高层住宅应用太阳能光热系统技术解析与实施方案研究

邓 飞，曹芳魁，任 军，李红彦，吴 敌，李 欢

（1.河北科技大学机械工程学院，河北石家庄 050018；2.河北科技大学信息科学与工程学院，河北石家庄 050018；3.河北省教育考试院，河北石家庄 050091）

太阳能作为可再生清洁能源，在中国被逐渐推广使用，尤其是太阳能光热转换系统，其具有安装工艺简单，技术成熟性高，使用成本低廉等特点，被广泛用于家庭热水供应中。为了鼓励使用太阳能光热系统，执行国家节能减排政策，截止2013年底，中国已经有多个省、市、自治区出台了《强制性太阳能光热系统安装应用规定》等规范性政策文件，主要内容是：12层以下的中低层居住型建筑强制安装应用太阳能光热系统，并与建筑进行一体化设计与施工、同步验收、同步交付使用；对于12层以上的高层建筑，逐步试点和推广应用太阳能光热系统。因此，太阳能光热系统具有非常广泛的推广应用空间。

尽管太阳能光热系统无论从国家政策层面上，还是从用户的使用认知度上都得到支持和肯定，但是，近几年的相关统计数据却表明，在大中城市中，太阳能热水转换系统的使用率呈下降趋势，主要原因如下。

1）受土地出让成本和建筑成本高涨的限制，大中城市中的居住型建筑越盖越高，目前以18—34层高层建筑为主，12 层以下的低层建筑已经很少见到，而12层以上的建筑，太阳能光热系统只是鼓励安装，而不是强制性安装。

2）目前市场上尚没有完善而成熟的高层建筑太阳能光热系统应用方案。在一些高层住宅的试点安装过程中，由于没有规范的技术标准和实施工艺，造成系统使用效果欠佳；或者由于个别业主对系统的不理解、不接受，使系统的安装进度受挫，有时甚至影响了建筑的施工周期，造成开发商对于安装应用太阳能光热系统不太热心。因此，如果要在高层建筑中大规模推广使用太阳能光热系统，必须开发设计一种实施工艺合理、安装和使用成本低廉、操作简单易用、便于用户接受的科学规范型系统［1－2］。

1 目前高层住宅应用太阳能光热系统特点分析

通过对太阳能生产厂家的技术生产调研和市场应用调研可知，目前中国的各类住宅建筑应用太阳能光热系统具有如下特点。

1）目前太阳能光热系统广泛应用于12层以下的建筑中，主要采用的是分户式太阳能热水交换系统：每户业主将系统主水箱安装在楼顶上，各户系统之间单独控制，互不相连［3］。而每栋高层建筑内业主数量是中低层建筑内业主的几倍，高层建筑的楼顶面积无法为每户业主提供足够的分户式太阳能热水系统安装空间；目前有一种阳台外墙壁挂式太阳能热水系统被部分高层建筑使用，但是这种系统安装难度较高、影响楼体外观、外挂设备在恶劣天气情况下容易发生掉落事故、明装管道影响室内装饰效果，并且换热效果受高层建筑楼间距的影响很大，因此此种系统没有广泛推广，甚至在很多地方被禁止安装［4］。

2）分户式太阳能光热系统的安装方式比较适合中低层建筑安装，而对于高层建筑，即使楼顶面积够用，如果采用分户式安装方式，上、下水管道安装数量太多，配置与维护非常复杂繁琐，造成系统不稳定，故障率偏高，用户使用不方便［5］。

目前，有一种利用太阳能光热系统集中供热水设计方案，主要实施方案是：在楼顶安装一个大型储水箱，集中供水，统一换热，分户供水。这种系统从原理上非常适合高层建筑应用，但是在实施过程中，出现了一些问题影响了系统的广泛推广。

1）受储水箱的加工尺寸、运输条件以及安装环境限制，储水箱的容积相对整栋高层业主数量而言蓄水量偏小，换热效率和蓄水量难以达到日常所需。

2）缺乏简捷实用的二次辅热装置和合理的分户使用及计费方案，在使用过程中经常会因为个别业主的不配合而造成系统的瘫痪停用。

3）单储水箱供水结构的工作状态较脆弱，一旦出现故障，需要整个供水系统全部停用后方能维修，因此系统的稳定性较差［6－7］。

2 高层住宅太阳能光热系统应用的创新开发

通过以上分析可知，如果在高层住宅建筑上应用推广太阳能光热系统，必须满足以下条件：系统自动控制运行；高效的光热交换系统结构以及充足的热水供应量；合理的分户使用和计费方案；具有二次辅热功能并且辅热成本合理；热交换系统工作稳定且易于维护维修等。基于以上目的，设计了一种高效、简捷、实用的高层住宅太阳能集中供热水式光热交换系统。

2.1 系统结构设计与工作原理

高层住宅太阳能光热交换系统结构如图1所示，具体实施方式为根据高层建筑的楼顶实际结构特点，在楼顶平面上布置摆放多个支架，在每个支架上安装一个分水箱，分水箱之间靠连接管串联连通，形成串联水箱组；太阳能集热板固定在每个分水箱下侧的支架上，换热端伸入分水箱内，与分水箱内的水形成热交换；串联水箱组的第1个分水箱通过进水管和自来水管网连接，最后一个分水箱连接出水管，出水管主管道沿高层建筑楼体垂直延伸到最低一层；在高层建筑每层位置，从出水管主管道上均引出入户水管，每根入户水管上安装水表，入户水管的另一端连接每户家用热水器的进入口；出水管主管道的最下端连接循环水泵的进水管，与循环水泵出水管连接的排水管和自来水管网连接；在串联水箱组的最后一个水箱内，安装一个水箱温度传感器，在出水管的最下端管内，安装一个热水管温度传感器。

主要工作原理是：自来水通过进水管和连接管依次流入各个分水箱，在太阳光照射下，太阳能集热板和分水箱内的水进行热交换，将水加热，热水通过出水管和入户水管流入各层用户家中的家用热水器中供用户使用。

图1 高层建筑太阳能光热系统原理图Fig.1 Schematic diagram of the solar－thermal systems on high－rise residence

2.2 关键技术创新与解析

2.2.1 传统水箱与串联式水箱对比

设计应用串联式水箱组不但实现了热水储量的充裕，而且保证了热水的高效利用和系统运行的稳定性。高层住宅应用太阳能光热系统，热水供应量充裕是系统应用的前提。传统应用中，是在高层建筑的楼顶安装一个大水箱进行储水，这种结构尽管简单，但是在实际应用中发现具有以下弊端：首先，因为高层建筑结构特点和运输方式的原因，很难将超大水箱运输到楼顶，如果在楼顶现场加工组装超大水箱，水箱的加工质量很难保证，并且单独水箱的储水量也难以保证日常供应量。其次，单独水箱在供水过程中，是依靠进水管的水压将水箱内的热水从出水管中排出，在这个过程中，进水管内的冷水流入水箱后迅速和水箱内热水形成对流传热，使水箱内的水温下降较快，出水管流出的热水温度也会下降较快，造成热水利用率较低。再次，如果对水箱进行维护或维修，必须断开全套系统才能操作，造成系统运行稳定性较差。而应用图1所示的串联式水箱组，具有如下优点：首先，分水箱的摆放位置和数量，可以根据楼顶结构特点以及全楼业主用水量来确定，多个分水箱的设计能够保证充足的供水量，并且每个分水箱的容积不必加工的太大，完全可以在专业工厂一体成型制造完成后，运输到楼顶安装，质量稳定性好。串联水箱组在楼顶的摆放方案如图2所示，串联水箱组的各个分水箱根据楼顶的实际结构特点进行按需摆放，充分保证储水量。其次，在用水循环过程中，自来水通过进水管注入串联水箱组的第1个分水箱，注入的冷水仅在第1个分水箱内与热水形成对流传热，其他分水箱内的热水在依分水箱次序流动过程中，水温差距不大，不存在快速对流降温的问题，只有当第1 个分水箱被冷水注满，才会在第2 个分水箱产生快速对流降温，冷水依次序流过，可以保证各个分水箱内热水的利用率很高［8］。再次，应用串联式水箱结构，当某个分水箱或某段管路出现故障时，可以用一根备用连接管将发生故障的部件绕开，单独维修出现故障的部件而不会影响系统的正常运行，从而保证系统运行稳定可靠［9］。

图2 串联水箱组楼顶摆放示意图Fig.2 Schematic of cascade tank group on the roof

2.2.2 渐高式支架排列组合保证光热转换效果

对于太阳光光热转换系统，太阳能集热板2受阳光照射时间越长，光热转化率越高。对于多行排列的串联水箱组，在夏天，太阳光直射太阳能集热板，各排各列集热板和分水箱之间均能达到较理想的光热转化率，但是在春、秋、冬3 个季节，随着太阳斜射角度加大，如果各排分水箱等高摆放，处于后排的太阳能集热板经常被前排的水箱遮挡，光热转换率会不太理想，因此，如图3所示，设计了一种渐高式多排支架，依南北方向将分水箱和太阳能集热板逐排抬高，使太阳光一年四季均能充分照射到太阳能集热板，以获得理想的光热转化率。

图3 渐高式支架结构示意图Fig.3 Schematic diagram of getting high－style bracket

2.2.3 分户式二次辅热与计量结构保证系统全天候的使用效果

高层住宅应用太阳能光热转换系统还有2个问题需要解决：首先，在连续阴雨雪天气，水箱内的水温无法达到使用条件时，如何进行二次辅热。其次，本系统在使用过程中，产生的运行成本如何进行分户计量。对于第1个问题，解决方案有集中式二次辅热和分户式二次辅热2种方式待选，集中式二次辅热需要建立单独的辅热室，并且辅热费用均摊给各户业主，因此这种方式经常会因为费用承担问题引发一些业主的抵触，造成系统因欠费而无法运行。基于此，设计了一种独特的分户式二次辅热方案，通过入户水管9和出水管7将分水箱4中的热水直接引入家用热水器8中，并且在每根入户水管上安装水表，这样，当分水箱内水温在可用范围内时，家用热水器仅仅起到水流通道作用；当分水箱水温低于可用温度时，依靠家用热水器自身的加热功能对入户温水进行辅热，此时入户水管中的水温尽管没有达到额定温度，但是这个水温一般也高于自来水管内水温，因此这个辅热过程相对于直接用热水器加热自来水也减少了能源消耗，这个辅热过程消耗的是业主自家的能源，因此二次辅热的能耗直接进行了分户计量。而每根入户水管上安装的水表也实现了对用水量的分户计量。对于所有用户来说，实现了“多用多支出，少用少支出，不用没支出”，因此使用成本的分户计量问题也得到了解决，这种分户计量方案公平公正，业主之间不会产生纠纷，保证了系统应用的可操作性。

2.2.4 出水管热水自动循环控制装置实现热水即用即得

在热水供应过程中，出水管7是热水输送部件，对于高层建筑而言，热水的输送距离很长，需要从楼顶输送到最低层，尽管出水管采用了保温措施，但是对于水暖管道而言，保温效果要逊于水箱保温，因此，出水管中的热水如果较长时间不流动，管中的热水温度会逐渐降低，如果业主使用热水，尤其是中低层业主，在打开水阀门后获得水箱内的热水之前，需要花费较长时间排出出水管内温度较低的冷水，这个过程既浪费水，又给用户造成了不便。因此，设计了一套出水管热水自动循环装置，让出水管内的水缓慢循环流动，从而使出水管内的水温保持在额定温度范围内，实现各层用户打开水阀门，即刻流出热水。其工作原理为出水管11的最下端连接循环水泵12的进水口，循环水泵的出水管连接排水管13，排水管的另一端连接自来水供水管，在出水管的下端管内，安装一个热水管温度传感器11，可以随时感应出水管下端内部水温，循环水泵的启、停依靠热水管温度传感器的信号控制，当热水管温度传感器感应到出水管下端水温低于额度值时，启动水泵工作，吸出出水管内的水，通过排水管将水回流到自来水供水管中；当热水管温度传感器感应到的水温达到额定值时，水泵停止工作，此时出水管内的水温都在额度值以上。为了防止在连续恶劣天气状态下，各分水箱内的水温均在额定值以下时可能会出现水无限循环的现象发生，在串联水箱组的最后一个分水箱内，安装一个水箱温度传感器6，设定当这个分水箱内的水温低于额定值时，即使出水管内水温低于额定值，也不启动水泵工作。因为在串联水箱组的各个分水箱内，最后一个分水箱内的水温应该是最高的，如果最后一个分水箱内的水温低于额定值，其他水箱内的水温也肯定低于额定值［10］。以上装置使出水管内的水温能够保持在额定值内，从而实现各层用户热水即用即得。由于出水管具有保温处理，因此其内部水循环是很缓慢的；出水管内的存水量相对于串联水箱组的储水量是非常少的，因此不会造成大量热水的流失；以上自动循环过程是间歇性的，工作频率很低，因此电力消耗也很低；而通过循环水泵排出的低温水又回流到自来水供水管中，不会造成水资源浪费［11］。

3 系统应用可行性分析

3.1 技术应用可行性

开发应用本系统主要是进行了供水系统结构创新和分户计量思路创新，涉及的主要技术内容包括保温、光热交换和自动控制等均是稳定的成熟技术，完全可以实现标准化和模块化生产，大规模的工业化生产能够保证系统在应用过程中的稳定性、可靠性和通用性，这是系统大规模推广的基础。

3.2 新建高层建筑初始安装可行性

新建高层建筑安装本系统，仅涉及高层建筑的楼顶建筑结构是否适宜支架及分水箱的摆放安装、进水管的如何连通和出水管如何入户等。通过调研高层建筑的楼顶发现，尽管楼顶有电梯间、通风道和烟道等设施存在，但是楼顶可放置支架的空置面积占楼顶总面积的80%左右，楼顶摆放足够数量的水箱完全没有问题；支架结构安装设置在承重框架梁上，不会对楼体造成太大的压力负担，并且通过优化支架结构和摆放位置，不会影响人员在楼顶的通行；各种建筑的进水管通常布置到了最顶一层，因此，连接本系统的进水管只需要从高层建筑的顶层连接即可；对于住宅用户，往往使用热水的地点在卫生间内，而在高层建筑的同一单元，垂直方向上同一户型的卫生间位置是一致的［8－9］，只需贯穿一根顶楼到底楼卫生间的通管即可实现出水管的分户供水功能，在各户卫生间内的出水管上引出装有水表的入户水管，家用热水器由业主自主安装。因此，对于新建高层建筑非常适合与建筑构造一起同步安装［12］。

3.3 已住高层建筑改造安装可行性

对于已投入使用的高层建筑，在安装出水管时，有的业主不希望在已装修好的卫生间顶部打孔，因此个别业主的不配合往往会阻碍整套系统的顺利实施。通过调研高层建筑的建筑构造特点可知，对于居住型高层建筑，各户型的卫生间在设计时均是明窗设计，因此，在卫生间的窗外，均有一个自楼顶到楼底的凹槽构造，凹槽大体位置如图2所示，由此，可以将出水管安装在卫生间窗外的凹槽内，入户支管从卫生间侧墙打孔穿入，其他安装内容同新建高层建筑相同。这样，即使有不愿安装的业主也不会对整套系统的安装造成阻碍［13］。因此，本系统也适合对已投入使用的高层建筑进行改造性安装。

3.4 经济可行性分析

高层建筑安装太阳能光热系统，主要涉及的经济成本包括：系统初始安装成本和运行成本，就本系统涉及的各部件而言，主要安装成本集中在支架、分水箱和太阳能集热板的投资，而家用热水器属于各户自备设备，不计入成本，因此，在蓄水量一定的情况下，高层建筑楼层越多，各用户平均分摊成本越低。以一栋30 层建筑为基准统计对象（1个单元，每层3户，共90户业主单位，平均每户日热水用量120L），计算表明，如果单纯使用电热水器，每户每天的烧水电费支出在2.5元左右，每年的烧水电费总支出是900元左右。而应用本系统，安装建造总成本9万元左右，每户平均成本1 000元左右，每户业主应用本系统1年左右，节省的电费即可收回投资，并且是一次投资，长期使用。而对于系统运行成本，采用成熟工业技术可以保证系统工作过程全自动、运行稳定性高、基本不需要人工干预，并且公平公正的分户计量结构使每个用户都能自觉合理地使用和爱护本系统，因此维护和管理成本也极低；本系统在正常使用过程中，唯一的公共运行费用是循环水泵间歇式运行所消耗的电力支出，初步计算表明，循环水泵每天电力消耗量不超过1kW·h，公共电费负担非常低。由此，本系统的经济性良好［14－15］。

4 结 语

本系统通过结构优化创新以及设计合理的分户应用方案，能够有效解决高层住宅应用太阳能光热系统的瓶颈问题，整套系统结构简单、实施成本低廉、操作简便，节能效果显著，具有非常好的市场推广前景。

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