箱内水的终止温度，；u ： 水的初始温度，；u ：当地春分或秋分所在月集热

20、器受热面上当月日平均太阳辐照量，kJ/m2；u ：太阳能保证率，无量纲u ：集热器全日集热效率，无量纲；u :管路及贮水箱热损失率，无量纲；系数取值：u ：待计算；u ：根据工程概况；u ：4.18kJ /（kg ·）；u ： 15；（环境温度15以上）u ： 50；u ：按照晴好天气下平均每天17000kJ/m²取值；u ：根据国标，按照80%进行取值。u 与：综合后即为系统效率，正阳太阳能热水系统平均效率在45%以上，在此按照45%计算；初步计算结果：经计算得出，太阳能系统的集热面积为：20#楼： 55.1m²；21-24#楼： 82.6m²；集热面

21、积的确定与集热器摆放情况集热器集热面积为5 m²/块，经计算并取整后20#楼： 配置12块，合计60平方米集热面积；21-24#楼： 配置17块，合计85平方米集热面积；3、系统方案设计：3.1集中集热集中储热辅热方案设计 采用此形式该小区每栋楼设置1套太阳能热水系统，坡屋面安装太阳能集热器，在坡屋面和平屋顶之间的夹层安装1个储热水箱，系统所需的其它设备如水泵、控制柜等均安装在夹层内储热水箱容积的确定与水箱材质选择计算原则：一般来说，对应于每平方米太阳集热器采光面积，需要的贮热水箱容积为40100L。水箱容积：考虑到水箱容积的取整及太阳能利用能力，水箱容积确定如下：20#楼： 5吨2

22、1-24#楼：8吨。水箱材质：水箱内胆不锈钢制成，水箱外壳采用镀铝锌板制成，内胆与外壳之间进行保温，保温材质为聚氨酯发泡，厚度为60mm。辅助加热能量计算与辅助能源形式选择本方案采用电辅助加热，按照节能运行配置电加热功率则总电加热功率分别应为：24KW和36KW；系统所需建筑条件： 系统上水管 DN32提供至水箱附近（即自来水管，快速补水管道）；太阳能设备需要在水箱附近提供不小于40KW的三相电源；在水箱附近预留热水供水管，管径初步定位DN40 。在水箱附近预留热水回水管，管径初步定位DN20。集热器的载荷为70公斤/平米左右，需要保证屋面承载能力； 3.2集中集热分户储热辅热方案设计 采用此

23、形式该小区每栋楼独立安装一套太阳能集热器，在坡屋面安装集热器，坡屋面和平屋顶间的夹层内安装分户储热水箱和系统其它设备。储热水箱容积的确定与水箱材质选择计算原则：按照住宅户数进行分户配置太阳能水箱，每户水箱容积按照200L配置。根据前述条件及本原则热水系统水箱配置如下：20#楼：24个 水箱容积200L。21-24#楼：36个 水箱容积200L。水箱材质：水箱内胆不锈钢制成，水箱外壳采用镀铝锌板制成，内胆与外壳之间进行保温，保温材质为聚氨酯发泡，厚度为45mm。辅助加热能量计算与辅助能源形式选择本方案采用电辅助加热，按照节能运行配置电加热功率设计选型:按照2KW/户，则总电加热功率分别应为：48KW和72KW；系统配置建筑条件：本太阳能热水系统每户需要设置一个蓄热水箱，每户配置的蓄热水箱容积为200L，分户水箱放置在倾斜屋面下的平屋顶上，建筑设计单位应充分考虑顶层平屋顶的承重结构问题，并预留每户贮热水箱的放置基础，贮热水箱的基础尺寸为：500mm*500mm。每栋住宅建筑顶层的太阳能集热器热水循环系