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摘 要：我国能源短缺问题依然严峻，而建筑业是耗能大户，因此，建筑设计中采用更多的节能技术意义重大。对节能热水系统的利用是住宅建筑开展节能工作的一大举措，为了更好的应用该技术，本文就高层住宅建筑节能热水系统的设计进行分析，以满足用户的要求。
关键词：住宅；太阳能热水系统；系统选择；参数计算；运行模式
建筑在使用过程中会大量消耗自然资源，直接影响到人类社会的可持续发展。虽然我国是一个资源丰富的国家，但在建设发展的同时，也面临着能源稀缺的尴尬局面，且发展前期大量能源消耗所换来的繁荣将难以长久维持，因此，建筑节能工作刻不容缓。建筑节能设计也成为了建筑师普遍和自觉的意识，越来越多的节能技术得到了应用，节能热水系统就是近年来在住宅建筑中应用较为广泛的一项节能技术，并且取得了一定效果。为了更好地应用节能热水系统，笔者就高层住宅建筑节能热水系统设计谈谈自己的一些分析和思考。
1 系统选择
某高层建筑，每户住宅设置独立的太阳能热水系统，太阳能集热板设置15°倾角，预留挑板，建筑立面考虑一体化设计，将集热板作为建筑立面的组成部分，做到与建筑的完美结合。
由于立面造型要求，不适合在阳台设置太阳能集热板，与业主协商确定采用集中集热-分户储热太阳能热水系统；在建筑物屋面集中安装太阳能集热器，采用金属-玻璃真空管集热器，在每户卫生间内安装储热水箱，集热系统通过循环管路将热量输送到每个用户，通过储热水箱中的换热装置将每户储热水箱中的自来水加热供用户使用；储热水箱中内置电辅助加热装置，当太阳能光照不足达不到供水温度时采用电辅助加热装置加热储热水箱中的自来水保证用户使用，电加热功率1.5kW。由于楼层较高，且每户面积较小，屋面放置的太阳能集热板无法满足全部用户热水需求，下部楼层住户拟采用分体式空气源热泵热水系统，在卫生间设置集热水箱，在室外设备平台设置空气源热泵机组。具体设置楼层经计算确定。
2 参数计算
（1）集热面积计算
太阳能直接系统太阳能集热器采光总面积，式（1）计算：
（1）
As：太阳能直接系统太阳能集热器总采光面积，（m2）
Qrd：设计最大日热水用水量，（L/d），用水量标准采用40L/（人·d），每户按2人计算，最大日热水用水量为80L/d。
C：水的比热，4.187kJ/（Kg·℃）
ρr：热水密度，（Kg/L），取1.0Kg/L
tr：热水温度，（℃），取60℃
tL：水的初始温度，（℃），取10℃
JT：当地集热器采光面上的年平均日太阳能辐照量，[13316kJ/（m2·d）]
f：太阳能保证率（%），取40%
η：集热器的年均效率（%），取40%
ηL：系统的热损（%），取20%
根据式（1），计算得每户太阳能直接系统太阳能集热器采光面积为1.26m2。
太阳能间接系统太阳能集热器采光总面积，按式（2）计算：
（2）
An：太阳能间接系统太阳能集热器总采光面积，（m2）
As：太阳能直接系统太阳能集热器总采光面积，（m2）
K：太阳能集热器总热损失系数，[kJ/（ m2·℃·h）
K1：换热器传热系数，[kJ/（ m2·℃·h）
F：换热器换热面积，（m2）
根据太阳能厂家提供的资料，K·AsK1·F取0.20，每户太阳能间接系统集热器面积为
1.26×（1+0.20）=1.51m2
阳台壁挂太阳能系统选用1.80 m2集热器；集中分散太阳能系统集热器面积按每户1.60 m2计算，以12#地块为例，建筑高度为27层，底层架空；标准单元每单元屋面可利用面积448 m2，共设置2.0×1.0真空管太阳能集热器78块，总集热面积156 m2，可满足12层共96户用户热水需求。因此建筑16层至27层采用太阳能热水系统，2层至15层采用分户式空气源热泵热水系统。
空气源热泵热水系统水箱容积采用80L，满足每户1d的热水用水量；最高日平均耗热量为：
Qd=mqrC（tr-tl）ρr/T
=2×40×4.187×（60-10）×1.0÷（24×3600）
=0.194kW
热泵机组设计小时平均秒供热量为：
Qg：热泵机组设计小时平均秒供热量，（kW）
Qd：最高日平均秒供熱量，（kW）
T1：热泵机组设计工作时间，（h），取12h
K1：安全系数；取K1=1.10
Qg=1.10×0.194×24÷12=0.427kW
设计选用空气源热泵机组额定功率0.45kW，机组平均能效比3.0，另设1.5kW电辅助加热。
图1 阳台壁挂太阳能系统原理图
图2 集中集热-分户储热太阳能系统原理图
图3 空气源热泵热水系统原理图
3 系统运行模式
（1）阳台壁挂太阳能热水系统运行模式
阳台壁挂太阳能热水系统采用套管式真空管集热器，真空管水平布置；系统采用间接自然循环，热媒由于温度差在换热管内流动，进行热量交换。
分户集热水箱内设置1.5kW电辅助加热，电加热采用时间、温度双重控制，每天下午6：00至凌晨0：00之间，当水箱内温度低于50℃时启动电加热，高于60℃时电加热关闭；具体时间可根据季节和各人生活习惯调整，必要时也可根据用户需要手动启动。
（2）集中集热-分户储热太阳能系统运行模式 系统循环采用定温温差循环，即当集热器温度高于60℃，且集热器温度与系统管道温度温差大于10℃时，系统循环泵启动，集热器中的高温热媒输送至储热水箱内的换热盘管加热储热水箱中的自来水；当集热器温度低于55℃，或集热器温度与系统管道温度温差小于5℃时，系统循环泵停止运行，避免热媒管道带走储热水箱中的热量。控制系统中各控制温度可根据用户需要进行调整。
集热器与缓冲水箱间循环介质采用防冻液，缓冲水箱与集热水箱间循环介质采用自来水，集热循环管道和加热循环管道均采取保温措施，屋面明露的加热循环管道设置电伴热带。当系统管道温度低于2℃时，伴热带启动为系统室外部分管道加热，当系统管道温度高于5℃时，伴热带关闭。
分户集热水箱电加热系统控制与阳台壁挂系统相同。由于集热器温度低于60℃时，循环加热系统关闭，所以用户热水箱内的热量不会被带走。
（3）热泵系统运行模式
热泵系统热水系统最高水温可达60℃，用户可根据需要进行设定；系统可采用定时启动，尽量利用夜间用电低谷时段进行加热，也可根据个人生活习惯设置；环境温度低于-7℃时，热泵效率降低，系统自动转换为直接电加热模式。
4 各系统优缺点
阳台壁挂太阳能系统优点是系统简单，运行费用低，无公用设备及水电费用，业主之间不会产生纠纷。缺点是由于太阳能集热板安装角度影响，集热效率较低；部分建筑底部约7层-8层住户日照不足4h/d，太阳能利用率比较低。集热器和水箱设置在阳台，对住户使用功能和建筑立面有一定的影响；需要采取措施防止集热板坠落影响地面人员安全。
集中集热-分户储热太阳能及空气源热泵热水系统优点是集热器集中设置在屋面，集热效率高且资源共享，能最大限度地利用太阳能；储热水箱设置在卫生间吊顶，不影响建筑立面和住户户内空间，无安全隐患；低层住户日照效果较差，采用空气源热泵热水系统节能效果更好。缺点是需要设置公用管道和设备，占用一定的公共空间，初次投资较高，需要物业管理维护，有一定的运行费用；采用空气源热泵热水系统，需在室外考虑放置室外机的设备平台，这几层平面会和上部有一些不同，建筑立面要考虑与上部协调。
5 結语
综上所述，高层住宅建筑节能热水系统的设计应根据建筑布局特点及住户生活习惯，选择合适的系统形式；系统最大程度地利用太阳能，便于操作，维护管理简单；设计中与建筑专业密切配合，以打造真正环保节能、健康、舒适的高品质住宅。
参考文献
[1] 张情.高层建筑太阳能热水系统设计分析[J].城市建设理论研究，2012年第15期
[2] 钱斌.太阳能热水系统在建筑工程中的应用与探讨[J].建筑节能，2010年01期
关键词：住宅；太阳能热水系统；系统选择；参数计算；运行模式
建筑在使用过程中会大量消耗自然资源，直接影响到人类社会的可持续发展。虽然我国是一个资源丰富的国家，但在建设发展的同时，也面临着能源稀缺的尴尬局面，且发展前期大量能源消耗所换来的繁荣将难以长久维持，因此，建筑节能工作刻不容缓。建筑节能设计也成为了建筑师普遍和自觉的意识，越来越多的节能技术得到了应用，节能热水系统就是近年来在住宅建筑中应用较为广泛的一项节能技术，并且取得了一定效果。为了更好地应用节能热水系统，笔者就高层住宅建筑节能热水系统设计谈谈自己的一些分析和思考。
1 系统选择
某高层建筑，每户住宅设置独立的太阳能热水系统，太阳能集热板设置15°倾角，预留挑板，建筑立面考虑一体化设计，将集热板作为建筑立面的组成部分，做到与建筑的完美结合。
由于立面造型要求，不适合在阳台设置太阳能集热板，与业主协商确定采用集中集热-分户储热太阳能热水系统；在建筑物屋面集中安装太阳能集热器，采用金属-玻璃真空管集热器，在每户卫生间内安装储热水箱，集热系统通过循环管路将热量输送到每个用户，通过储热水箱中的换热装置将每户储热水箱中的自来水加热供用户使用；储热水箱中内置电辅助加热装置，当太阳能光照不足达不到供水温度时采用电辅助加热装置加热储热水箱中的自来水保证用户使用，电加热功率1.5kW。由于楼层较高，且每户面积较小，屋面放置的太阳能集热板无法满足全部用户热水需求，下部楼层住户拟采用分体式空气源热泵热水系统，在卫生间设置集热水箱，在室外设备平台设置空气源热泵机组。具体设置楼层经计算确定。
2 参数计算
（1）集热面积计算
太阳能直接系统太阳能集热器采光总面积，式（1）计算：
（1）
As：太阳能直接系统太阳能集热器总采光面积，（m2）
Qrd：设计最大日热水用水量，（L/d），用水量标准采用40L/（人·d），每户按2人计算，最大日热水用水量为80L/d。
C：水的比热，4.187kJ/（Kg·℃）
ρr：热水密度，（Kg/L），取1.0Kg/L
tr：热水温度，（℃），取60℃
tL：水的初始温度，（℃），取10℃
JT：当地集热器采光面上的年平均日太阳能辐照量，[13316kJ/（m2·d）]
f：太阳能保证率（%），取40%
η：集热器的年均效率（%），取40%
ηL：系统的热损（%），取20%
根据式（1），计算得每户太阳能直接系统太阳能集热器采光面积为1.26m2。
太阳能间接系统太阳能集热器采光总面积，按式（2）计算：
（2）
An：太阳能间接系统太阳能集热器总采光面积，（m2）
As：太阳能直接系统太阳能集热器总采光面积，（m2）
K：太阳能集热器总热损失系数，[kJ/（ m2·℃·h）
K1：换热器传热系数，[kJ/（ m2·℃·h）
F：换热器换热面积，（m2）
根据太阳能厂家提供的资料，K·AsK1·F取0.20，每户太阳能间接系统集热器面积为
1.26×（1+0.20）=1.51m2
阳台壁挂太阳能系统选用1.80 m2集热器；集中分散太阳能系统集热器面积按每户1.60 m2计算，以12#地块为例，建筑高度为27层，底层架空；标准单元每单元屋面可利用面积448 m2，共设置2.0×1.0真空管太阳能集热器78块，总集热面积156 m2，可满足12层共96户用户热水需求。因此建筑16层至27层采用太阳能热水系统，2层至15层采用分户式空气源热泵热水系统。
空气源热泵热水系统水箱容积采用80L，满足每户1d的热水用水量；最高日平均耗热量为：
Qd=mqrC（tr-tl）ρr/T
=2×40×4.187×（60-10）×1.0÷（24×3600）
=0.194kW
热泵机组设计小时平均秒供热量为：
Qg：热泵机组设计小时平均秒供热量，（kW）
Qd：最高日平均秒供熱量，（kW）
T1：热泵机组设计工作时间，（h），取12h
K1：安全系数；取K1=1.10
Qg=1.10×0.194×24÷12=0.427kW
设计选用空气源热泵机组额定功率0.45kW，机组平均能效比3.0，另设1.5kW电辅助加热。
图1 阳台壁挂太阳能系统原理图
图2 集中集热-分户储热太阳能系统原理图
图3 空气源热泵热水系统原理图
3 系统运行模式
（1）阳台壁挂太阳能热水系统运行模式
阳台壁挂太阳能热水系统采用套管式真空管集热器，真空管水平布置；系统采用间接自然循环，热媒由于温度差在换热管内流动，进行热量交换。
分户集热水箱内设置1.5kW电辅助加热，电加热采用时间、温度双重控制，每天下午6：00至凌晨0：00之间，当水箱内温度低于50℃时启动电加热，高于60℃时电加热关闭；具体时间可根据季节和各人生活习惯调整，必要时也可根据用户需要手动启动。
（2）集中集热-分户储热太阳能系统运行模式 系统循环采用定温温差循环，即当集热器温度高于60℃，且集热器温度与系统管道温度温差大于10℃时，系统循环泵启动，集热器中的高温热媒输送至储热水箱内的换热盘管加热储热水箱中的自来水；当集热器温度低于55℃，或集热器温度与系统管道温度温差小于5℃时，系统循环泵停止运行，避免热媒管道带走储热水箱中的热量。控制系统中各控制温度可根据用户需要进行调整。
集热器与缓冲水箱间循环介质采用防冻液，缓冲水箱与集热水箱间循环介质采用自来水，集热循环管道和加热循环管道均采取保温措施，屋面明露的加热循环管道设置电伴热带。当系统管道温度低于2℃时，伴热带启动为系统室外部分管道加热，当系统管道温度高于5℃时，伴热带关闭。
分户集热水箱电加热系统控制与阳台壁挂系统相同。由于集热器温度低于60℃时，循环加热系统关闭，所以用户热水箱内的热量不会被带走。
（3）热泵系统运行模式
热泵系统热水系统最高水温可达60℃，用户可根据需要进行设定；系统可采用定时启动，尽量利用夜间用电低谷时段进行加热，也可根据个人生活习惯设置；环境温度低于-7℃时，热泵效率降低，系统自动转换为直接电加热模式。
4 各系统优缺点
阳台壁挂太阳能系统优点是系统简单，运行费用低，无公用设备及水电费用，业主之间不会产生纠纷。缺点是由于太阳能集热板安装角度影响，集热效率较低；部分建筑底部约7层-8层住户日照不足4h/d，太阳能利用率比较低。集热器和水箱设置在阳台，对住户使用功能和建筑立面有一定的影响；需要采取措施防止集热板坠落影响地面人员安全。
集中集热-分户储热太阳能及空气源热泵热水系统优点是集热器集中设置在屋面，集热效率高且资源共享，能最大限度地利用太阳能；储热水箱设置在卫生间吊顶，不影响建筑立面和住户户内空间，无安全隐患；低层住户日照效果较差，采用空气源热泵热水系统节能效果更好。缺点是需要设置公用管道和设备，占用一定的公共空间，初次投资较高，需要物业管理维护，有一定的运行费用；采用空气源热泵热水系统，需在室外考虑放置室外机的设备平台，这几层平面会和上部有一些不同，建筑立面要考虑与上部协调。
5 結语
综上所述，高层住宅建筑节能热水系统的设计应根据建筑布局特点及住户生活习惯，选择合适的系统形式；系统最大程度地利用太阳能，便于操作，维护管理简单；设计中与建筑专业密切配合，以打造真正环保节能、健康、舒适的高品质住宅。
参考文献
[1] 张情.高层建筑太阳能热水系统设计分析[J].城市建设理论研究，2012年第15期
[2] 钱斌.太阳能热水系统在建筑工程中的应用与探讨[J].建筑节能，2010年01期