太阳能热水系统建筑一体化设计问题探讨

林晓云 迟增伟

根据济南市2013年11月颁布的《关于高层建筑推广应用太阳能热水系统的实施意见》，决定自2014年起，市域内100米以下新建、改建、扩建的住宅和集中供应热水的公共建筑，一律设计安装使用太阳能热水系统。机关办公、公益性、保障房、单体2万平米以上公建将强制执行绿色建筑评价标准。这些举措都意味着太阳能建筑一体化设计将成为未来设计工作的一个重要组成部分。

理想的太阳能建筑一体化，即太阳能与建筑完全融为一体，如果去掉太阳能装置，建筑也不再完整，但这样的理想状态在现阶段很难实现。现在最常用的是将太阳能热水器的安装与建筑设计相结合，在建筑设计中就将太阳能热水器的安装位置、荷载及管道考虑在其中，使用户使用太阳能热水器就像用空调一样方便。此外，还应做好防雷、抗风等措施，同时处理好建筑的外观立面。

1 太阳能热水系统分类及特点

太阳能热水系统按供热水范围可分为三种：

1.1 分散供热水系统

分散供热水系统是采用分散的太阳能集热器和分散的贮水箱供给各个用户所需热水的小型系统。其中，分散供热水系统按系统运行方式主要包括以下三种：

1.1.1 自然循环直接系统

自然循环直接系统又叫做直插式普通热水器，他是集热器和水箱结合在一起的整体式系统，其工作原理是在太阳能集热器中直接加热水给用户的太阳能热水系统。集热器与水箱不分离，是太阳能热水器早期的一种应用形式，至今仍在多层建筑中广泛应用。

优点：①楼顶集中放置，采光效果好，太阳能利用率高；②产品结构简单，技术成熟，运行稳定；③系统配件普及，便于维护，产品价格低廉；④无需专门计量，可以个性化使用，便于物业管理。

缺点：①冷水头长；②冷热水有压差；③管道多；④屋面占用空间大；⑤独立使用，热量得不到共享。

自然循环直接系统适用于中小城市、乡镇及乡村的单层和多层住宅。

1.1.2 自然循环间接系统

自然循环间接系统一般指分体式自然循环系统，该系统集热器中的传热工质和水箱中的水是相互独立的，通过换热器将水箱中的水加热，其工作原理是利用传热工质内部的温度梯度产生的密度差所形成的自然对流进行反复循环，从而将水箱中的水加热。为了保证必要的热虹吸压头，贮水箱应高于集热器上部。集热器可以安装在墙壁、阳台等位置，能够实现太阳能集热器与建筑的完美结合，它代表了太阳能热水器的发展方向，并且应用也越来越广泛。

优点：壁挂式分体太阳能可用于高层住宅，且分户统一安装，建筑立面整齐划一。这种系统结构简单，不需要附加动力，控制简单，易于安装，维修方便。

缺点：①前楼遮挡；②影响立面；③投资高

自然循环间接系统适用于多层和高层住宅。

1.1.3 强制循环间接系统

强制循环间接系统主要是指分体式强制循环承压系统，该系统水箱与集热器相互独立，利用水箱中的换热器进行热交换，使用循环泵和温差控制进行循环。

优点：强制循环分体式太阳能可全面解决别墅大量使用生活热水的需求；承压运行设计、全自动控制系统、使用方便；采用密闭双循环技术运行，干净无细菌；安全提供热水，配有压力温度双重安全阀。

缺点：由于集热器水箱分离和必须采用承压水箱方式，水箱工艺要求高，成本较高。

強制循环间接系统适用于多层、高层住宅，尤其适合别墅建筑。

1.2 集中-分散供热水系统

集中-分散供热水系统是采用集中的太阳能集热器和分散的贮水箱供给一幢建筑物所需热水的系统。该系统是一种间接式太阳能系统，屋面集中的集热器阵列与所有室内的分户换热水箱循环换热，阴天时可启动水箱内电加热管辅助加热。

优点： ①用水无需单独计量；②热水舒适度高；③故障率低；④运行费用低；⑤不需要蓄热水箱，减轻楼面承重。

缺点：间接换热影响热效率，需要增加集热面积。当分户水箱与集热器管路不能实现同程时，会出现短路循环各水箱冷热不均，楼层越高分户越多越难一致。每个水箱需要独立的断开水路控制功能，防止电加热时将热量传走。必要时需增加智能控制系统实现分户水箱合理的热量分配。

系统综述：系统运行中太阳能是免费的，运行能耗是付费的。每天运行中由于用户随机使用热水，所以很多时间段运行能耗是浪费的，辅助加热是无用的，在全年运行中，冬季辅助加热费用又会剧增，所以24小时供热水系统不是效率最高最节约的系统。

1.3 集中供热水系统

集中供热水系统是采用集中的太阳能集热器和集中的贮水箱供给一幢或几幢建筑物所需热水的系统。该系统是一种直接式太阳能热水系统，也是节能优化型太阳能热水系统。

目前大多数公共建筑，尤其是高层公共建筑都采用此系统，该系统中太阳能集热器采用集中阵列放置于楼顶，集中集热；蓄热水箱依照现场情况可放置于屋顶或者地下室，集中储热。根据用水需要可以选择单水箱、双水箱或者水电隔离模式，采用增压泵将水箱中的热水供到各用水点。

该系统可分为以下几种模式：

（1）单水箱模式：单水箱模式常用于需要定时供热水的学校、宾馆、职工宿舍等场所。

（2）双水箱模式：在需要24小时供热水的医院、高档宾馆、酒店中一般采用双水箱模式。

优点：①热水共享；②技术成熟；③用热水档次高；④系统结构简单、效率高，布置方式灵活，集热器统一安装在楼顶，不受楼间距影响，室内没有任何设备，节省户内空间，与建筑一体化程度高；⑤投资成本适中，效费比高，可以使用廉价热源进行辅助加热，如燃气、集中供暖等。

缺点：①当太阳能设计水量小于每日需求量时，辅助加热成本会剧增，造成热水成本高；

②当太阳能系统管路太长时，管路热损加大了运行费用，造成热水成本高；③在居住建筑中，当承诺24小时供热水，但入住率低时，使用热水率低，收支不平衡造成亏损；④热水需要专门计量、收费，增加物业管理难度。

系统综述：该系统在高级宾馆应用已久，技术成熟，设备定型，在辅助热源的配套下通过智能控制可以实现目标要求。该系统属于高档配套，热水独立收费。

2 建筑设计要求

2.1 规划设计原则

对于应用太阳能建筑一体化的建筑来说，符合生态理念的规划设计，是充分利用太阳能的基础。从建筑基地的选择到建筑群体布局、日照间距、朝向以及地形的利用等方面，都应遵循争取冬季最大日照的原则。

2.2 建筑设计要求

如果把太阳能作为后期添加的设备随意安装，不仅在造型上很难与建筑结合，影响美观，而且容易破坏建筑结构和设备系统。因此，在建筑设计之初就要做好统筹规划，使太阳能成为建筑不可缺少的一部分。

3 应用实例

3.1 悉尼奥运游泳馆

悉尼奥运游泳馆是悉尼奥运会的游泳比赛场地，包括一个露天的50m海水标准泳池和一个室内的25m淡水训练泳池。游泳池的供热系统采用4套系统相配合，太阳能供热系统、水源热泵系统、天然气锅炉和空调系统。其中太阳能热水系统和水源热泵系统的投资为50万澳元，国家补助25万澳元。太阳能热水系统的集热板面积为500㎡，集热板放在室内游泳馆的屋顶，伸出部分用作看台遮阳顶，集热板与屋顶的结合非常实用巧妙。

夏天，仅用太阳能热水系统即可满足游泳池的需要，冬天，太阳能热水系统可提供约30%的热量，太阳能和热泵系统基本可满足泳池的供热需求；天然气锅炉只为特殊天气设计，例如冬天特别寒冷的时候；而第四套供热系统空调系统是为极端天气设计的，是为了保证系统的绝对可靠，启动的机会很少。