太阳能热水系统的分析

太阳能热水系统组成

太阳能集热器

(1)平板集热器：由镀膜吸热板与铜管压合一起组成。热效率高，国外90%以上的用户使用本产品。集热器形状结构可灵活设计，尺寸可与建筑材料的模数和建筑结构达到较好的相容性，是与建筑一体化的首选产品。平板式集热器对安装方向角度有较高的要求。(2)全玻璃真空管集热器：主要部件为真空吸热管，我国使用的最为普遍，具有一定的抗冻能力，可在-15℃的环境中照常工作。真空管对安装角度无特殊要求，但存在一定的安全隐患，有可能发生爆管现象，且系统不能承压运行。(3)热管式集热器：能抗-40℃低温，而平板式、真空管式都无法抵抗如此低温，适合高寒地区用户选用，但造价高昂。

贮热水箱

贮热水箱是储存热水的容器。因为太阳能集热器只能白天工作，而人们一般在晚上才使用热水，须通过贮热水箱把集热器在白天产出的热水贮存起来。

连接管道

将热水从集热器输送到贮热水箱，将冷水从贮热水箱输送到集热器的通道，使整套系统形成一个闭合的环路。

支架

太阳能水箱及集热器的支撑部件。支架设计应合理，应有足够的强度和刚度，在一些日常风力较大的地区，尤其是沿海地区，在设计上应有足够的抗风能力。

控制系统

系统采用全自动控制操作方式以保证太阳能集热系统、辅助加热系统和集中热水供应系统之间要达到正常、稳定、高效的工作，保证全天候的给用户提供设定温度的热水。太阳能热水系统与普通太阳能热水器的区别就是控制中心。

按太阳能热水系统与建筑相关特点的分类

按组合方式分类

(1)一体式太阳能热水器：常见的直接安装在屋顶的一体机，由于产品成熟市场保有量大，所以，相对较便宜。(2)分体式太阳能热水系统：该系统将集热器与水箱分开，通过强制循环将集热器吸收到的热量传输到贮热水箱，从而获得热水的系统。由于它的集热器与贮热水箱是分开的，集热器可以放在能晒到阳光的任何地方(如墙面、阳台、屋面等)，并可通过合理的规划设计与建筑融为一体，实现建筑一体化。而贮热水箱也同样可以放在任一位置。它们之间的循环一般采用强制循环方式，且配套相应的控制系统和辅助能源系统，可达到全天候24h供水，可多路供水。此种产品功能较多，价格相对较高。

按供热水范围分类

(1)集中供热水系统：采用集中的太阳能集热器和集中的贮水箱供给一栋或多栋建筑物所需热水的系统。一般集热器集中布置在楼顶，贮热水箱布置在楼顶或地下室，通过强制循环将贮热水箱的水加热。贮热水箱到每家每户之间有共用的供水管路。集热器集中于屋顶或采光好的位置，与各户实际日照条件无关。系统安装简洁、效率高，管线少、易安装，热水共用，利用率高。需要分摊辅助加热费用及水费，因此，需要分户计量收费，给系统管理、维护带来困难。集中供热水系统在居住类建筑的应用案例不多，主要是物业管理收费及维修问题较困难。(2)集中-分散供热水系统：采用集中的太阳能集热器和分散的贮水箱供给一个单元或一幢建筑物所需热水的系统。一般集热器集中布置在楼顶，贮水水箱布置在楼顶或地下室，系统内每家每户配置一个承压使用带辅助电加热的户内换热水箱，通过强制循环将太阳能转化成的热量传递给每家每户。(3)分散供热水系统：采用分散的太阳能集热器和分散的贮热水箱供给各个用户所需热水的小型系统，其优点是无需热水收费管理，产权明晰，维护方便。分散供热水系统有：一体式系列、别墅分体式系列、阳台分体式系列。前两种由用户自行选择，厂家安装，可能影响屋面防水，破坏小区整体形象，均不适宜中高层建筑。阳台分体式系列可能出现前楼遮挡阳光时，高层的低层用户则不适宜安装；塔楼非朝阳面住户不适宜安装；用水点离阳台较远时需要排空较多管内冷水。

太阳能集热器与商业居住区的安装结合形式

太阳能热水系统的集热器可根据居住区建筑、环境的规划及设计情况，安装在屋顶、阳台、墙面、女儿墙，或作为景观独立安装等。商业居住区建筑多属多层以上建筑，其中多层建筑屋顶面积一般能满足太阳能集热器面积需求，故安装形式以屋顶安装为主。高层建筑由于建筑面积大，相对屋顶面积过小，故不能满足集热需求，可利用东、南、西这3个建筑立面的阳台、窗间墙、女儿墙等部位解决集热面积不足的问题。

太阳能集热器屋顶安装

(1)平铺式：将集热器直接固定在建筑的坡屋顶上，利用模块化的集热器通过合理设计，能很好地与屋面一体化。(2)支架式：将集热器固定在建筑平屋顶上设计安装的固定支架上。(3)镶嵌式：将集热器镶嵌在建筑平屋顶的预留位置上，它既是一个集热器，同时又仿佛屋顶上的瓦一样，是建筑必不可少的，能与建筑完美结合，简单美观。当然，集热器在平屋顶安装时，如果直接布置在屋面上，将影响屋面的使用，建筑设计时可考虑将集热器安装在屋面上的架空钢架上，如能在设计时将集热器本身作为坡屋顶来考虑，则集热器将不影响原楼面的利用(绿化、晒被褥、休闲等)，甚至可以起到美化和遮阳的作用。

太阳能集热器阳台安装

将集热器固定在建筑物阳台上的固定件上，或直接将集热器作为阳台护栏进行设计。此方式不影响采光通风，但要求阳台有一定宽度，有足够的日照时间。楼距较小时谨慎选用。

太阳能集热器墙面安装

将集热器固定在建筑窗间墙面上，适用没有阳台或阳台宽度较窄的户型以及屋顶集热器面积不够的情况。还可将集热器设计成幕墙的形式。

太阳能集热器女儿墙安装

将集热器固定在女儿墙上。

景观独立安装

通过独具匠心的景观设计，如景亭、回廊等，营造居住区独特气质，获取更多人的关注与认同感，提高居民对太阳能利用的认知及节能环保意识。

其他部位安装

可将集热器与建筑遮阳棚、雨篷结合设计，在集热的同时起到遮阳与挡雨的作用；集热器还可以安装在南立面空调机位外侧，起到遮挡空调机的作用。

太阳能热水系统在商业居住区规划设计中的一体化应用要求

太阳能热水系统与商业居住区结合是一个系统工程，在商业居住区的概念设计阶段即应作为营销策划的一个重点加以统筹把握，在其规划设计之初就应将太阳能热水系统包含的所有内容，都作为建筑元素加以综合，做到统一规划、同步设计、同步施工、同步验收、与建筑工程同时投入使用、同步后期管理，使其成为整个商业居住区的有机组成部分。设计院在进行设计规划时应和太阳能热水系统厂家、开发商在前期进行深入的沟通。这样将有效避免后期出现厂家拿出的设计方案开发企业不能用，设计院设计出的方案，厂家在生产和安装方面根本无法实现等尴尬现象。

一体化的基本要求

太阳能热水系统与商业居住区建筑一体化，主要包括4个方面内容：(1)外观上的一体化。在外观上，实现太阳能热水系统与商业居住区建筑完美结合，把太阳能的利用纳入环境的总体设计，把建筑、技术和美学融为一体，太阳能设施成为居住区建筑的一部分相互间有机结合，根据居住建筑外形特点合理选择和摆放太阳能集热器，使太阳能集热器成为居住区建筑的一部分，实现两者在色彩、造型、质感上的协调与统一。(2)管路布局的一体化。太阳能热水系统的各种管道、电器、电缆应综合安排，满足安全、隐蔽、集中布置，便于使用与维修。太阳能热水系统的冷热水管要安装到户，管路布置做到合理化，合理布置太阳能热水系统的循环管路以及冷热水供应管路，尽量减小热水管路的长度。(3)建筑结构上的一体化。在建筑结构设计时应妥善解决太阳能集热器的摆放和安装问题，确保建筑物的承重、防水等不受影响，并且太阳能集热器应具有抗强风、冰雹等能力。(4)太阳能热水系统管理的方便性。太阳能热水系统的运行和管理，应可靠、稳定、安全，易于检修、维护，合理解决太阳能与辅助能源的匹配问题，实现太阳能系统的智能化全自动控制。应方便系统的后期管理，如方便物业的计费与收费，避免物业与业主之间的矛盾等。

规划设计的要求

(1)应综合考虑当地气候、纬度、日照条件。并了解用户对热水使用需求和当地辅助能源的分布情况(如：电、天然气、工业余热等)，综合确定太阳能热水系统的规模、形式，做到统一规划、合理布局。确定合理的太阳能应用方案，选择合适的太阳能设备厂家，降低一次性投资和运行成本，使得整个方案在商业化的意义下具有可操作性。(2)应优先考虑在建筑平屋面、坡屋面上安装太阳能集热器。当屋面条件受限制时，也可考虑在阳台、南向外墙面等适宜的位置设置太阳能集热器，建筑间距应满足所在气候区日照建筑间距的要求。(3)安装太阳能热水系统的建筑单体或建筑群体，主要朝向尽量为南向，建筑体型和空间组合与太阳能热水系统应紧密结合，以使太阳能集热器上有更多的阳光照射。(4)与景观设计统筹考虑。景观规划设计时，景观布置、广告牌、绿化等的布置应避免对投射在集热器上的阳光造成遮挡。

建筑设计的要求

(1)应首先总体考虑太阳能集热器的设置位置及对周围环境的影响。建筑设计应合理确定太阳能热水系统各组成部分在建筑中的位置，布置在建筑屋面、外墙面、阳台或其他位置的太阳能集热器与建筑共同构成围护结构时，应与建筑整体有机结合，并与建筑周围环境相协调，尽量避免集热器的反射光对附近建筑物的光污染。(2)应设计合理的建筑体型及空间组合。建筑的体型和空间组合应避免安装太阳能集热器部位受建筑自身及周围设施的遮挡，并应满足太阳能集热器有不少于4h日照时数的要求。比如在建筑设计时为争取更多的采光面积，平面往往凹凸不规则，容易造成建筑自身对阳光的遮挡，尤其对于L型、凵型的平面，要注意自身的遮挡。当在平屋面上安装较大面积的太阳能集热器时要考虑影响相邻建筑的日照标准问题。(3)应使建筑造型优美有序。在保证建筑功能需求的前提下，应尽量安排好集热器的位置。集热器安装在坡屋面时，坡屋面上集热器摆放位置应综合考虑立面比例；集热器安装在外墙面时，应调整集热器与墙面的比例，并将集热器与墙面外装饰材料的色彩、分格有机结合，处理好集热器与周围墙面、外窗的分块关系。(4)应充分考虑使太阳能设施与建筑有机融合。如在阳台上安装时，阳台的防护栏板可由太阳能集热器构成，又如利用太阳能设施可完全取代或部分取代屋顶覆盖层，以减少成本，提高效益。贮热水箱和相关设备可放置在建筑楼梯间顶部的设备间中或坡屋顶的夹层中，贮热水箱布置在室内，减少连接管道热损耗。采用各种手段使太阳能热水器与建筑有机结合，减少太阳能热水系统对城市景观所造成的影响，相反使建筑造型别有一种科技成分，提升建筑品质。(5)应考虑为太阳能热水系统提供安全的安装、检修条件，对安装太阳能集热器的部位采取防护措施，应设置防止太阳能集热器损坏后部件坠落伤人的安全防护设施。对安装在墙面、阳台或挑檐等部位的太阳能集热器，可采取设置挑檐、入口处设雨篷或进行绿化种植等使人不易靠近的技术措施。(6)构造要求：太阳能集热器无论安装在平屋面、坡屋面、阳台、外墙面，均应与预埋件连接牢固，并采取防水构造措施；设置在外墙面的集热器支架必要时在预埋件处增设钢筋混凝土构造柱，支架和预埋件应满足防腐要求。太阳能集热器与贮热水箱相连的管道需穿过屋面时，应在屋面预埋防水套管，并对其与屋面相接处进行防水密封处理。防水套管应在屋面防水层施工前埋设完毕。

结构设计的要求

(1)建筑的主体结构或结构构件及连接件应能够承受太阳能热水系统产生的荷载和作用，并满足安全性和耐久性要求。太阳能热水系统结构设计应考虑重力荷载、风荷载和地震作用效应。(2)太阳能热水系统的结构设计应包含太阳能热水系统安装埋设预埋件或其他连接件。连接件与主体结构的锚固承载力设计值应大于连接件本身的承载力设计值。(3)安装在屋面、阳台、墙体的太阳能集热器与建筑主体结构宜采用预埋件连接，有条件时预埋件应在钢筋混凝土主体结构施工时预埋，位置准确；当无条件采用预埋件连接时，应采用其他可靠的连接措施，并通过试验确定其承载力。3.5给水排水设计的要求(1)太阳能热水系统的管道应有组织布置，做到安全、隐蔽、易于检修。竖向管线宜布置在竖向管道井中。(2)坡屋面上集热器冷热水管应与给水管道同步设计，以管道最短、阻力最小为原则布设。

太阳能热水系统在商业居住区规划设计中一体化应用工程案例

某多层商业居住区，由于开发商的积极探索与实践，在居住区概念设计阶段即提出应用太阳能热水系统并配套一系列的营销策划，在居住区规划与建筑设计中，经过与太阳能企业及建筑设计院的大力配合，有效地设计施工预留，合理配合，集热器安装在屋顶，与建筑物同步设计、同步安装，管路系统与建筑物同步设计、同步安装。实现了太阳能和建筑完美结合，实现了太阳能热水系统与建筑一体化。再配合媒体的积极宣传，取得了良好销售业绩，在太阳能利用上取得了可喜成绩。

系统介绍

采用“集中集热-分户贮水-分户使用”的太阳能热水系统，即在楼顶倾斜屋面上安装一套太阳能集热器，每户设置安装一个贮热水箱，贮热水箱集中放置于建筑楼顶的平屋顶和坡屋面之间的夹层内，贮热水箱具有不锈钢盘管换热器换热功能和辅助加热功能，太阳能集热器与贮热水箱内安装的不锈钢盘管换热器，通过管路连通，形成一个循环回路，通过换热方式，将每户贮热水箱内的水加热；贮热水箱的冷水上水由各户的冷水管补入，贮热水箱内的辅助电加热用电也由各户分别接线，用户直接使用自家的水和电，不需要物业另行收取太阳能水费和电费等。

系统特点

整栋建筑一套太阳能，可以实现太阳能热能资源共享；太阳能集热器可根据建筑结构灵活布局，可以实现与建筑相协调；各用户使用自家水箱里的热水和辅助能源，不存在收费问题；太阳能系统的造价成本低；太阳能只有一个系统，运行可靠；楼面太阳能可由物业负责维护管理。

建筑一体化设计

建筑屋顶为平屋顶，在平屋顶上采用覆盖式钢结构框架支撑集热板。集热板在这里既是太阳能集热器，又作为建筑物的坡屋顶，具有围护作用。集热板多个并联，通过设计组成有韵律的排列，并通过螺栓与屋面钢架龙骨固定。贮热水箱集中放置于平屋顶和集热板坡屋面之间的夹层内。坡屋顶设计为南面半坡式，屋顶造型层次丰富，平屋顶还可供人们休闲之用。

建筑构造与结构设计

屋顶钢架支柱距离由房屋内部承重墙的间距决定，在承重墙位置设突出屋面的混凝土短柱(短柱出屋面部分做保温设计)，柱顶预埋铁件与上部钢结构集热板支架焊接，短柱伸出屋面防水层200mm。结构设计时应注意加上太阳能部件的荷载。

系统设计说明

太阳能系统采用温差自动循环，既充分利用太阳能，又运行合理。系统采用水作为传热介质，系统管理维修方便，并且太阳能系统采用自动补水控制，管理简单。用户水箱的温度、水位等参数一目了然，用户灵活设置水温、水位；按需启动电辅助加热，操作灵活、方便。防冻采用温控自动控制方式，按需防冻，并优先启动循环防冻方式，间接利用了太阳能热量，而后启动电伴热带，尽可能降低防冻运行成本。

系统安全设计

(1)承重：建筑设计充分考虑并预留了太阳能系统设备的承重，保证了建筑的承重安全。(2)防风：太阳能集热器安装在建筑屋顶预留的钢结构基础上，支架与屋面坚固连接。(3)防水：太阳能集热器支架底脚为屋顶预留钢结构基础，屋顶施工即预留了基础，所以太阳能安装不会破坏屋面防水。(4)防漏电：采用可靠接地及漏电开关保护双重保护，系统设置等电位连接地线。

本文作者：李思丽作者单位：河南建筑职业技术学院