1.太阳能热水系统概述

1.1 太阳能热水系统的组成及其工作原理

　　社会经济的进步与人民生活水平的提高使我国能源需求量逐年增加，全国很多地区都面临着资源匮乏和环境污染造成的严重问题，在这一背景下，对可再生能源的开发利用，就成为了社会各界普遍关注的焦点。太阳能作为一种优质、清洁的可再生能源一直受到各方面的重视，太阳能热水系统也因其高效、节能、环境友好等优点逐渐在建筑设计中推广和普及，并取得了良好的经济效益和社会效益。

　　太阳能热水系统通常由集热器、储水箱、循环泵、控制中心及相关管路组成，按其运行方式可分为自然循环式、强制循环式、直流式以及自然循环定温放水式等几种类型。目前我国的大中型太阳能热水系统多采用强制循环或定温放水式，而小型热水系统与太阳能热水器则一般采取自然循环式设备。热水系统的工作原理是由集热器收集太阳辐射，再将被其加热过的高温水贮存在储水箱中供人使用。具体的工作流程见下图1。

图1 分体太阳能热水系统原理图

1.2 太阳能热水系统与住宅建筑的一体化

太阳能热水系统与住宅建筑的一体化是指在建筑设计中将太阳能热水系统作为建筑的一部分而不是孤立部件来加以考虑。这一设计模式具有充分利用建筑空间、同步设计施工、减轻建筑负荷、提高设备利用效率等优点，随着工程技术与设计艺术的不断进步和完善，热水系统与住宅建筑的一体化在降低建设成本的基础上，极大地提高了热水系统的工作效率。然而，调查显示，目前我国太阳能热水系统与住宅建筑的一体化也仍然存在着热水器应用无序、缺乏管理，系统布局不合理，给排水与建筑设计及建筑环境不相协调等问题。因此设计师在规划过程中应结合住宅所在地区的气候特征、建筑类型以及安全条件等，合理确定热水系统的类型、运行方式以及其他各项性能参数，在满足建筑内部功能与外部造型要求的同时，创设高效、低耗、舒适、健康的宜居环境。

2.性能参数的合理确定以及设备类型的选择

　　太阳能热水系统性能参数的选取首先应对包括对日均热水用量、冷热水温度、居民用水人数、太阳能保证率等进行计算，确定贮水箱的有效容积和集热器面积，并依据本地区气候条件及建筑实际情况优选系统的类型和运行方式。

　　由于住宅最高日用水量在一年内出现的次数并不多，若根据最高需水量来提供全年内每一天的生活热水用量，并以此确定系统的集热面积，势必会使相应增加的集热面积所产生的热量，造成浪费。因此应计算住宅日均热水用量定额，特殊条件下可用辅助热源提供部分热水以满足居民需要。通常有自备热水供应和沐浴设备的住宅，可按20～40L/(人·d)计算，而集中供应热水和沐浴设备的住宅，可以30～50L/(人·d)为标准。

　　热水、冷水温度的取值也对太阳能热水工程集热器总面积的计算结果具有较大影响，规范通常规定将热水供水温度控制在55℃～60℃之间，既避免了热水温度＞60℃时，设备与管道的结垢和腐蚀以及系统热损失耗能的增大，又可以防止温度＜55℃时致病菌的滋生。实际工程中，考虑到贮热水箱在多日太阳加热下具有良好的杀菌作用，且较大的用水量提高了水的置换率，避免了病菌在系统内的停留，因此可考虑选择将热水供应温度设置在45℃~50℃之间，以提高其集热效率。此外，冷水温度的取值应根据不同地区年均水温确定。

　　热水使用人数的确定应根据建筑类型、面积、户型等分析计算，并考虑实际入住率以合理确定。太阳能保证率则是指系统中由太阳能部分提供的能量占系统总负荷的百分率，与系统使用期内当地的太阳辐照、气候条件、系统热性能、系统成本和预期投资规模、用户使用要求等因素有关，取值时应对辐照量、辐射形式、稳定度等做到全面把握。

　　上述参数确定后，对集热器的选择还须考虑建筑护围结构、外观造型、以及绿色生态等方面的综合规划，不同建筑集热器的选择方法见下表1。

　　

表1 集热器类型的选择

　　设计中还应合理确定贮热水箱的有效容积，由于热水使用高峰主要集中在晚饭后至睡觉前，太阳能白天的集热量需要储存起来以备晚上使用。因此，集热系统贮热水箱的有效容积，应按住户所需太阳能集热器采光面积一天的热水产量计算为宜。

　　此外，还必须根据建筑特点与实际使用情况优选系统运行方式，具体选择方法见下表2。

　　

表2 系统运行方式的选择

注：上述运行方式在使用期内环境温度＜0℃时，均须采用防冻措施，以保证系统运行功能。

3.太阳能热水系统与建筑的有机结合

太阳能热水系统与建筑的有机结合主要通过其与屋面、墙面、阳台、装饰部件等的一体化设计体现出来。以屋面与太阳能热水系统的一体化设计为例，该设计方法在住宅平屋面上设置集热器，根据集热器接收阳光的最佳倾角来确定坡屋面的坡度，较好地体现集热器与建筑结合的效果。集热器支架与屋面的链接构造简单，系统管线易隐蔽，对建筑立面无影响。安装时应在做好防水处理的屋面上，铺设屋面与集热器公用的防渗漏的隔热保温层，在隔热保温层上放置太阳能集热器部件，从而有效地利用了屋面的复合功能。根据平屋顶形式多样化的特点，集热器可与女儿墙、楼梯间、构架等元素组合，创造出多样的造型。集热器在平屋面上设置需注意，集热器在平屋面应整齐有序排列，两排之间应留有足够的间距，以满足当地4h的日照条件。

设计中应注意的问题还包括：应在外观结构上实现太阳能热水系统与建筑有机结合，将太阳能热水系统作为建筑的一部分，与建筑物共同抵御强风、暴雨、冰雹、雷电、地震等自然灾害的能力。在管线布置和运行上，应合理布置太阳能循环管路以及冷、热水供应管路，建筑设计时应预留所有管线的接口、通道或竖井，严防渗漏，尽可能减少热水管路的长度，减少热能耗。在系统运行上，应确保系统稳定、可靠，使太阳能与辅助能源加热设备的匹配合理，并逐步实现系统的智能化和自动控制。