来源：北京九阳实业公司 孟庆峰 杨德山 北京市朝阳区花虎沟34号
摘要: 本文从实际工程项目的角度出发,着重介绍了全天候太阳热水系统与建筑一体化工程设计时相关节点的解决方案和系统设计计算过程。
关键词: 建筑一体化 平板集热器 防水系统
太阳能集热器的优越性早为人们所认同，已有多年使用，但在住宅建筑中都将其视为一种设备，支或挂附在建筑物的墙面、屋面上。其特立独行的模样影响了建筑的观瞻，以至于许多地区从整顿市容的角度出发，要求拆除群众自发安装的太阳能集热装置。为了解决好上述问题，既有效利用太阳能又美化建筑环境，这也是广大业内人士十分关注的问题。太阳能与建筑体一体化是太阳能健康发展的必游之路。国家发改委、建设部都在热情关注、支持这一事业的发展并相继在全国范围内建立了一批太阳能与建筑一体化试点工程项目，对这一事业的发展起到了协助的推动作用。
北京九阳实业公司和北京天鸿房地产开发有限责任集团公司联合承担的国家发改委、建设部太阳能与建筑一体化试点项目--北京项目，通过双方的密切配合，是项目本身达到非常好的效果，获得了国家发改委组织的外国专家组的一致好评。下面我们介绍一下我们在工程设计和实践中的一些基本思路和做法。
1、集热产品的选择 集热器产品主要有全玻璃真空管式、热管式和U型管式、平板式全玻璃真空管式，效率高，四季均可提供生活热水，但与平板式集热器相比，存在一定的安全隐患，即有可能发生爆管的问题。 热管式效率高，系统较成熟，无安全隐患，但对水质要求较高，造价高。 U型管式，热效率较高(与全玻璃真空管式相比稍低)，无安全隐患，但系统不够成熟，造价较高。 平板集热器整体性好，寿命长，故障少，安全隐患、成本造价低，由于采用排空防冻技术，从而很好的解决了平板集热器系统冬季不能使用的缺憾。同时平板集热器还具有以下优点： 1、 平板集热器无真空度要求，热性能稳定，整体性好，使用寿命长。 2、 平板集热器系统中，水或工质在金属流道内流动，不接触玻璃盖板，不会出现因骤冷、骤热引起暴管导致系统瘫痪。 3、 平板集热器可以实现紧凑式或无间隙安装，在生产热水的同时，还具有保温、隔热、遮光，防水的传统屋面功能，这就为取代部分或全部屋面构件提供了基础。 4、 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。 5、 平板集热器承压性能好，可使系统运行稳定。综上所述，平板式太阳能集热器，在工程中应用时，通过对产品的进一步改进，其整体性、故障、寿命、投资等方面具有更大的优势。
2、防水处理 根据太阳能平板集热器坡度要求，我们将其与坡屋面结合设计，嵌入南坡屋面并和瓦面相平，各种管线均为暗装（表面设可拆开挡板）与瓦屋面浑然一体。这种设计方案决定屋面防水成为技术关键。既要保证安装又要排水顺畅不漏雨。为此我们在屋面土建设计方面选择了盆槽式汛水方式解决。汛水表面敷设“自粘防水卷材”（自愈合）满足了瓦面交搭和设备安装点的防水要求。 同时北京大气环境可吸入颗粒物较多，因此要经常对热板进行清洁维护。为方便人员在坡屋面上擦洗操作，设计中在屋脊处埋设钢管把杆（接入防雷系统）。在其上可钩挂软梯和人员安全带。太阳能集热板安装角度要求一般与北京纬度相同（40º）形成阁楼空间，本设计中加以利用，为顶层户型扩充了使用空间。本工程中使用的太阳能集热板有光滑平整的表面。将其嵌入斜屋面后，为人们司空见惯的形式增加了靓点，丰富了天际线。
3、 面集热器安装设计方案 在集热板与四周瓦的结合，及集热板之间的防水设计方面，我们采用了100%的结构防水设计方案。从而很好的解决了屋面防水的可靠性。
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4.热水系统设计
4.1按系统形式划分可分为： (1) 分户式系统; (2) 集中式系统。 分户式系统是最常见的系统形式，各家各户自成独立的系统，没有各户之间的流量分配问题，以及复杂的控制问题，安全隐患也比较好解决。但未考虑到各户之间使用的不平衡，不能够充分利用太阳能集热设施、对于整个小区来说系统规模庞大，利用率也较低，从而造价相对较高。 集中式系统，目前国内采用的工程较少，而且主要集中在宾馆、饭店等公共建筑，对于小区住宅尚无此范例。借鉴国内其他集中式太阳能系统实践经验，经计算论证，住宅小区集中利用太阳能解决生活热水问题是可行的。 集中式系统，相对于分户式系统，有显著节约初投资、运行维护方便，使太阳能集热系统可以得到充分利用等优势。本工程在常营404#楼设置集中式太阳能热水供应系统，
4.2 太阳能热水系统设计计算
4.2.1基本参数 (1) 用水人数 404#楼共有住户21户，每户以2.8人计，用水人数共计约59人。 (2) 用水定额(热水定额) 404#楼有集中热水供应和淋浴设备，每人每日用热水定额以60℃热水计算，取100L/人·d。 (3) 用水时间 24小时全日供应热水
4.2.2设计计算 (1) 设计小时耗热量的计算 式中： — 设计小时耗热量(W) — 用水人数 — 热水用水定额(L/人·d) — 水的比热， =4187(J/kg·℃) — 热水温度， =60(℃) — 冷水温度， =10(℃) — 热水密度(kg/L)， =0.983kg/L — 小时变化系数， ＝5.12 = 71951(W) (2) 设计小时热水量 式中： — 设计小时热水量(L/h) — 设计小时耗热量(W) — 设计热水温度(℃)， =55(℃) — 设计冷水温度(℃)， =10(℃) — 热水密度(kg/L)， =0.986(kg/L) = 1394.32(L/h) (3) 全日供应热水系统的热水循环流量 式中： — 全日供应热水的循环流量(L/h) — 配水管道的热损失(W)，取设计耗热量的5% — 配水管道的热水温度差(℃)，取5℃ = 615.6(L/h) (4) 热水供水管的设计秒流量q(L/s) 计算最大用水时卫生器具给水当量平均出流概率 式中： — 生活给水管道的最大用水时卫生器具给水当量 平均出流概率(%) — 最高热水用水定额 — 每户用水人数 — 热水小时变化系数 — 每户设置的卫生器具给水当量数 — 用水时数(h) — 一个卫生器具，给水当量的额定流量(L/s) ＝ 0.012% 查《建筑给水排水设计规范》(GB50015－2003)得系统热水供水管的设计秒流量为 =2.51(L/s)。
4.2.3 设备选取 (1) 蓄水箱对于太阳能热水系统，由于受自然条件(太阳辐射一天之内随时间变化)的限制，太阳能集热系统，不可能全天24小时满足设计小时用水量( )的要求。为满足使用要求，根据实际情况，考虑蓄热水箱水量、太阳能集热板的功率和用户用水量之间的关系，设计水箱容量为4.5个最大小时用水量( )，则必能满足用水量的要求。水箱的有效容积 ＝4.5 ≈6.5m3。 (2) 太阳能系统水泵选择： 1) P1泵（太阳能集热系统给水泵） P1泵的流量即为系统设计热水量 ＝1394.32（L/h）扬程考虑到位置高度，沿程损失，局部损失以及配水最不利点所需的流出水头，取 ＝0.25（MPa） 2) 热水系统循环泵循环流量 ＝615.6（L/h）水泵扬程，仅考虑循环水量通过配水管，回水管的水头损失，计算得： ＝0.10（MPa） 3) 系统给水变频泵组：给水系统采用变频装置：流量为热水供水管的设计秒流量 ＝2.51（L/s）扬程 ＝0.28（MPa） (3) 容积式热交换器 1) 加热面积容积式热交换器按系统最不利工况，即太阳能系统不工作时的条件确定。 式中： － 水加热器的加热面积（m2） － 制备热水所需的热量，即设计小时耗热量 (W) － 传热系统数（W/m2·℃）取K＝1500（W/m2·℃） ε － 由于水垢和热媒分布不均匀影响传热效率的系数，取ε＝0.8 － 热媒与加热水的计算温度差（℃） 、 － 热媒的初温和终温 、 － 被加热水的初温和终温 － 热水供应系统的热损失系数，取 ＝1.15 =1.84m2 2) 贮水容积容积式热交换器贮存保证系统用户45min设计小时耗热量，即 3) 热媒耗量 式中： — 热媒耗量 — 热水的比热，C=4187(j/kg·℃) 、 热媒的初温、终温 =0.79(kg/s)
4.3 太阳能集热板面积的确定 1) 方案一：按厂家提供的集热板产水量(春秋季产水量80L/m2·d)计算。考虑降低初投资的因素，选择集热板的面积时，其设计人均水量按75L/人·d标准，剩下不足部分由辅助热源满足。所以集热板日产水量应为4.5个最大小时热水用量( )的75%计，即4.5 ×0.75＝4705 L/d。需太阳能集热板的面积58.8m2，平板太阳能集热器(1.0m×2.0m×0.08m)的单板为2.0m2，故需太阳能集热板30片。 2) 按《太阳热水系统设计、安装及工程验收技术规范》 GB/T 18713－2002附录A计算。 — 直接系统集热器采光面积，m2 — 均用水量，5900kg — 水的定压比热容4.18 (KJ/kg·℃) — 储水箱内水的终止温度，50℃ — 水的初始温度，15℃ — 太阳台保证率50% — 当地春分或秋分所在地集热器受热面上月均辐照量，17900KJ/m2 — 集热器全日集热效率50% — 管道及储水箱热损失率20% ＝60m2 需平板太阳能集热器30片。 3) 通过上述两种方法的计算结果表明，本工程采用1.0×2.0×0.08m平板式太阳能集热器30片是适宜的。
4.4系统控制说明 1. 初始正常状态时，F1关、P1停、F2关、F3关、F4开。 2. 当水位H≥H1，T2＜Tmax，T1≥T2+△Tk时，P1启动循环加热至T1≤T2+△Tg时停。 3. 当水位H＜H1，T2≥Tmax，T1≥T2+△Tk时，F1开补水至H1时关，P1启动循环加热至T1≤T2+△Tg时停。 4. 当水位H2≤H＜H1，T2＜Tmax，T1≥T2+△Tk时，P1启动循环加热至T1≤T2+△Tg时停。 5. 当水位H＜H2，T2＜Tmax，T1≥T2+△Tk时，F1开补水至H2关，P1启动循环加热至T1≤T2+△Tg时停。 6. 当水位H＜H2，T1＜T2+△Tk时，F1开补水至H2关。 7. 当T3≤45℃时，F2开提供外网一次热水换热至T3≥55℃关。 8. 当太阳热水系统维修时，F3开、F4关提供外网二次热水。注：Tmax＝60℃，△Tk＝20℃，△Tg＝12℃。 H2水位保证系统用户45min的用水量。 H1水位保证系统用户4h用水量。容积式热交换器保证系统用户45min的设计小时耗热量。
通过本工程的设计，我们感到要真正做到太阳能与建筑一体化，没有房地产商、建筑设计院的参与其结果是不容乐观的。我们真诚希望有更多的房地产开发商、建筑设计院积极参与到这一行列中来，共同推动绿色能源运用的发展，开创我国建筑节能的美好未来！
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