鄧 飛，曹芳魁，任 軍，李紅彥，吳 敵，李 歡

（1.河北科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，河北石家莊 050018；2.河北科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，河北石家莊 050018；3.河北省教育考試院，河北石家莊 050091）

太陽能作為可再生清潔能源，在中國被逐漸推廣使用，尤其是太陽能光熱轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，其具有安裝工藝簡單，技術(shù)成熟性高，使用成本低廉等特點(diǎn)，被廣泛用于家庭熱水供應(yīng)中。為了鼓勵使用太陽能光熱系統(tǒng)，執(zhí)行國家節(jié)能減排政策，截止2013年底，中國已經(jīng)有多個省、市、自治區(qū)出臺了《強(qiáng)制性太陽能光熱系統(tǒng)安裝應(yīng)用規(guī)定》等規(guī)范性政策文件，主要內(nèi)容是：12層以下的中低層居住型建筑強(qiáng)制安裝應(yīng)用太陽能光熱系統(tǒng)，并與建筑進(jìn)行一體化設(shè)計與施工、同步驗收、同步交付使用；對于12層以上的高層建筑，逐步試點(diǎn)和推廣應(yīng)用太陽能光熱系統(tǒng)。因此，太陽能光熱系統(tǒng)具有非常廣泛的推廣應(yīng)用空間。

盡管太陽能光熱系統(tǒng)無論從國家政策層面上，還是從用戶的使用認(rèn)知度上都得到支持和肯定，但是，近幾年的相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)卻表明，在大中城市中，太陽能熱水轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的使用率呈下降趨勢，主要原因如下。

1）受土地出讓成本和建筑成本高漲的限制，大中城市中的居住型建筑越蓋越高，目前以18—34層高層建筑為主，12 層以下的低層建筑已經(jīng)很少見到，而12層以上的建筑，太陽能光熱系統(tǒng)只是鼓勵安裝，而不是強(qiáng)制性安裝。

2）目前市場上尚沒有完善而成熟的高層建筑太陽能光熱系統(tǒng)應(yīng)用方案。在一些高層住宅的試點(diǎn)安裝過程中，由于沒有規(guī)范的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)施工藝，造成系統(tǒng)使用效果欠佳；或者由于個別業(yè)主對系統(tǒng)的不理解、不接受，使系統(tǒng)的安裝進(jìn)度受挫，有時甚至影響了建筑的施工周期，造成開發(fā)商對于安裝應(yīng)用太陽能光熱系統(tǒng)不太熱心。因此，如果要在高層建筑中大規(guī)模推廣使用太陽能光熱系統(tǒng)，必須開發(fā)設(shè)計一種實(shí)施工藝合理、安裝和使用成本低廉、操作簡單易用、便于用戶接受的科學(xué)規(guī)范型系統(tǒng)［1－2］。

1 目前高層住宅應(yīng)用太陽能光熱系統(tǒng)特點(diǎn)分析

通過對太陽能生產(chǎn)廠家的技術(shù)生產(chǎn)調(diào)研和市場應(yīng)用調(diào)研可知，目前中國的各類住宅建筑應(yīng)用太陽能光熱系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)。

1）目前太陽能光熱系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于12層以下的建筑中，主要采用的是分戶式太陽能熱水交換系統(tǒng)：每戶業(yè)主將系統(tǒng)主水箱安裝在樓頂上，各戶系統(tǒng)之間單獨(dú)控制，互不相連［3］。而每棟高層建筑內(nèi)業(yè)主數(shù)量是中低層建筑內(nèi)業(yè)主的幾倍，高層建筑的樓頂面積無法為每戶業(yè)主提供足夠的分戶式太陽能熱水系統(tǒng)安裝空間；目前有一種陽臺外墻壁掛式太陽能熱水系統(tǒng)被部分高層建筑使用，但是這種系統(tǒng)安裝難度較高、影響樓體外觀、外掛設(shè)備在惡劣天氣情況下容易發(fā)生掉落事故、明裝管道影響室內(nèi)裝飾效果，并且換熱效果受高層建筑樓間距的影響很大，因此此種系統(tǒng)沒有廣泛推廣，甚至在很多地方被禁止安裝［4］。

2）分戶式太陽能光熱系統(tǒng)的安裝方式比較適合中低層建筑安裝，而對于高層建筑，即使樓頂面積夠用，如果采用分戶式安裝方式，上、下水管道安裝數(shù)量太多，配置與維護(hù)非常復(fù)雜繁瑣，造成系統(tǒng)不穩(wěn)定，故障率偏高，用戶使用不方便［5］。

目前，有一種利用太陽能光熱系統(tǒng)集中供熱水設(shè)計方案，主要實(shí)施方案是：在樓頂安裝一個大型儲水箱，集中供水，統(tǒng)一換熱，分戶供水。這種系統(tǒng)從原理上非常適合高層建筑應(yīng)用，但是在實(shí)施過程中，出現(xiàn)了一些問題影響了系統(tǒng)的廣泛推廣。

1）受儲水箱的加工尺寸、運(yùn)輸條件以及安裝環(huán)境限制，儲水箱的容積相對整棟高層業(yè)主數(shù)量而言蓄水量偏小，換熱效率和蓄水量難以達(dá)到日常所需。

2）缺乏簡捷實(shí)用的二次輔熱裝置和合理的分戶使用及計費(fèi)方案，在使用過程中經(jīng)常會因為個別業(yè)主的不配合而造成系統(tǒng)的癱瘓停用。

3）單儲水箱供水結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài)較脆弱，一旦出現(xiàn)故障，需要整個供水系統(tǒng)全部停用后方能維修，因此系統(tǒng)的穩(wěn)定性較差［6－7］。

2 高層住宅太陽能光熱系統(tǒng)應(yīng)用的創(chuàng)新開發(fā)

通過以上分析可知，如果在高層住宅建筑上應(yīng)用推廣太陽能光熱系統(tǒng)，必須滿足以下條件：系統(tǒng)自動控制運(yùn)行；高效的光熱交換系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以及充足的熱水供應(yīng)量；合理的分戶使用和計費(fèi)方案；具有二次輔熱功能并且輔熱成本合理；熱交換系統(tǒng)工作穩(wěn)定且易于維護(hù)維修等?；谝陨夏康?，設(shè)計了一種高效、簡捷、實(shí)用的高層住宅太陽能集中供熱水式光熱交換系統(tǒng)。

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計與工作原理

高層住宅太陽能光熱交換系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，具體實(shí)施方式為根據(jù)高層建筑的樓頂實(shí)際結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在樓頂平面上布置擺放多個支架，在每個支架上安裝一個分水箱，分水箱之間靠連接管串聯(lián)連通，形成串聯(lián)水箱組；太陽能集熱板固定在每個分水箱下側(cè)的支架上，換熱端伸入分水箱內(nèi)，與分水箱內(nèi)的水形成熱交換；串聯(lián)水箱組的第1個分水箱通過進(jìn)水管和自來水管網(wǎng)連接，最后一個分水箱連接出水管，出水管主管道沿高層建筑樓體垂直延伸到最低一層；在高層建筑每層位置，從出水管主管道上均引出入戶水管，每根入戶水管上安裝水表，入戶水管的另一端連接每戶家用熱水器的進(jìn)入口；出水管主管道的最下端連接循環(huán)水泵的進(jìn)水管，與循環(huán)水泵出水管連接的排水管和自來水管網(wǎng)連接；在串聯(lián)水箱組的最后一個水箱內(nèi)，安裝一個水箱溫度傳感器，在出水管的最下端管內(nèi)，安裝一個熱水管溫度傳感器。

主要工作原理是：自來水通過進(jìn)水管和連接管依次流入各個分水箱，在太陽光照射下，太陽能集熱板和分水箱內(nèi)的水進(jìn)行熱交換，將水加熱，熱水通過出水管和入戶水管流入各層用戶家中的家用熱水器中供用戶使用。

圖1 高層建筑太陽能光熱系統(tǒng)原理圖Fig.1 Schematic diagram of the solar－thermal systems on high－rise residence

2.2 關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新與解析

2.2.1 傳統(tǒng)水箱與串聯(lián)式水箱對比

設(shè)計應(yīng)用串聯(lián)式水箱組不但實(shí)現(xiàn)了熱水儲量的充裕，而且保證了熱水的高效利用和系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。高層住宅應(yīng)用太陽能光熱系統(tǒng)，熱水供應(yīng)量充裕是系統(tǒng)應(yīng)用的前提。傳統(tǒng)應(yīng)用中，是在高層建筑的樓頂安裝一個大水箱進(jìn)行儲水，這種結(jié)構(gòu)盡管簡單，但是在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)具有以下弊端：首先，因為高層建筑結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和運(yùn)輸方式的原因，很難將超大水箱運(yùn)輸?shù)綐琼?，如果在樓頂現(xiàn)場加工組裝超大水箱，水箱的加工質(zhì)量很難保證，并且單獨(dú)水箱的儲水量也難以保證日常供應(yīng)量。其次，單獨(dú)水箱在供水過程中，是依靠進(jìn)水管的水壓將水箱內(nèi)的熱水從出水管中排出，在這個過程中，進(jìn)水管內(nèi)的冷水流入水箱后迅速和水箱內(nèi)熱水形成對流傳熱，使水箱內(nèi)的水溫下降較快，出水管流出的熱水溫度也會下降較快，造成熱水利用率較低。再次，如果對水箱進(jìn)行維護(hù)或維修，必須斷開全套系統(tǒng)才能操作，造成系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性較差。而應(yīng)用圖1所示的串聯(lián)式水箱組，具有如下優(yōu)點(diǎn)：首先，分水箱的擺放位置和數(shù)量，可以根據(jù)樓頂結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及全樓業(yè)主用水量來確定，多個分水箱的設(shè)計能夠保證充足的供水量，并且每個分水箱的容積不必加工的太大，完全可以在專業(yè)工廠一體成型制造完成后，運(yùn)輸?shù)綐琼敯惭b，質(zhì)量穩(wěn)定性好。串聯(lián)水箱組在樓頂?shù)臄[放方案如圖2所示，串聯(lián)水箱組的各個分水箱根據(jù)樓頂?shù)膶?shí)際結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行按需擺放，充分保證儲水量。其次，在用水循環(huán)過程中，自來水通過進(jìn)水管注入串聯(lián)水箱組的第1個分水箱，注入的冷水僅在第1個分水箱內(nèi)與熱水形成對流傳熱，其他分水箱內(nèi)的熱水在依分水箱次序流動過程中，水溫差距不大，不存在快速對流降溫的問題，只有當(dāng)?shù)? 個分水箱被冷水注滿，才會在第2 個分水箱產(chǎn)生快速對流降溫，冷水依次序流過，可以保證各個分水箱內(nèi)熱水的利用率很高［8］。再次，應(yīng)用串聯(lián)式水箱結(jié)構(gòu)，當(dāng)某個分水箱或某段管路出現(xiàn)故障時，可以用一根備用連接管將發(fā)生故障的部件繞開，單獨(dú)維修出現(xiàn)故障的部件而不會影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行，從而保證系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠［9］。

圖2 串聯(lián)水箱組樓頂擺放示意圖Fig.2 Schematic of cascade tank group on the roof

2.2.2 漸高式支架排列組合保證光熱轉(zhuǎn)換效果

對于太陽光光熱轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，太陽能集熱板2受陽光照射時間越長，光熱轉(zhuǎn)化率越高。對于多行排列的串聯(lián)水箱組，在夏天，太陽光直射太陽能集熱板，各排各列集熱板和分水箱之間均能達(dá)到較理想的光熱轉(zhuǎn)化率，但是在春、秋、冬3 個季節(jié)，隨著太陽斜射角度加大，如果各排分水箱等高擺放，處于后排的太陽能集熱板經(jīng)常被前排的水箱遮擋，光熱轉(zhuǎn)換率會不太理想，因此，如圖3所示，設(shè)計了一種漸高式多排支架，依南北方向?qū)⒎炙浜吞柲芗療岚逯鹋盘Ц撸固柟庖荒晁募揪艹浞终丈涞教柲芗療岚?，以獲得理想的光熱轉(zhuǎn)化率。

圖3 漸高式支架結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic diagram of getting high－style bracket

2.2.3 分戶式二次輔熱與計量結(jié)構(gòu)保證系統(tǒng)全天候的使用效果

高層住宅應(yīng)用太陽能光熱轉(zhuǎn)換系統(tǒng)還有2個問題需要解決：首先，在連續(xù)陰雨雪天氣，水箱內(nèi)的水溫?zé)o法達(dá)到使用條件時，如何進(jìn)行二次輔熱。其次，本系統(tǒng)在使用過程中，產(chǎn)生的運(yùn)行成本如何進(jìn)行分戶計量。對于第1個問題，解決方案有集中式二次輔熱和分戶式二次輔熱2種方式待選，集中式二次輔熱需要建立單獨(dú)的輔熱室，并且輔熱費(fèi)用均攤給各戶業(yè)主，因此這種方式經(jīng)常會因為費(fèi)用承擔(dān)問題引發(fā)一些業(yè)主的抵觸，造成系統(tǒng)因欠費(fèi)而無法運(yùn)行?；诖?，設(shè)計了一種獨(dú)特的分戶式二次輔熱方案，通過入戶水管9和出水管7將分水箱4中的熱水直接引入家用熱水器8中，并且在每根入戶水管上安裝水表，這樣，當(dāng)分水箱內(nèi)水溫在可用范圍內(nèi)時，家用熱水器僅僅起到水流通道作用；當(dāng)分水箱水溫低于可用溫度時，依靠家用熱水器自身的加熱功能對入戶溫水進(jìn)行輔熱，此時入戶水管中的水溫盡管沒有達(dá)到額定溫度，但是這個水溫一般也高于自來水管內(nèi)水溫，因此這個輔熱過程相對于直接用熱水器加熱自來水也減少了能源消耗，這個輔熱過程消耗的是業(yè)主自家的能源，因此二次輔熱的能耗直接進(jìn)行了分戶計量。而每根入戶水管上安裝的水表也實(shí)現(xiàn)了對用水量的分戶計量。對于所有用戶來說，實(shí)現(xiàn)了“多用多支出，少用少支出，不用沒支出”，因此使用成本的分戶計量問題也得到了解決，這種分戶計量方案公平公正，業(yè)主之間不會產(chǎn)生糾紛，保證了系統(tǒng)應(yīng)用的可操作性。

2.2.4 出水管熱水自動循環(huán)控制裝置實(shí)現(xiàn)熱水即用即得

在熱水供應(yīng)過程中，出水管7是熱水輸送部件，對于高層建筑而言，熱水的輸送距離很長，需要從樓頂輸送到最低層，盡管出水管采用了保溫措施，但是對于水暖管道而言，保溫效果要遜于水箱保溫，因此，出水管中的熱水如果較長時間不流動，管中的熱水溫度會逐漸降低，如果業(yè)主使用熱水，尤其是中低層業(yè)主，在打開水閥門后獲得水箱內(nèi)的熱水之前，需要花費(fèi)較長時間排出出水管內(nèi)溫度較低的冷水，這個過程既浪費(fèi)水，又給用戶造成了不便。因此，設(shè)計了一套出水管熱水自動循環(huán)裝置，讓出水管內(nèi)的水緩慢循環(huán)流動，從而使出水管內(nèi)的水溫保持在額定溫度范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)各層用戶打開水閥門，即刻流出熱水。其工作原理為出水管11的最下端連接循環(huán)水泵12的進(jìn)水口，循環(huán)水泵的出水管連接排水管13，排水管的另一端連接自來水供水管，在出水管的下端管內(nèi)，安裝一個熱水管溫度傳感器11，可以隨時感應(yīng)出水管下端內(nèi)部水溫，循環(huán)水泵的啟、停依靠熱水管溫度傳感器的信號控制，當(dāng)熱水管溫度傳感器感應(yīng)到出水管下端水溫低于額度值時，啟動水泵工作，吸出出水管內(nèi)的水，通過排水管將水回流到自來水供水管中；當(dāng)熱水管溫度傳感器感應(yīng)到的水溫達(dá)到額定值時，水泵停止工作，此時出水管內(nèi)的水溫都在額度值以上。為了防止在連續(xù)惡劣天氣狀態(tài)下，各分水箱內(nèi)的水溫均在額定值以下時可能會出現(xiàn)水無限循環(huán)的現(xiàn)象發(fā)生，在串聯(lián)水箱組的最后一個分水箱內(nèi)，安裝一個水箱溫度傳感器6，設(shè)定當(dāng)這個分水箱內(nèi)的水溫低于額定值時，即使出水管內(nèi)水溫低于額定值，也不啟動水泵工作。因為在串聯(lián)水箱組的各個分水箱內(nèi)，最后一個分水箱內(nèi)的水溫應(yīng)該是最高的，如果最后一個分水箱內(nèi)的水溫低于額定值，其他水箱內(nèi)的水溫也肯定低于額定值［10］。以上裝置使出水管內(nèi)的水溫能夠保持在額定值內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)各層用戶熱水即用即得。由于出水管具有保溫處理，因此其內(nèi)部水循環(huán)是很緩慢的；出水管內(nèi)的存水量相對于串聯(lián)水箱組的儲水量是非常少的，因此不會造成大量熱水的流失；以上自動循環(huán)過程是間歇性的，工作頻率很低，因此電力消耗也很低；而通過循環(huán)水泵排出的低溫水又回流到自來水供水管中，不會造成水資源浪費(fèi)［11］。

3 系統(tǒng)應(yīng)用可行性分析

3.1 技術(shù)應(yīng)用可行性

開發(fā)應(yīng)用本系統(tǒng)主要是進(jìn)行了供水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)創(chuàng)新和分戶計量思路創(chuàng)新，涉及的主要技術(shù)內(nèi)容包括保溫、光熱交換和自動控制等均是穩(wěn)定的成熟技術(shù)，完全可以實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化生產(chǎn)，大規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn)能夠保證系統(tǒng)在應(yīng)用過程中的穩(wěn)定性、可靠性和通用性，這是系統(tǒng)大規(guī)模推廣的基礎(chǔ)。

3.2 新建高層建筑初始安裝可行性

新建高層建筑安裝本系統(tǒng)，僅涉及高層建筑的樓頂建筑結(jié)構(gòu)是否適宜支架及分水箱的擺放安裝、進(jìn)水管的如何連通和出水管如何入戶等。通過調(diào)研高層建筑的樓頂發(fā)現(xiàn)，盡管樓頂有電梯間、通風(fēng)道和煙道等設(shè)施存在，但是樓頂可放置支架的空置面積占樓頂總面積的80%左右，樓頂擺放足夠數(shù)量的水箱完全沒有問題；支架結(jié)構(gòu)安裝設(shè)置在承重框架梁上，不會對樓體造成太大的壓力負(fù)擔(dān)，并且通過優(yōu)化支架結(jié)構(gòu)和擺放位置，不會影響人員在樓頂?shù)耐ㄐ校桓鞣N建筑的進(jìn)水管通常布置到了最頂一層，因此，連接本系統(tǒng)的進(jìn)水管只需要從高層建筑的頂層連接即可；對于住宅用戶，往往使用熱水的地點(diǎn)在衛(wèi)生間內(nèi)，而在高層建筑的同一單元，垂直方向上同一戶型的衛(wèi)生間位置是一致的［8－9］，只需貫穿一根頂樓到底樓衛(wèi)生間的通管即可實(shí)現(xiàn)出水管的分戶供水功能，在各戶衛(wèi)生間內(nèi)的出水管上引出裝有水表的入戶水管，家用熱水器由業(yè)主自主安裝。因此，對于新建高層建筑非常適合與建筑構(gòu)造一起同步安裝［12］。

3.3 已住高層建筑改造安裝可行性

對于已投入使用的高層建筑，在安裝出水管時，有的業(yè)主不希望在已裝修好的衛(wèi)生間頂部打孔，因此個別業(yè)主的不配合往往會阻礙整套系統(tǒng)的順利實(shí)施。通過調(diào)研高層建筑的建筑構(gòu)造特點(diǎn)可知，對于居住型高層建筑，各戶型的衛(wèi)生間在設(shè)計時均是明窗設(shè)計，因此，在衛(wèi)生間的窗外，均有一個自樓頂?shù)綐堑椎陌疾蹣?gòu)造，凹槽大體位置如圖2所示，由此，可以將出水管安裝在衛(wèi)生間窗外的凹槽內(nèi)，入戶支管從衛(wèi)生間側(cè)墻打孔穿入，其他安裝內(nèi)容同新建高層建筑相同。這樣，即使有不愿安裝的業(yè)主也不會對整套系統(tǒng)的安裝造成阻礙［13］。因此，本系統(tǒng)也適合對已投入使用的高層建筑進(jìn)行改造性安裝。

3.4 經(jīng)濟(jì)可行性分析

高層建筑安裝太陽能光熱系統(tǒng)，主要涉及的經(jīng)濟(jì)成本包括：系統(tǒng)初始安裝成本和運(yùn)行成本，就本系統(tǒng)涉及的各部件而言，主要安裝成本集中在支架、分水箱和太陽能集熱板的投資，而家用熱水器屬于各戶自備設(shè)備，不計入成本，因此，在蓄水量一定的情況下，高層建筑樓層越多，各用戶平均分?jǐn)偝杀驹降?。以一?0 層建筑為基準(zhǔn)統(tǒng)計對象（1個單元，每層3戶，共90戶業(yè)主單位，平均每戶日熱水用量120L），計算表明，如果單純使用電熱水器，每戶每天的燒水電費(fèi)支出在2.5元左右，每年的燒水電費(fèi)總支出是900元左右。而應(yīng)用本系統(tǒng)，安裝建造總成本9萬元左右，每戶平均成本1 000元左右，每戶業(yè)主應(yīng)用本系統(tǒng)1年左右，節(jié)省的電費(fèi)即可收回投資，并且是一次投資，長期使用。而對于系統(tǒng)運(yùn)行成本，采用成熟工業(yè)技術(shù)可以保證系統(tǒng)工作過程全自動、運(yùn)行穩(wěn)定性高、基本不需要人工干預(yù)，并且公平公正的分戶計量結(jié)構(gòu)使每個用戶都能自覺合理地使用和愛護(hù)本系統(tǒng)，因此維護(hù)和管理成本也極低；本系統(tǒng)在正常使用過程中，唯一的公共運(yùn)行費(fèi)用是循環(huán)水泵間歇式運(yùn)行所消耗的電力支出，初步計算表明，循環(huán)水泵每天電力消耗量不超過1kW·h，公共電費(fèi)負(fù)擔(dān)非常低。由此，本系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性良好［14－15］。

4 結(jié) 語

本系統(tǒng)通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化創(chuàng)新以及設(shè)計合理的分戶應(yīng)用方案，能夠有效解決高層住宅應(yīng)用太陽能光熱系統(tǒng)的瓶頸問題，整套系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、實(shí)施成本低廉、操作簡便，節(jié)能效果顯著，具有非常好的市場推廣前景。

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