住宅太阳能热水系统与辅助加热方式的选择

上海城乡建筑设计院有限公司 上海 201103

0 前言

太阳能作为取之不尽的清洁能源，它的应用是社会发展的必然趋势[1-4]。目前，我国很多省市对于新建、改建建筑都有设置太阳能热水系统的规定，太阳能利用如雨后春笋，方兴未艾。

目前，在市场上用于住宅热供水的太阳能热水装置大约有3 种[5]，其中集中集热、集中贮水、分户计量系统被称为太阳能集中供热水系统；集中集热、分户贮水、分户计量被称为太阳能集中-分散供热水系统；分散集热、分户贮水被称为太阳能分散供热水系统。3 种热水系统各有利弊，各有侧重，如何选择这3 种热水系统，必须因时、因地、因建筑制宜。根据我们在实际工程中的经验，分述如下。

1 高层住宅太阳能热水系统的选择

高层住宅太阳能热水系统对上述3 种形式均可采用。

1.1 高层住宅集中供热水系统、集中-分散供热水系统

对于住宅供热水系统来说，一般每户约需3 m2的太阳能集热板。高层住宅屋面一般都设有电梯机房、楼梯间及必要的通道，若屋面不被其他用途占用，对于大户型（每户建筑面积平均约100 m2），屋面面积约可满足10～12层住户集热器的布置，若为小户型（每户建筑面积平均约80 m2），屋面面积约只能满足7～8层住户集热器的布置。所以，12层以上的高层住宅如果采用集中供热水系统、集中-分散供热水系统，只能满足部分住户的要求。

对于10～12层住宅，目前一般多采用集中-分散供热水系统。即将集热器集中设在屋面，每户分设承压水箱，通过在公共管井设热媒循环管，使太阳能的热量传递到每户。这样集热器等将作为公共财产，其管理、维修由物业公司承担，而每户使用的热水取自户内的冷水管，水费独立计量。此系统解决了高层住宅分区供水的问题，是高层住宅比较理想的太阳能热水系统，但是这将增加后期物业管理的工作及费用，所以开发商对这一系统还有所顾虑。

相对而言，集中供热水系统对于高层住宅来说，由于存在屋面面积不够、高层住宅分区供水及今后维修等问题，一般不常采用。

因此，集中-分散供热水系统无论是对于高层住宅还是低层住宅都是一个值得推荐的指数较高的太阳能热水系统。

1.2 高层住宅分散供热水系统

由于高层住宅屋面面积的有限性，分散供热水系统补充其不足，解决了屋面集热面积不够的问题，实现了每家每户都能利用太阳能。如我们在上海三湘四季花城紫薇苑、玉兰苑的设计中，即采用了太阳能热水器与建筑一体化机组，该项目在建筑规划、建筑朝向、建筑间距、建筑单体的设计中，就充分考虑到每户的日照、太阳能集热板的需求面积、设置要求及贮热水箱的放置位置。在具体安装中，我们将集热器放在南侧阳台栏板外侧，并与阳台板充分结合，将水箱、智能泵站、膨胀罐与空调外机结合，置于空调机位空余位置。该系统每户独立，产权清晰，分户计量，便于物业管理，无计费纠纷。从建成效果看，不仅使家家户户使用了太阳能，达到了节能的效果，而且在建筑立面设计时即考虑了集热板的设置，集热板并没有影响建筑立面。集热板设置如图1。

图1 分散供热水系统的集热板设置

2 多层住宅太阳能热水系统的选择

4～6 层多层住宅太阳能热水系统同样可采用集中供热水系统、集中-分散供热水系统、分散供热水系统[6]。别墅的太阳能热水系统一般采用分散供热水系统。

2.1 多层住宅集中供热水系统、集中-分散供热水系统

多层住宅由于屋面面积基本能满足全部住户集热器的设置，所以集中供热水系统是4～6 层住宅太阳能热水系统的主要模式，但由于今后的维修、计费等问题，一般又不常采用。此系统多用于公共建筑。

多层住宅集中-分散供热水系统，类同前述10～12 层高层住宅的模式。我们在南通中港城4～6 层住宅的设计中，即采用了该系统，集热器集中设在屋顶，热水箱设在每户户内，在公共管井内设有热媒供水管及热媒回水管，供回水管采用同程布置。如图2所示。

图2 多层住宅的集中-分散供热水系统

2.2 多层住宅的分散供热水系统

多层住宅的分散供热水系统分为2 种形式，第一种为每户1 个设在屋顶的集热器与热水箱一体机，但每户有2 根进出水管需设在公共部位，加之集热器及水箱的粗糙外形，对建筑立面有一定的影响，开发商与住户均难以接受；第二种是集热器与热水箱分离，将每户的集热器都设在屋顶，水箱则设在每户户内（卧式或立式），由2 根热媒管连接每户的屋顶集热器与户内水箱，该系统无计量矛盾。这一系统既满足了集热器的设置要求，又不影响建筑立面，但由于热媒管为铜管，造价相对较高。

别墅太阳能热水系统一般都采用每户独立的分散供热水系统。由于别墅每户有足够的屋面，所以集热器的放置将不成为一个问题，同时还可适当增加集热器面积，使集热效果更加好。如东方帕堤欧项目的别墅住宅，其屋顶为坡顶，在施工图设计时即考虑将集热器结合坡顶设置，并且安装预留配件，所以集热器与屋顶巧妙地融为一体，立面效果良好。该项目顶层还留有设备平台，水箱即设于该平台。

3 辅助热源及室内热水系统的选择

太阳能这种绿色能源正在被人类社会越来越多的应用，但它的不足是“靠天吃饭”，倘日照不足，将严重制约太阳能热水系统的效果。为此，作为“备份”，辅助热源也就成为太阳能热水系统补充的不二选择。

3.1 空气源热泵

空气源热泵作为辅助热源均可适用于上述3 种太阳能供热水系统的补充。在太阳能辅助热源中，理论上来说应首推空气源热泵[7]。因为空气源热泵全天候制热水，弥补了太阳能热水系统在阴雨、黄梅或其他缺乏日照时的缺陷，此外，空气源热泵本身亦属于节能产品。

但就天阳能分散供热水系统而言，一则需要另外设置一个空气源热泵机组（类似空调室外机）须有机位的要求，二来空气源热泵将冷水制成热水是需要一定的时间，使用的舒适性会降低。故在住宅设计中，一般不常采用，多用于公共建筑。

3.2 电加热

电加热常用于太阳能集中-分散供热水系统、分散供热水系统的辅助方法。由于电加热比较方便，故电加热常被选用作为一种辅助加热方法。但是电加热的能耗比低，且作为二次能源，不节能。特别是在在有电费分时计费的城市，很难享受到分时计费的好处。当太阳能被确认某天不能满足使用要求时，为满足当天的使用要求，则必须在白天计费时段完成电加热，同时为使第二天能充分利用太阳能加热，在晚间计费时段不用将水箱中的水完成加热（早晨有热水大用量的除外）。所以我们不推荐电加热作为太阳能辅助热源的加热方式。

电加热作为辅助热源，一般多用于集热器与热水箱为一体的太阳能热水器。

3.3 燃气热水器辅助热源

同样，燃气热水器亦均适用于太阳能集中供热水系统、集中-分散供热水系统、分散供热水系统的辅助热源。

太阳能与燃气热水器的有机结合，可在满足用水舒适度的前提下，最大限度地利用太阳能[8]。用户使用多少热水，就加热多少，毋需将整箱水加热。

3.3.1 普通家用燃气热水器

普通家用燃气热水器使用时，水从水箱进入燃气热水器加热，出水达设定温度，供用水点使用。但普通家用燃气热水器对进水温度的判断有限，当夏天光照强烈时，如太阳能热水箱水温已达70 °C，水箱出水经过燃气热水器时，虽然燃气热水器不工作，但过热的进水，会影响燃气热水器的使用寿命。所以普通家用燃气热水器作为辅助热源，有其局限性。

3.3.2 燃气壁挂炉

我们在上海三湘海尚项目设计中采用了该形式。由于该楼盘为高档精装修房，每户均设置有空调地暖，所以太阳能辅助热源采用了燃气壁挂炉。燃气壁挂炉是一种较大型的燃气热水器，既有提供地暖热水的功能，又能满足卫生热水的要求。该热水器内置换热板，在换热板前设有温感器，可以对进水水温进行感温，当进水温度小于设定使用温度时，热水炉启动加热，当进水温度满足使用温度时，热水炉不启动，而直接使用由太阳能加热的热水。由于该热水器设置换热板，故进出水升温可有效控制，几乎为无级调温。

由于燃气壁挂炉可满足开发商对空调地暖的要求，卫生热水系统可采用室内热水循环系统，所以燃气壁挂炉是一个高品质的辅助热源。它既充分利用了太阳能，使用时又安全、舒适，还能适用于空调地暖，所以目前在中高端的楼盘，尤其是精装修房，设计多推荐此方案。但该热水器价格较高，如用户无需地暖，则不适合选用此方案。

3.3.3 混合阀

以上2 种燃气热水器各有特点，也均有局限性，如何在不采用地暖的情况下，使普通家用燃气热水器作为辅助热源，安全地达到使用要求，有的项目就在燃气热水器进水前，设一混合阀，通过该阀判断进水水温，当进水温度小于设定温度时，水流进入燃气热水器，当进水温度高于设定温度时，水流通过旁通管直接进入热水管网，使用下来效果不错。

3.3.4 室内热水系统

太阳能热水系统必须设有水箱，特别是集中-分散供热水系统、分散供热水系统，水箱设于每户户内，一般均为闭式承压水箱[9]。所以对于这2 种系统的室内热水系统来说，既可采用热水直供系统，也可采用机械循环系统。

热水直供系统在使用中会损失管中部分冷水，不利于节水，同时舒适性较差。

建议热水系统采用机械循环方式，热水循环泵的启闭采用温感控制，使用舒适性好。

对于辅助热源为燃气热水器的室内热水系统，则必须设有热水箱温度控制系统，以使太阳能加热未达设定温度时，室内热水循环泵不启动，同时再增设手动系统，控制系统繁琐。所以我们在设计中，对于循环泵的启闭通常采用了延时开关，可在室内设1 个或若干个延时开关，设定30～60 s自行关闭。使用时只需触摸开关，即启动了循环泵，打开水嘴便可使用热水，真正达到节能、节水的效果。

4 结语

根据社会需求，我们在住宅设计之初即介入太阳能热水系统的设计，并根据不同的建筑层数、开发商不同的要求及投资需求，量身定制太阳能热水系统。从已竣工的大量项目中，取得非常好的实效，得到了社会认可。

如在上海三湘四季花城紫薇苑、玉兰苑高层住宅的设计中，我们采用太阳能热水器与建筑一体化机组，将集热器设置在每户南侧的阳台板上，该建筑现已竣工，使用情况良好。无论立面造型，还是社会效益，都收到满意的效果。该工程实例被写入《上海市太阳能图集》，在上海是一个成功的范例。

根据以往经验，我们认为：

（a）在设计之初，即要确定太阳能设计体系及各装置的设置部位及其技术要求，应结合建筑立面、屋顶造型，使太阳能系统融入建筑，成为建筑的一部分。

（b）辅助热源、室内热水系统不是千篇一律的，各有利弊，可以灵活组合，以满足住户及开发商的不同需求。