高层建筑太阳能热水系统方案选型的比较

摘　要: 　就目前各地区，高层建筑的类型以及样式一样，导致高层建筑在选择太阳能热水系统时，会产生不同的方案。针对高层住宅的特点，从管理和技术层面分析了我国高层住宅太阳能热水应用中存在的问题。通过高层住宅太阳能热水系统工程应用实例的分析,认为高层住宅太阳能热水系统,可分别采用集中供热水系统、集中-分散供热水系统和分散供热水系统三种类型中的任一种,或其中两种类型结合使用,并就其太阳能热水系统的选型提出建议。

关键词：　太阳能热水系统　高层住宅 类型选用 方案选型

一、引言

我国已进入城镇化快速发展时期，每年建筑面积达到20 亿㎡，今后至少要增加300 亿㎡的建筑面积才能满足人口增长和城镇化的需要。过去30 年全国城镇化水平每提高1%需新增能耗6000 万吨标煤。如果城镇化的发展模式不及时向低碳生态绿色转型，将使我国城镇化过程成为资源环境过度消耗的过程，严重制约和影响我国经济社会的可持续发展。目前，随着能源形势越趋紧张和生态环境日益恶化，许多国家都把利用绿色、可再生的太阳能作为应对能源危机和环境问题的重要方法。由于我国住宅建筑的能源消耗在社会总能耗中占有相当大的比例，且还有逐年扩大的趋势，因此，将太阳能有效地应用到住宅建筑中，是缓解当前我国能源压力、实现可持续发展的重要途径。太阳能是未来人类最适合、最安全、最理想的替代能源目前，太阳能利用转化率约为10% ～ 12%，太阳能的开发利用潜力十分巨大．太阳能热水器是太阳能利用最有效、最便捷的方式之一，在住宅建筑安装太阳能热水系统是今后发展的一种必然趋势。

二、高层住宅的定义及特点

根据GB50352《民用建筑设计通则》及GB50096#8212;1999《住宅设计规范》中的条文规定：10 层及10 层以上为高层住宅，100 米以上为超高层建筑。而新的GB50096#8212;2011《住宅设计规范》对建筑层数的定义进行了修订，不再出现”高层住宅”及”中高层住宅”的词。目前，10 层及以上100 米以下的高层住宅已成为大中城市开发商的流产品，本文的”高层住宅”还沿用以前的称谓，泛指10 层及以上100 米以下的居住建筑。从住宅的户数来讲，高层住宅每层一般为2～8 户，以塔楼型式居多，其中也存在部分板式单元式住宅。

三、高层住宅太阳能热水系统类型选用实例

高层住宅(即10 层及以上的住宅) 因单元住户较多,所需太阳能集热器安装面积较大。如一栋12层高层住宅,每单元一梯两户,每户3 人,集热器面积按1 ㎡ / 人估算,则每单元共需集热器安装面积72 ㎡ 。因此,屋面面积能否满足集热器的布置要求需视工程的具体情况(如楼层数、屋面形式等) 而定,可以考虑将太阳能集热器集中设置在屋面(12层以下住宅) 或分散设置在南阳台栏板、卧室窗间墙处。根据集热与供热水范围可以分别采用集中供热水系统、集中-分散供热水系统和分散供热水系统。

四、太阳能热水器及热水系统应用现状

我国拥有丰富的太阳能资源，2/3以上地区的年太阳辐照量超过5000MJ/㎡，年日照时数在2200h以上，为太阳能的广泛利用提供了先决条 件。我国太阳能热水器技术发展也较为成熟，已经形成了各种类型的较完 整的产品体系。但是，不足的是在技术使用上还存在着标准缺失、产品质 量水平不一；国家对太阳能产业的政策支持力度不够；与建筑设计脱节等 问题，而后者是太阳能热水系统在我国推广的主要障碍。目前，太阳能热 水系统在中小城市和农村地区得到了广泛应用，但多为单机应用，而大中 城市的中高层住宅建筑中使用比较少。以上海为例，根据统计，居民目前主要供热水方式是燃煤气热水器，占总数77%，其次是电热水器占12%，太阳能热水器占10%。大都是单户供水方式，只有很少的高档住宅采用集中供热水方式，其中一部分由于未能与建筑整合设计，统一考虑，造成底层 日照时间不足，使用效果不理想。由此，太阳能热水系统在推广应用上具有广阔空间，在技术优化上有很多需要改进和努力的地方高层住宅因楼层多，住户数量大，屋顶面积相对较小等特点，对太阳能热水系统的安装有更高的要求。如果采用通常在底层和多层住宅上的安置方案，通常会出现以下两个问题: 一是用水端热水压和自来水供水水压相差很大，不易调节水温，严重影响正常使用; 二是热水由屋顶太阳能水箱传递到住户的过程中，由于管线过长热损失严重，易产生无效冷水，尤其对较低层用户影响较大。

五、住宅太阳能热水系统应用中存在的问题

1 太阳能热水器”视觉污染”

大量的”后装式”太阳能热水器,由于缺乏与建筑的一体化设计,往往对建筑外观或者整个小区美观形成视觉污染,而且对建筑结构、屋面防水等方面都会造成不利影响,业主安装太阳能热水器时遭遇物业管理公司、邻里等阻拦而引起的纠纷时有发生,甚至有些地方建设主管部门也曾无奈地颁布了对太阳能热水器的禁令。

2 热水供水品质低

太阳能热水器行业和建筑行业间协调不够,导致太阳能专业的要求与建筑给排水等专业的要求不相符合, 太阳能集热器与热水储水箱通过温差控制、强制循环对冷水作预加热。这给太阳能热水系统造成了先天不足,如供水不稳定、冷热水压力不平衡、控制混乱等,供应的热水品质不高。

3 节能效果不明显

由于设计不合理及运行管理不当等原因,系统节能效果不明显,达不到预期的经济效益,这也给太阳能热水系统的推广造成一定的阻力。

4 物业管理困难

对于集中集热、集中供热水的住宅太阳能热水系统,一方面,系统的产权归属难以明确,另一方面,在小区入住率不高或系统节能效果不明显等情况下,物业管理公司在对系统运行产生的费用进行分摊时,常常与业主产生纠纷,甚至有业主自行安装其他热源的家用热水器,拒绝使用太阳能热水系统,致使系统运行管理举步维艰,甚至陷于绝境。

以上问题,多数是由于太阳能热水系统在设计、施工上滞后于建筑的设计与施工造成的。甚至有些太阳能热水系统根本无专业设计,或在设计中对系统与建筑的整合、系统的运行管理模式等方面欠考虑。因此,解决这些问题的关键是太阳能热水系统与建筑”同步设计、同步施工”,根本上应从太阳能热水系统的设计入手。

六、太阳能热水器与住宅建筑一体化的主要内容

1 外观上的一体化

实现太阳能热水系统与建筑的完美结合，应根据建筑外形的特点合理选择和摆放太阳能集热器，使太阳能集热器成为住宅建筑的一部分，实现两者在颜色、造型、质感上协调与统一。

2 管路布局的一体化

应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，在建筑设计施工时，应事先设计留出所有管路布局和通路。

3 建筑结构上的一体化

住宅建筑的结构设计与施工，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、防水等功能不受影响，并充分考虑太阳能集热器承重、抗风雪冰雹等的能力。

4 太阳能系统管理的方便性

太阳能热水系统的运行和管理，应可靠、稳定、安全、易于安装、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。

七、高层住宅太阳能热水系统方案选型及整合设计基本原则

合理完善的太阳能热水系统，是太阳能集热系统与热水供应系统有机的结合。国家标准GB50364#8212;2005《民用建筑太阳能热水系统应用技术规范》，第4.1.5 规定：太阳能热水系统应满足安全、适用、经济、美观的要求，并便于安装、清洁、维护和局部更换。太阳能热水系统的设计选型及优化整合遵循以下几个原则。

1 节能性原则

优先充分利用太阳能，并努力提高太阳能在系统中的贡献率，减小辅助能源的使用。

2 安全性原则

最重要的原则，包括系统运行安全、结构设计安全、检修维护安全等几项，应满足建筑物安全防护功能和结构安全，内置加热系统必须有安全保护装置。

3 可靠性原则

应具有抗击各种自然条件的能力，其中包括应有可靠的防冻、防结露、防过热、防雷、抗雹、抗风、抗震等技术措施。

4 功能性原则

系统供应的热水应保证卫生的水质、充足的水量、适宜的水温、稳定的水压。核心部件的性能指标优良，使用方便，全自动化、智能化控制系统，先进、可靠。

5 美观性原则

实现热水器与建筑的完美结合,合理摆放，融入式设计，实现整体建筑风格的协调统一。

6 适配性原则

太阳能热水系统产品应事先标准化、系统化、通用化，管道配件、水箱的材质应与建筑给水管道相匹配。阳台、墙面等部位选用集热器，规格应与建筑模数相协调。

7 稳定性原则

太阳能产品及系统应具有高寿命、低故障率、便于维护管理等特性，主要部件正常使用寿命不少于15 年。在室外比较恶劣的环境下长期工作，应避免夏季过热、冬季结冰等问题造成部分太阳能设备瘫痪。

8 经济性原则

其初期投资尽量降低，运行费用需低于其他常规能源形式；性价比高。

9 维护管理方便性原则

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。高层住宅太阳能热水系统涉及政府、开发商、物业公司及住户等多方面的利益，而各个相关方关注点和诉求各不相同，作为投资方的房地产开发商，比较关注系统的安全性、功能性以及能否营造项目的卖点，以较高的性价比赢得回报。开发商应兼顾各方利益，进行技术经济分析，从太阳能和房地产两个行业的发展，尽可能满足以上原则来选择太阳能热水系统。

八、太阳能热水系统选择

建筑师必须根据项目的性质和具体条件，择优选择。考虑的问题如下：

(1)根据项目的热水使用要求和当地太阳能辐照强度选择太阳能热水系统。在上述3 种系统中进行预选。

(2)进行太阳能热水系统的经济性分析。对系统的设备成本、运行成本、预期的节能潜力进行生命周期内的经济分析，并与非太阳能热水系统比较，保证系统的经济可行；

(3)确定集热器在建筑上的安装位置。首先确定集热器的面积：规划和建筑方案设计阶段，建筑师可以自行估算，根据太阳能资源的情况，可按每户需要的面积估算集热板面积，或者请太阳能热水系统供应企业提供(施工图阶段必须由太阳能热水系统供应企业提供)。集热器的安装位置应避免遮挡、足够安全、便于安装与清洁维护，因为灰尘和杂物对系统效率的影响甚至可以达到50%。

(4)管网的布置应尽量缩短集热器和水箱的距离，减少热损失；提倡管道明装，便于检修。

(5)选择控制系统，确保日常运行的安全和稳定。

九、高层住宅太阳能热水系统发展展望

上个世纪后期，一些发达国家就出台了各种强制政策和鼓励措施，刺激太阳能热水系统在建筑上的安装，大大推进了太阳能热水系统的发展。在这些国家，太阳能热水器发展的方向几乎都定位在工程市场和承压系统上，重视太阳能与建筑的结合，而非单机市场，这无疑是太阳能热水系统城市化的未来趋势.我国城镇新建和既有高层住宅中普及推广太阳能热水系统，是实现我国节能减排国策、发展节能省地型住宅的重要途径。让所有居民拥有享用太阳能资源的平等权利，也是未来住宅建筑发展的方向。调查表明，采用太阳能供应热水符合我国居民生活方式和洗浴习惯，高层住宅屋顶及其部分墙面可安装集热器面积和集热量能够满足居民的热水需求。对于既有高层住宅（包括多层住宅），尤其是已具备集中生活热水供应系统的住区，采用集中集热、集中储热、集中辅助加热、分户计量系统，不但可以充分利用原来的热源、加热系统和热水供应系统，系统改造费用低，对住户的影响很小，而且由于入住率很高，运行费用低，热水费用会大规模下降，容易得到业主的积极响应，大大降低物业管理的难度。

就近期发展目标而言，对于新建高层住宅，采用以楼栋或单元为系统的集中集热、集中储热、户内辅助加热、分户计量的太阳能热水系统较为合适，它避免了由于入住率低所产生的运行费用高的问题。对于用户而言，由于能够直接了解热水系统的显现成本（用水量和循环所发生的电费（公共计量并分摊）和系统管理费很容易理解，所以推广的难度小。

从生活热水供应角度，采用集中生活热水系统具有更高的舒适度，而且对室内平面布局和卫生间面积和空间的要求低。而从长期发展目标看，将热水热源甚至输送能源从单能源供给发展成为太阳能和辅助热源的双能源供给系统，具有集中能源系统的经济性和独立能源系统的安全性，是高层住宅太阳能热水系统的发展方向。

目前，许多高层住宅应用墙面（阳台型）集热器的户式太阳能热水系统，这也是一种适宜的解决方案。集热器不但要满足作为建筑组件必须满足的建筑安全要求，日常检修的安全便捷要求，还要满足心理健康要求，并努力提高系统的得热量。

在现在的技术和经济水平下，任何解决方案都有其适应性。需要建筑业和太阳能业界的共同努力，中国太阳能热利用水平一定会提高到一个新的高度，

十、结语

为了大力发展循环经济, 建设节约型社会, 应当加快包括太阳能在内的可再生能源在建筑中的应用和发展。在住宅建筑上安装太阳能热水系统是今后发展的必然趋势, 这项事业应引起全社会的重视。国家计委、国家科委、原国家经贸委制订的《1996 一2010 年新能源和可再生能源发展纲要》和1998 年1月1 日实施的《中华人民共和国节约能源法》中明确提出了” 国家鼓励开发利用新能源和可再生能源”要求联合国能源机构曾发布调查报告, 认为太阳能#8212;建筑一体化将成为21世纪市场的一个热点, 太阳能建筑业将是21世纪最重要的新兴产业之一。太阳能热水系统与住宅建筑的整合设计，就是将太阳能热水系统产品 。作为建筑构件安装，使其与建筑有机结合，不仅是外观、形式上的结合，更重要的是技术质量上的结合。住宅太阳能热水系统虽然已经取得了可喜的成绩, 但由于各种原因的限制并未得到完全的普及, 这就需要政府部门的大力扶持和设计者的共同努力。从设计标准上重视和解决整合问题，这是太阳能热水系统在建筑领域得到广泛应用，促进太阳能产业快速发展的关键。

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一、 题目

鑫合雅苑7号住宅楼建筑给排水设计

二、工程概况

本次设计对象是鑫合雅苑7号住宅楼建筑共11层，地下1层。主体为住宅楼,一二层为商场，其余为住宅楼。设计内容有建筑给水系统、排水系统、雨水系统、消防系统及污水处理系统。市政供水管网提供水压为0.25Mpa。

三、设计依据

（1）建筑给排水设计规范GB50015(2003年版)

（2）建筑设计防火规范GB50016 (2006年版)

（3）高层建筑防火设计规范GB50045－95 (2001年版)

（4）给排水制图标准GB/T50106-2001

（5）自动喷水灭火系统设计规范GB50084-2001 (2005年版)

（6）建筑灭火器配置标准GB50140-2005

（7）各有关文件及各工程提供的资料，包括各层平面图、总平面图。

四、设计内容

本设计范围：室内外给水、排水。

本设计内容：包括室外给排水管网综合，室内生活给水系统、排水系统、消火栓系统、自动喷水灭火系统。

五、参考文献

（1）《建筑灭火器配置设计规范》（GB50140#8212;2005）

（2）《建筑给排水设计规范》（GB50015-2003）

（3）《给水排水设计手册》第二册和第五册

（4）《自动喷水灭火系统设计规范》（GB50084-2001）

（5）《高层民用建筑设计防火规范》（GB50045-95）

（6）《建筑设计防火规范》（GB50016-2006）

（7）《给水排水制图标准》（GBJ106-2001）

（8）《全国民用建筑工程设计技术措施#8212;#8212;给水排水》

（9）《全国通用给水排水标准图集》

六、系统选择

1.给水系统

该设计建筑为高层居住住宅，共11层，地下1层，主体为住宅楼，且住户拥有100%产权。市政供水管网提供水压为0.25Mpa。集热器的位置位于屋顶，楼层高，但是高层住宅由于屋顶面积不足和立面日照的限制，多层建筑集中式太阳能热水系统设计中, 集热器的排列方式是设计中关键问题之一如果想100%的用户安装太阳能热水系统，单一系统型式是很难全部解决的，目前，较好的解决方式是选择屋顶紧凑式、分体壁挂式或集中-分散供热水系统这3 种类型中的2 种或3 种，经过技术经济分析后，组合成复合系统。

综合几种型式和特点，以及该建筑的特点，选择屋顶紧凑式 分体壁挂式的给水系统，有利于更好的满足用户的需求，且运行更稳定，维护更方便。

2．排水系统

高层建筑排水系统一般不分区，但有时为保证最低横支管至横干管的最小垂直距离，底层排水系统单独排出。同时依据建筑层数确定是否需要设置专用通气管、主通气管、副通气管或环形通气管。

本设计采用双立管排水系统，双立管排水系统由一根排水立管和一根专用通气立管组成。利用排水立管与另一根立管之间进行气流交换，避免形成气堵，影响排水的通畅。

3.雨水系统

（1）分区情况

雨水有檐沟外排水、天沟外排水和内排水三种。高层建筑采用内排水。雨水系统不分区，一排到底，雨水斗设置越高，越易排放。

（2）方案选择

高层建筑采用雨水内排水系统，部分屋顶水箱间或级别要求不高的建筑物的裙房可以采用檐沟外排水。最好选用单斗悬吊式排水。

4、消防给水：

（1）消火栓系统

由《高层民用建筑设计防火规范》表3.0.1知，该建筑为一类高层住宅建筑，建筑高度为38.10m，高层建筑必须设置室内、室外消火栓给水系统。室外消防用水量为20L/s，室内消火栓用水量为20 L/s，每根竖管的最小流量是10 L/s，每只水枪的最小流量是5 L/s。消火栓的栓口直径为65mm，水枪喷嘴口径为19mm，充实水柱取12m，最不利情况同一立管上同时出水三股水柱，消防立管管径为DN100。经核算采用临时高压消防给水系统，本设计采用消防水泵和屋顶水箱联合供水，消防水池设于地下室。室外消消防立管设置在楼梯间、管道井内，消火栓应该尽量靠近立管。室外给水管道布置成环状，设两根进水管，分别从两条市政给水管道引入，设置呈环状管网增加系统的安全性。

（2）自动喷淋系统：

新lt;lt;自喷规范gt;gt;规定: 管道直径应经水力计算确定。配水管道的布置, 应使配水管入口的压力均衡。轻危险级、中危险级场所中各配水管入口的压力均不宜大于0. 4MPa。

拟定两种方案：

①湿式自动喷水灭火系统

②预作用喷水灭火系统

方案比较

本工程为住宅楼建筑，共11层，地下1层。环境温度一般不低于4℃且不高于70℃，室内高度为2.9m，外墙保温选用的无机保温材料和岩棉保温板的燃烧性能为A级，不存在不能使用水灭火的材料。并且湿式自动喷水灭火系统结构简单，使用可靠，系统施工简单、灵活方便，灭火速度快、控火效率高，系统投资省，比较经济，适用范围广等等优势，比较适合于高层住宅建筑。

经综合考虑两方案的优缺点，本工程采用第一种方案湿式自动喷水灭火系统。均采用吊顶喷头，喷头布置一般为3.6m*3.6m正方形布置，距墙不大于1.8m，为定期进行安全检查，各层均设末端试压装置。