住宅太阳能热水的探讨和应用
摘要：本文介绍太阳能热水器的相关专业知识，论述了太阳热水器应用的现状及存在的一些问题，结合建筑工程设计中的太阳能热水器工程实例。根据项目特点，设计了适合此项目的太阳能热水器系统和控制方式，并结合设计分析成本，论述其经济性，最后提出了一些相关推广太阳热水器的建议和展望。
关键词：太阳能热水应用,设计应用,节能,造价
随着能源形势和生态环境的日益恶化，世界许多国家都把利用绿色、可再生的太阳能作为应对能源、环境问题的重要策略。太阳能作为清洁能源，取之不尽，用之不竭，为有效降低居民住宅能耗，促进生态文明建设，国家先后颁布了《中华人民共和国可再生能源法》、《中华人民共和国节约能源法》和其他相关扶持政策，鼓励各行业使用太阳能。太阳能热水器作为太阳能利用的一种形式，在全国各地应用的实例多，特别是在北方的家庭用户比较普及，但在南方由于各种原因，太阳能热水器的利用率不高。作为绿色地产的先行者-招商地产，在广州金山谷项目就统一设计运用了太阳能热水器，避免以后业主自行安装破坏建筑外观。本文主要对太阳能热水器和金山谷项目应用的相关情况进行了探讨，请同行批评指正。
1住宅热水加热的使用范围及太阳能热水器的分类。
1.1太阳能热水器的组成
太阳能热水器是由集热器、储水箱、给水箱、循环管、循环泵、配水管等组成。我国大部分地区均处北纬40度以北，日照时间较长，均适合推广太阳能热水器。
1.2集热器形式
a.平板型：在住宅中使用的小型热水器中，目前多采用自然循环方式，且为单循环，即集热器内被加热的水直接进入储水箱提供使用。结构简单，成本较低。抗冻能力弱。
b.真空管型：全玻璃真空管结构简单，价格适中，水在玻璃管内直接被加热，其组成的家用热水器一般是将真空管直接接入非承压水箱，采用落水法取热水。也有采用金属热管组合的承压式及采用U型管组合的分离式，在不同地区都全年使用。具有抗冻、耐压和耐冷热冲击能力。
热管型真空管，其管内无水，具有抗冻、耐压和耐冷热冲击能力，可连接承压水箱，采用双循环系统，更适用于各种规模的热水系统，价格较高。
1.3太阳能热水系统
太阳能热水系统可分为承压和非承压系统，再可细分一体承压系统、分体承压系统和分体非承压系统。
2太阳能热水器的利用问题
2.1消费观念转变需要时间
消费者对使用太阳能的认识不多，意识不强。目前人们虽然有了环保意识，但主动保护环境、节约能源还没成为人们的自觉行为。
2.2部分建设单位积极性不高。
多数已建成的住宅小区尚未实现太阳能热水系统与建筑工程一体化，后期安装又存在诸如：屋面面积不够，安装不方便，安装到屋面容易造成屋面漏雨，顶户住户不愿意，造成邻里纠纷等问题的出现。
2.3太阳能热水器受季节性因素大
使用过太阳能热水器的市民都有体会，因受季节影响，使用不是很方便。冬天日照时间较短，或逢阴天，太阳能热水器就“罢工”。还有太阳能热水器常年放置于室外，每到冬季，空气污染就会加重，布满灰尘的太阳能真空管会影响太阳能的正常工作效果。
3工程应用
招商地产为响应国家号召，在20多年的实践中，总结出一套注重生态、强调可持续发展的"绿色地产"企业发展理念，扎实做好地产行业的节能、绿色工作，真正实践“绿色地产”的理念。在广州金山谷项目中，在结合公司其它项目利用太阳能的经验，从建筑方案设计开始考察到太阳能热水系统的设计，因此在太阳能热水系统与建筑工程一体化和系统选择方面比较完善，在多个方面达到了很好的效果。
3.1系统选择和比较
在系统和集热器的选择上，为达到充分利用太阳能和降低工程造价的目的，金山谷项目经过对国内知名的太阳能热水厂家进行了几轮的考察对比，充分考虑到建筑的美观和其它因素，决定采用非承压真空管的系统。相关考察调研对比情况如下表：
3.2项目设计系统介绍
3.2.1系统原理图
3.2.2系统控制原理说明
（1）平板太阳能集热器规格：每块1m×2m，共2块，晴天是产55°C热水75～140KG/m2。
（2）保温水箱的保温性能应达到3天内降温不超过5～8°C。
（3）控制系统采用微电脑智能化控制，全自动运行，无需专人操作。太阳能采用定温进水和温差强制循环两种方式控制，电加热器系统可以智能判断太阳光是否充足并自动补充热水，系统具有全天候供应热水、自动加压、回水等功能。同时系统还设有人工控制功能，方便调试和维护使用。
（4）具体控制要求如下：
在下午3点时，如果水箱内热水水位还不到70%的位置，那么电磁阀会自动打开，往水箱里补充冷水，同时启动电加热，当水位到达70%的位置时，就停止补充冷水，当水箱内水温升到50度时，电加热自动停止，这个过程的目的是提前用电加热准备70%的热水，给晚上备用。系统应能24小时供热水。晚上用热水时，热水水位逐渐下降，冷水不会进入水箱，水温是恒温的，若当天这70%的热水够用，那么晚上就不再启动电加热了，若不够用，当水位降至最低水位时，电磁阀会自动打开，往水箱里补充少量冷水，同时启动电加热系统加热至50℃。
3.2.3系统优点
此控制系统应做到最大限度的利用太阳能，使辅助电耗最小，系统保证一直有热水用，要用多少就加热多少，水位会一直维持在最低水位，这种控制电加热水的方法能充分的利用太阳能，最省电费，真正达到节能。
3.3工程造价分析
按广州市日照情况设计。太阳能集热面积计算如下：
H•F•η•K1•K2=L•C•ΔT
H–太阳辐射量，广州市为20130KJ/M2；
F-太阳能热水器集热面积；
η-热水器日平均效率，一般为0.5；
K1-容积系数，取1.0；
K2-系统热损系数，取0.8；
L-产水量（别墅按300L/天计算）；
C-工质比热容，4.19kJ/kg.℃；
ΔT-冷热水温差，按夏天淋浴用水量最大时计算，热水55℃，冷水20℃，温差35℃.
每户需太阳能集热管面积约4平方米，包括给水管等其他设施，工程造价约7500元/户，按上述节能889KWH计算，市场电能价0.53元/KWH，每年可节约费用471元，考虑部分维修管理费用，6年可收回投资（不计投资利率情况下），节能性价比极高。
基准：广州番禺地区太阳能保证率可取45%，则每年太阳能可免费提供热水的天数为：
365×0.45≈165天，其余200天依靠电辅助加热
设在相同条件下，对300升初始水温为20℃的生活用水进行加热，使水温升高到55℃。则需热量为：
300kg×（55-20）℃×1Kcal/kg℃=10500Kcal
消耗电量：
1度电=3600kJ÷4.187=859.8Kcal,电平均效率取95%，则消耗电量：
10500Kcal/859.8/0.95=12.85度电
每年节约费用为1293元，考虑部分维修管理费用，6年可收回投资（不计投资利率情况下），节能性价比极高，使用太阳能是可行和具有经济性的。
4总结
目前在房地产开发项目中，开发商配置太阳能热水器的项目还比较少，普及太阳能的潜力还很大，各项目可根据自己的实际情况，选取最优化设计。
在解决太阳能热水器的利用问题上，我们要根据国家的政策引导大力推广应用太阳能热水器，因地制宜，研发出适合各地区气候条件的太阳能热水器设计，并尝试新的安装费投入方法。特别是小区推广太阳能热水器，厂家大力加强售后跟进服务。
随着人民居住舒适性和建筑节能环保意识的提高，我相信太阳能热水器在住宅中的应用将逐渐得到普及，相应国家的节能减排的政策。