住宅建筑太阳能热力系统方案介绍
来源：太阳能工程
0 前言
太阳能作为建筑中可再生能源应用的主要能源，已经得到了越来越多人的认可与关注。在我国，由于土地资源有限，中高层住宅已成为大中城市建设的主要住宅类型。大量省市制订的住宅“强制安装”太阳能热力系统政策，给太阳能热力系统在中高层住宅的应用推广带来了机遇及挑战。目前，针对住宅建筑的太阳能热力系统的优化设计成为太阳能热利用行业亟待解决的问题。
1 住宅建筑太阳能热力系统产品选用
目前，市场上常见的集热器主要有平板太阳能集热器、全玻璃真空管太阳能集热器及热管真空管集热器等几种类型。几种产品各有优缺点，表1针对住宅建筑的热力系统选用，从不同方面对以上3种太阳能集热器产品进行对比。
2 住宅太阳能热力系统形式的选择
2.1住宅常用的太阳能热力系统类型
目前，应用于住宅类建筑的太阳能热力系统一般有以下几种类型：
2.1.1 分户集热—分户储热式太阳能热力系统：是指终端用水点以户为单位，每户独立设置太阳能集热器、储水箱、辅热设备及相关管路，每户独立使用的小型太阳能热力系统（产品）。分户集热—分户储热式太阳能热力系统在住宅中根据其安装形式不同，一般有两种：一种是阳台壁挂式太阳能热水器，另一种为家用一体机太阳能热水器。
2.1.2 集中集热—分户储热式太阳能热力系统：是指将太阳能集热器集中、统一规划安装成为一个系统，储水箱、辅助保障系统按终端用户为单位独立设置的太阳能热力系统。
2.1.3 集中集热—集中储热式太阳能热力系统：是指太阳能集热系统、储水箱及辅助部分全部集成化，统一安装集热器，统一设置集中储水箱及辅助加热设备，然后将热量再次分配至各用水终端的太阳能热力系统。
2.2住宅太阳能热力系统特点
上述3种系统各有优缺点，下面进行简单分析。
2.2.1 家用一体机太阳能热水器家用一体机太阳能热水器由于价格低廉等因素，目前在中低层住宅中应用较为普遍，但该产品存在以下缺点：家用一体机太阳能热水器全部安装在屋面，影响屋面安全及防水性能；低层用户用水点管线长，需要排放较多管内冷水，热损相对较大；产品的维护量增大，产品的维护工作转移至最终用户；上下水管道过多，布置困难。
2.2.2 阳台壁挂式太阳能热水器
对于高层住宅，各楼之间相互遮挡，高层住宅中的低层用
结论：平板太阳能集热器及系统的各种性能优势更容易满足太阳能与建筑相结合的要求，具有安全耐久性高、使用寿命长、故障率低，性价比高等优点。针对住宅建筑的太阳能热力系统，还是选用平板型太阳能集热器及系统效果比较明显。
用户不适宜安装；塔楼非朝阳面住户不适宜安装；集热器安装于阳台栏板等建筑南向立面位置，为提高建筑整体外观效果，对建筑设计与太阳能集热器的结合设计要求高；同时，对于集热器及其安装的安全性能，如抗风压、变形、抗雪荷载、抗冰雹、耐撞击等性能要求提高。分户集热—分户储热式系统属于家用太阳能热力系统的集群式安装，而非真正意义上的太阳能热力系统工程。因此在多层及中高层住宅类场所，不宜采用这种简单的“设备叠加”方式。其他两种集中太阳能热力系统方案，在住宅建筑中应用，各有优缺点。以下投资、运行管理等方面对两种系统进行对比分析。
2.3 集中式太阳能热力系统技术对比分析
2.3.1 集中集热-分户储热系统原理示意图（见图1）及说明
1.太阳能集热系统采用温差循环、排空防冻的工作方式；系统的供热采用二次交换、动态定温循环的方式进行。
a.集热器温度与储水箱温度差达到设定上限时，太阳能热力系统水泵启动，提升储水箱温度。
b.集热器温度与储水箱温度差低于设定下限时，太阳能热力系统水泵停止，集热器及系统管道中的水排回排空水箱中（排空防冻）。
c.系统供水泵根据平衡水箱的温度进行控制；当平衡水箱温度高于设定值时，系统水泵循环通过二次换热的方式将热量
交换至各用户储水箱进行储存；当平衡水箱温度低于设定值时，系统水泵停止运行。平衡水箱的供水温度设定值采用动态阶梯调节，根据系统回水温度的变化进行增减，保证太阳能热力系统效率的最大化。
d.在各户进水箱管道上安装电磁阀。在距分户水箱最近的主管道上与分户水箱中安装温度传感器，当检测到温差达到设定温差上限时，电磁阀打开，太阳能热力系统与分户水箱中的水开始换热；当控制器检测到温差达到设定温差下限时，电磁阀关闭，换热过程结束；可有效避免用户水箱中的水与室外管线中的水产生串热现象。
e.各用户用水时，检查户内储水箱的温度，当温度达到用水要求时，可直接使用；当温度无法达到用水要求时，采用电加热进行辅助加热。辅助加热通过手动启动，当达到一定温度时，辅助加热自动停止。
2.太阳能集热器统一布置于屋面；屋顶设置平衡水箱1台，其主要功能为太阳能热力系统吸热量的缓冲存储；为便于检修，在太阳能供热管路入户前安装检修阀门。
2.3.2 集中集热-集中储热系统原理示意图（见图2A、图2B）系统工作基本原理说明（以定温产水系统为例）：本系统为集中集热—集中储热辅热形式的太阳能热力系统原理图；
1.太阳能集热系统采用定温产水、排空防冻的工作方式；
a.集热器温度与储水箱温度差达到设定上限时，太阳能热力系统水泵启动，提升储水箱温度。
b.集热器温度与储水箱温度差低于设定下限时，太阳能热力系统水泵停止，集热器及系统管道中的水排回储水箱中（排空防冻）。
c.系统变频机组供水；当水箱温度高于设定值时，辅助能源不进行加热；当水箱温度低于供水设定值时，辅助能源启动加热热水送至最终用水点。
d.为保证系统24h的热水供应，系统末端设置电动阀，根据温度启停，保证主干管线的热水温度；
2.太阳能集热器统一布置于屋面；需要设备间安装储热水箱。
3 初期投资及设备安装条件
3.1 系统的投资对比
集中集热—集中储热太阳能热力系统与集中集热—分户储热式太阳能热力系统的设备投资主要包括太阳能集热系
统、辅助热源系统及供热系统3部分。两种系统在太阳能集热及供热部分差别不大，其主要投资差异在于储热水箱部分。集中集热-集中储热系统采用单独的集中水箱，集中辅助加热设备，成本较低；集中集热-分户储热系统采用分户设置单独的太阳能换热水箱内置电辅加热形式，一般为不锈钢或搪瓷内胆承压结构，成本高于集中水箱。以某栋11层3单元、每单元4户/层的住宅为例，设计每户水量80L，总用水量10560L（45℃），进行投资对比。（说明：冷水温度按10℃计，集中集热—集中储热系统太阳能平均集热效率按50%计，管网热损失15%；集中集热—分户储热系统太阳能集热器平均集热效率按42%计，管网热损失按10%计。）集中集热—集中储热系统的投资要低于集中集热分户集热系统约25%~35%。
3.2安装条件对比
两种太阳能集热系统部分均为集中形式，因此，在集热器系统的设计安装要求上是基本一致的。对于安装条件，其差异也主要在储热设备（水箱等）的安装条件及供水管网的安装上。表2为设备间安装条件对比，表3为管路施工条件对比。
3.3 后期使用性能对比（见表4）
3.4 物业管理对比（见表5）
综合以上分析，可以看出：
1.集中集热—分户储热系统优点：无需进行收费管理；缺点是初期投资高，户内水箱数量多，故障点增多，维护量大且维护难度增加。系统非24h供水系统，在太阳能热力系统不能满足用水需要时，用户需自行启动辅助电加热。
2.集中集热—集中储热系统优点：
初期投资低，后期维护方便；缺点是24h供应热水系统供水，管网散热损失大，造成供水成本高；后期需进行热水供应的收费管理，一般认为收费比较麻烦。为适当减少管网的热水循环，降低供热水成本，可以采用“呼叫式”供热水方式，保证全天热水供应。
4 住宅呼叫式太阳能热力供水方案系统（见图3）
4.1运行及控制方案说明呼叫式太阳能热力系统运行原理仍为集中集热-集中储热的太阳能热水形式。呼叫式集中供水系统一般以单元为单位设计太阳能供水系统，水箱可以置于高层，也可以放置在地下室等位置。呼叫式供水系统与普通集中集热—集中储热太阳能热力系统差别主要在于热水的供应方式。
4.2 呼叫式系统控制原理
4.2.1 在每户内设置呼叫器一个；呼叫器设置指示灯，若指示灯未亮，表明无人用水，需要进行按动按钮启动系统循环泵；
4.2.2 供水泵在接收到任何一个呼叫开关信号后，开始运行；
4.2.3 任一呼叫按钮启动后，所有指示灯均处于工作状态；在用水管网设置温度检测点，温度数值及水泵的运行状态作为户内的指示灯信号。
4.2.4用水使用说明户内呼叫器指示灯处于红色状态，表明供水泵处于运行状态，但管网温度低于用水温度，需等待；户内呼叫器指示灯处于绿色状态，表明供水泵处于运行状态且供水管网的水温满足使用需求，可以洗浴；指示灯未亮时，表明水泵未启动，需手动开启呼叫按钮，进行呼叫用水。
4.2.5 水泵的供水依靠出口压力控制，当水泵出口压力变化时，水泵启动；水泵出口压力在达到静止状态压力时，水泵延时10分钟停止。
目前，大部分的集中集热—集中储热太阳能热力系统在供水部分多采用变频供水或定时供水的方式；变频供水系统管网散热损失大，定时供水用水时间受限制，而呼叫式系统既可以满足用户随时使用热水的需求，在无人用水的情况下，又避免了管网的热循环造成的能量损耗，可以有效地降低管网热损失。
5 结论
集中集热—集中储热供水系统改为呼叫式后，具备投资成本低、运行费用适中，后期维护量小等特点，适合一般住宅的使用，尤其适用于户型较小的保障性住宅使用。
