住宅建筑太阳能热水系统设计参数取值

通过对住宅建筑太阳能热水系统工程设计中有关设计参数取值的分析，提出其取值建议。
论文关键词：平均日热水用水量热水，冷水温度使用人数太阳能保证率贮热水箱有效容积

　　以往在太阳能热水系统工程设计时，一方面，由于缺乏建筑设计单位的介入，结果造成太阳能与建筑一体化应用上存在着许多问题，严重影响了太阳能热利用的推广和应用；另一方面，由于建筑给排水专业设计人员对太阳能集热系统和涉及到的有关设计参数缺乏了解，结果造成选取的设计参数不准确，从而导致计算出的集热器面积和贮热水箱有效容积不合理。本文试就太阳能热水系统工程设计时，建筑给排水专业设计人员需要了解和掌握的有关设计参数进行分析探讨，以便在设计时能够准确的选取。

　　1 平均日热水用水量的取值

　　太阳能是一种间断性的热源，太阳能热水系统提供的热量是全天集热量的累积，所以不能以瞬时值来计量。如果单纯依靠太阳能来提供全年内每一天的生活热水用量，显然是不可能的；而且，最高日用水量在一年内出现的次数并不多，属于极端的情况，假如按照这种情况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，在大部分的时间内被浪费，并浪费了投资。所以发表论文，应按照平均日热水用水量来计算太阳能热水系统所能提供的热量，而最不利的情况则可以由辅助热源来提供。因此，在进行太阳能热水系统设计时，应按照平均日热水用水量计算集热系统的热水负荷，并折算出集热器面积。

　　平均日热水用水量通常与居民生活习惯、生活水平和当地气候条件等因素有关，目前，在我国建筑给排水设计规范及有关国家标准中，均未涉及到平均日热水用水定额。但据文献[1]的调查资料介绍：当采用局部热水供应系统时，居民的平均日热水用水量为33L/人.d；当采用集中热水供应系统时，大部分住宅小区的平均日热水用水量在40～50L/人.d之间。

　　上海市属于夏热冬冷地区，居民生活水平较高，使用生活热水很普遍且使用率高，目前的洗浴方式仍然以淋浴为主。在满足基本使用要求的前提下，必须体现“节水”的原则，同时也要考虑到太阳能热水系统有别于常规生活热水系统的特点，因此，住宅建筑平均日热水用水定额的取值，在缺少实测资料的现状下，建议按不超过《建筑给水排水设计规范》（2009年版）中最高日热水用水定额的50％选取。例如，有自备热水供应和沐浴设备的住宅，可按20～40L/人.d；有集中热水供应和沐浴设备的住宅，可按30～50L/人.d。

　　2热水、冷水温度的取值

　　热水、冷水温度的取值对太阳能热水工程集热器总面积的计算结果影响较大，尤其是大型太阳能热水工程，因此，应认真对待，并选取合理的温度值。

　　2.1 热水温度的取值

　　文献[2]在直接加热供水系统的集热器总面积计算公式（5.4.2A-1）中规定，···式中：热水温度tr=60℃，此规定值得商榷。同时，文献[2]在第5.1.5条的条文说明中解释：热水供水温度以控制在55～60℃之间为好，因温度大于60℃时，一是将加速设备与管道的结垢和腐蚀，二是系统热损失增大耗能，三是供水的安全性降低。而温度小于55℃时，则不易杀死滋生在温水中的各种细菌，尤其是军团菌之类致病菌。但据文献[1]的调查资料分析，住宅太阳能热水系统的实际供水温度大多低于文献[2]要求的55℃～60℃，且太阳能厂家推荐的供水温度也大多设定在45～55℃之间。

另据赴德国调研了解的情况是，其普通住宅的热水供应温度为50℃。目前发表论文，国内使用的太阳能集热器产品大多是太阳能低、中温热利用产品，其产出45℃左右的热水时集热效率最高。如果出水温度设置过高，则要求太阳能集热器运行温度升高，这样就会降低太阳能热水系统的集热效率，而且为了达到设定的水温，势必会增加辅助热源的用量，从而降低了太阳能的节能效果。

　　从军团菌的因素分析，军团菌的繁殖与环境温度有直接关系，有资料表明，水温在20～30℃时是军团菌的最佳繁殖温度，所以其常在空调冷却塔内大量滋生，而在生活热水系统中并不多见。对于太阳能热水系统来说，出水温度低，其用水量相对高温水要大，每天都可以把产出的热水充分使用，这样就有利于水的置换，不利于病菌的停留。当多天不用热水的时候，贮热水箱内的水会因为连续多日的太阳加热，使得其水温升高，晴好天气时可以达到70℃，甚至更高，能起到很好的杀菌效果。

　　选择合适的热水温度，不仅能缓解设备及管道的结垢和腐蚀，节能、节水和节约设备费用，而且又能抑制热水中军团菌等有害病菌的滋生。所以，对于一般住宅建筑太阳能热水系统的热水供应温度建议适当降低，可在45～55℃范围内取值。其中，对于各户分散设置贮热水箱的小型系统可选低值，对于集中设置贮热水箱的大型系统可选高值。

　　2.2 冷水温度的取值

　　在文献[2]直接加热供水系统的集热器总面积计算公式（5.4.2A-1）中规定，···式中：冷水温度按本规范表5.1.4采用（既按当地最冷月平均水温计算），此规定值得商榷。因为，在该计算公式中，集热器平均集热效率和平均日太阳辐照量的设计参数均为年平均值，所以，冷水温度（水的初始温度）也应为年平均温度。而且，太阳能热利用一般均有辅助热源，太阳能没有必要按最不利工况设计。因此，冷水温度的取值发表论文，对于全年使用的太阳能热水系统，应以当地年平均冷水温度确定。上海市年平均冷水温度值约15～20℃（地面水温），上海市《民用建筑太阳能热水系统应用图集》表1中注1，推荐采用水的初始温度为15℃。

　　3住宅建筑使用人数的确定

　　住宅建筑使用人数应根据建筑的类型、套型模式、建筑面积等确定。根据建设部等六部委于2006年联合制定的“国六条”规定，国家对于商品住宅的套型建筑面积大小比例作出了严格的限制，大力推行节能省地的小面积住宅。因此，对于大多数属于中小套型的住宅建筑建议按不超过3人/户计。另外，对于大型太阳能热水工程，还应综合考虑住户实际入住率等因素，合理确定使用人数。

　　4太阳能保证率的确定

　　太阳能保证率是太阳能热水系统中，由太阳能部分提供的能量占系统总负荷的百分率，是确定集热器总面积的一个关键因素，也是影响太阳能热水系统经济性能的重要参数。太阳能保证率的大小和取值，与系统使用期内当地的太阳辐照、气候条件、系统热性能、热水负荷、系统成本和开发商的预期投资规模，以及用户使用要求等因素有关。

太阳能保证率取值大，则所选集热器总面积大，相应的热水产量就大，辅助热源的耗量则小，但初期投资也大；太阳能保证率取值小，则所选集热器总面积小，相应的热水产量就小，辅助热源的耗量则大，但初期投资也小。太阳能保证率的取值大小，决不是越大越好，如果盲目的提高太阳能保证率，势必会造成不必要的投资浪费，并可能会影响到系统的安全运行。

　　上海市属于我国太阳能利用Ⅲ类地区，即资源一般区。但按照新的国家标准《太阳能资源等级——总辐射》（征求意见稿）规定，因上海市水平面年总辐照量约4497MJ/(·a),即1249kW·h/(·a),故其太阳能总量等级属于C级，为太阳能总量丰富地区，所以具有利用太阳能的较好自然条件。上海市太阳能保证率一般按照经验值采用40％～50％，对于全年使用的太阳能热水系统，可采用等于45％；对于预期投资规模较小，偏重于春、夏、秋季使用的，可采用等于40％；对于预期投资规模较大，偏重于冬季使用的，可采用等于50％。

　　5贮热水箱有效容积的确定

　　太阳能是一种低密度、间歇性的热源，具有不稳定、不可控制的特点。为了实现稳定的热水供应发表论文，太阳能热水系统必须设置贮热水容积，将集热系统收集的热量贮存起来。目前，对于贮热水箱容积的确定，《民用建筑太阳能热水系统应用技术规范》、《小区集中生活热水供应设计规程》、《全国民用建筑工程设计技术措施》节能专篇，以及文献[6]等，采用的方法均有不同，这给设计计算带来了不便和混乱。

　　需要指出的是，在文献[8]中，把集热系统的贮热水箱容积，按文献[2]中常规能源集中热水供应系统的水加热器贮热量确定，这是不对的。对于太阳能集热系统的贮热水箱有效容积确定，应按文献[9]介绍的计算公式计算，这在文献[2]中已予确认。

总之，太阳能集热是按照平均日热水用水量设计的，贮热水容积理论上应根据设计条件下24小时太阳能集热和系统用水的变化规律确定。太阳能集热的规律是白天集热，晚上不集热。而对于一般住宅建筑，洗浴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。

　　6工程应用实例

　　住宅建筑太阳能热水系统工程设计参数取值应用实例详见表1。
表1 住宅建筑太阳能热水系统工程设计参数取值应用实例　

项目名称	上海三湘四季花城	常州中意宝第	上海临港新城宜浩佳园	宁波维科·水岸心境	昆明世博生态城二期
层数	14、18层	9～28层	12层	5+1、9+1～18+1层	9～12层
系统类型	分散供热水系统	分散供热水系统	集中-分散供热水系统	集中供热水系统	集中-分散供热水系统
运行方式	强制循环	自然循环	强制循环	强制循环	强制循环
传热工质	间接加热	直接加热	间接加热	直接加热	间接加热
集热器选型	U型真空管型（带CPC板）	平板型	U型真空管型	全玻璃真空管型	平板型
集热器面积	3/户	1.8/户	2.4(2.0)/户	3.5/户	3.3/户
集热器位置	各户南阳台栏板	各户南阳台栏板或窗间墙	屋面（集中）	屋面（集中）	屋面（集中）
集热器安装倾角	90°或75°	52°	30°	20°～40°	32°～36°
设计热水水温	50℃	45℃	50℃	50℃	60℃
设计冷水水温	12℃	15℃	15℃	15℃	15℃
使用人数	2.5人/户均	—	2.5（2）人/户	3.5人/户均	3.2人/户均
设计太阳能保证率	45％	50％	50％	50％	56％
贮热水箱容积	150L/户	80L/户	120(100)L/户	200L/户均	150L/户
贮热水箱位置	南阳台	南阳台或室外空调机平台	北阳台或厨房	屋面（集中）	北阳台或厨房
贮热水箱安装	立式、落地	立式、挂墙	立式落地或卧式挂墙	架空	立式、落地
辅助加热方式	电加热2kw/户	电加热1.5kw/户	电加热2kw/户	燃气或电加热1.5kw/户	电加热4kw/户
控制系统	太阳能站（进口）	控制器	控制柜（屋面）	PLC可编程控制器（屋面）	控制器（屋面）
集、供热立管	—	—	北阳台或外墙面	管道井	北阳台或厨房
热水减压方式	—	—	—	支管减压阀	—
计量方式	分户计量（冷水）	分户计量（冷水）	分户计量（冷水）	分户计量（热水）	分户计量（冷水）

7 结语
　　在太阳能热水工程设计时，只有准确的选取太阳能热水系统的设计参数，才能正确的计算出合理的集热器总面积以及贮热水箱有效容积，从而保证太阳能热水系统满足适用、安全、经济、卫生的要求。

参考文献
1国家住宅与居住环境工程技术研究中心．住宅建筑太阳能热水系统整合设计．中国建筑工业出版社，2006
2GB 50015-2003 建筑给水排水设计规范（2009年版）
3赵世明，高峰．生活热水太阳能集热器面积的确定．两委会第六届委员会成立大会暨学术交流年会论文集，2009
4王耀堂，罗慧英，刘振印．广州亚运城太阳能热水集热系统关键设计参数分析与取值．给水排水，2010，36（4）
5DBJT 08-110A-2008 民用建筑太阳能系统应用图集
6郑瑞澄主编．民用建筑太阳能热水系统工程技术手册．化学工业出版社，2006
7太阳能资源等级——总辐射（征求意见稿），2009
8GB 50364-2005 民用建筑太阳能热水系统应用技术规范
9CECS 222:2007 小区集中生活热水供应设计规程
10万水．高层住宅太阳能热水系统类型选用探讨．给水排水，2009，35（12）：65～69

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住宅建筑太阳能热水系统设计参数取值

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