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上海太阳能热水系统住宅应用调研和分析
【摘 要】 基于上海太阳能热水系统建筑应用的政策、标准,分析中高层住宅及宿舍、酒店与医院等公共建筑、别墅等低层建筑、太阳能幕墙与太阳能热泵热水系统的应用情况.特别是在调研了4个区的15个多层住宅和别墅小区,共4 066户人家的基础上,详细分析了住宅建筑太阳能热水系统的应用情况,并提出上海太阳能热水系统下一步发展的思考和建议.
【关键词】太阳能热水系统；住宅；光热建筑；节能；应用
【Abstract】 Based on the policies and standards for the application of solar water heating systems in buildings in Shanghai, the application of systems in high-rise residential buildings such as housing, dormitories, hotels and hospitals; low-rise buildings such as villas, solar curtain walls and solar heat pump hot water systems and other public buildings are analyzed. In particular, after investigating 15 multi-storey and villa sub-communities in 4 districts, a total of 4066 households, the application of solar water heating systems in residential buildings is analyzed in detail and the thinking and advice for the next stage development of Shanghai solar water heating system are proposed.
【Keywords】 solar water heating system, housing, solar heating building, energy sing, application
0 引言
太阳能使用清洁、分布广泛,是最重要的可再生能源之一和社会后续能源.在各类太阳能利用技术中,太阳能热水器作为建筑生活热水的热源,是应用规模最大、最成熟的技术之一.据统计,生活热水能耗占建筑总能耗的10%～20%[1],具有非常大的节能潜力.
根据2013年对光热建筑应用项目的抽样调查数据显示[2],92%的项目使用热水系统,1%的项目使用采暖系统,6%的项目采取热水系统与采暖系统相结合的方式,1%的项目采取热水、采暖及空调系统三者相结合的方式（图1）.可见,热水系统占绝对的主导地位,且由于采暖系统主要是利用太阳能产生的热水供暖,通常将采暖系统与热水系统一起使用.
目前,我国已经成为世界上最大的太阳能热水器生产和销售国,其生产能力和应用规模都处于世界首位.根据中国太阳能热利用产业联盟发布的《中国太阳能热利用行业运行状况报告》,中国占全球太阳能集热器的安装保有量超过70%.太阳能热水系统与建筑的结合,不仅让住户家庭生活得更自然更环保,而且节能减排,对实现社会可持续发展具有重大意义.
1 上海太阳能热水系统发展的政策和标准
近年来,上海地区的太阳能年辐射量平均值为
4 200～4 700MJ/m2,年日照时间近2 000h,按照太阳能资源带划分,上海在我国属三类地区,具有开发利用太阳能的资源条件.
（1）上海早在2005年就开始组织可再生能源在建筑领域的科研、技术攻关和标准规范制定工作.“十一五”期间,先后发布并实施了《上海市民用建筑太阳能应用技术规程（热水系统分册）》（DGJ 08—2004A—2006）、《民用建筑太阳能系统应用图集（热水系统分册）》（DBJT 08—110A—2008）、《既有民用建筑能效评估标准》（DG/TJ 08—2036—2008）等标准.
（2）根据太阳能热水系统建筑应用的实施情况,上海又及时完善相关标准、政策,先后发布实施了《关于进一步推进本市民用建筑太阳能热水系统应用的通知》（沪建建管〔2013〕48号）、《关于印发〈上海市民用建筑太阳能热水系统应用推广技术目录（2014-2015年）〉的通知》（沪建市管〔2014〕38号）、《关于公布上海市太阳能热水系统与建筑一体化应用适宜技术的通知》（沪建市管〔2017〕51号）.太阳能热水系统评价和验收也根据应用情况在新版的《建筑能效标识技术标准》（DG/TJ 08—2078—2014）和《上海市建筑节能工程施工质量验收规程》（DGJ 08—113—2017）中进行了相应的修订和增加.这些标准的出台,为上海可再生能源与建筑一体化应用提供了技术保障.
（3）2011年开始实施的《上海市建筑节能条例》中明确规定：“本市鼓励发展太阳能、地热能、风能、生物质能等可再生能源与建筑一体化应用研究、示范和推广.新建有热水系统设计要求的公共建筑或者6层以下住宅,建设单位应当统一设计并安装符合相关标准的太阳能热水系统.鼓励7层以上住宅设计并安装太阳能热水系统.”
（4）为进一步加大对太阳能热水系统建筑应用的推进力度,上海又先后发布了三轮建筑节能扶持政策,分别是《上海市建筑节能项目专项扶持暂行办法》（沪建交联〔2009〕816号）、《上海市建筑节能项目专项扶持办法》（沪发改环资〔2012〕088号）和《上海市建筑节能和绿色建筑示范项目专项扶持办法》（沪建材联〔2016〕432号）,重点将太阳能、浅层地热能等可再生能源与建筑一体化的居住建筑或公共建筑作为示范的项目之一,明确了可再生能源建筑应用的技术要求.上海对可再生能源与建筑一体化应用的政策支持,调动了参与各方的积极性.
2 上海太阳能热水系统应用情况
上海地区人口众多,建筑分布密集,生活热水的需求量很高.在上海新建住宅中,8层以上住宅占新建居住面积比例的70%以上.因此,在选用太阳能热水系统的时候,需考虑高楼安全性、防风性能、美观、屋顶面积占用、所有权等一系列的问题.针对上海中高层建筑较多的特点,上海的太阳能热水系统主要采用分体式、集中式和集分式这几种形式.
为了实现稳定供热,多能互补的太阳能热水系统发展迅速.太阳能热水系统的辅助热源形式也呈现多样化,产生了与传统电加热、燃气加热、热泵等加热方式耦合的太阳能热水系统.这些热水系统在保证用户使用舒适性的情况下,尽可能地多节约传统能源.
2.1 中高层住宅及宿舍
中高层住宅及宿舍一般采用3类太阳能热水系统,即：集中集热－集中储热太阳能热水系统、集中集热－分户储热的太阳能热水系统和分体式太阳能热水系统.
2.1.1 屋顶面积充足
对于屋顶面积充足的建筑,集热器通常布置于屋顶,水箱放置于屋顶、地下室或者阳台.由于集热器、水箱等设备都铺设在屋顶,所以从楼下往上看,对建筑美观性基本无影响,特别适合既有建筑改造项目.
（1）某住宅项目采用太阳能集中集热－分户水箱系统,多户共享集热系统,提高太阳能集热器阵列的使用效率,每户一套独立的承压式储热水箱,不存在水量计量问题,方便管理（图2）.
（2）某大学宿舍项目采用太阳能集中集热—集中供热系统,辅助能源为空气源热泵,为学生提供洗浴热水（图3）.
2.1.2 屋顶面积不足
对于屋顶面积不足的高层建筑,则采用阳台壁挂式.集热器固定在用户阳台位置,水箱放置于阳台承重墙.此时,对集热器放置的要求,除了满足风载等荷载外,还要避免因集热器的安装而对楼下住户采光造成的影响.
如某住宅项目的阳台壁挂式太阳能热水系统,主要采用分体式太阳能热水系统.其主要部件为CPC太阳能集热器、控制器以及储热水箱；系统集热器面积约为3.4m2,水箱容积150L.系统采用电加热作为辅助热源,整合在系统储热水箱中.太阳能集热器内嵌在住宅的阳台,倾角75°,与建筑有机的结合在一起,保证了建筑的美观以及安全性（图4）.
图5所示为该系统的储热水箱、循环泵、膨胀水箱等设备的现场图片.由于在建筑设计初期就考虑到太阳能热水系统的加入,预留了该处作为水箱以及相关设备的安置点,隐蔽了大型水箱,确保了阳台的使用面积,使其与建筑较好地结合在一起.该太阳能热水系统的建筑一体化程度高,系统性能良好.
2.1.3 建筑构件型集热蓄热太阳能热水系统
与建筑结合比较好的项目,还有建筑构件型集热蓄热太阳能热水系统.该系统主要组成部分为建筑构件型集热蓄热太阳能集热器.这种集热器将集热器与水箱有机结合在一起,节约了使用空间（图6）；且水箱与真空集热管合二为一,太阳能辐射直接被水箱吸收,减少了热水循环过程中的热损耗,提高了效率.
该系统与建筑结合的形式比较多样,建筑一体化效果较好.如图7所示的项目中,将该太阳能热水系统安装于建筑外墙,与建筑墙面融为一体,不占用室内面积,且与墙面平行,较为美观.
2.2 酒店、医院等公共建筑
公共建筑一般要求24h用水,大多采用集中集热、集中储热、集中供热太阳能热水系统,与建筑的结合除了采用上文提到的中高层住宅和宿舍屋面布置集热器方法外,还可在屋面铺设钢架结构,将集热器固定在钢架结构上.
（1）某酒店的太阳能热水系统项目,由于屋面上有空调、消防设备、通风设备和管道等,因此,太阳能集热器和设备位置需根据现场条件进行合理设计布置.利用现有基础进行生根焊接,在槽钢铺设完成后,继续在上面焊接集热器支架,将集热器安装在支架上（图8）.
（2）某医院太阳能热水供应系统,采用集中集热、集中供热系统,定温出水和温差强制循环,充分利用太阳能资源,减少污染,为医护人员及病人提供充足的医疗及生活用水（图9）.
2.3 别墅等低层建筑
一般别墅等低层建筑采用的太阳能热水系统多为分体式,即水箱和集热器分开放置.在设计时,一般将集热器布置于南向屋面,水箱放置于楼下阳台或其他隐性位置；同时,集热器边框等颜色尽可能与建筑屋面主色调保持一致,以保持美观和谐.
例如,某低层建筑项目的分体式平板型太阳能热水系统,采用分体式平板型太阳能集热器.集热器布置于屋面,倾角与屋面坡度一致（图10）.
2.4 太阳能幕墙
除了上述的常规的建筑一体化结合方式外,光热幕墙是一种新的理念,即用高效平板集热器代替部分建筑材料,作为建筑幕墙的一部分,不仅具有美观、遮风挡雨的功能,还能在保证集热器本身作用的基础上,节省部分建筑材料.
图11为上海某高校建造的太阳房.它采用平板集热器做屋面和南向墙面构建,替代了传统屋面和墙体材料,不仅可以起到常规围护结构的功能（热工性能好于传统墙体）,还能产生热水供建筑使用.
2.5 太阳能热泵热水系统
近年来发展较快的还有太阳能热泵热水系统.其特点是采用直膨式热泵工作原理,将热泵蒸发器与太阳能集热器合二为一,具有安全性好、供热稳定、节点效益显著等突出特点,特别是用于高层住宅,建筑结合安全可靠.
如图12所示的某小区应用的太阳能热泵热水系统,采用蒸发/集热板替代空调栏板,与建筑外观协调,供热效果较好.
3 上海太阳能热水系统住宅应用情况
相对于公共建筑,居住建筑应用太阳能热水系统更为广泛.为了充分了解《上海市建筑节能条例》实施后,太阳能热水系统在上海住宅中的应用情况,笔者所在的调研小组,对太阳能热水应用较广的上海郊区,共4个区、15个多层住宅和别墅小区的4 066户太阳能热水系统项目进行了调研,以充分了解太阳能热水系统住宅应用效果.具体调研内容包括：太阳能热水系统类型、太阳能集热器产品形式、太阳能热水系统建筑一体化结合情况、辅助热源使用状况、使用效果用户调查等情况.
3.1 太阳能热水系统类型
目前,住宅使用的太阳能热水系统主要形式包括：紧凑式、分体式、集中集热分户储热式（集分式）和集中集热集中供热（集中式）四类.
本次调研发现,紧凑式太阳能热水系统的使用数量最多,占全部用户的47.3%；分体式太阳能热水系统次之,占比41.1%；集分式占全部用户的11.6%.同时,在此次调研范围内,尚没有项目采用集中式太阳能热水系统的形式.
3.2 太阳能集热器
目前,应用于太阳能热水系统的太阳能集热器主要为真空管集热器与平板集热器.真空管集热器具有热效率高,抗冻性强,保温效果好等优点；而平板集热器外形美观,易与建筑结合,安装方便,安全可靠.在本次调研中,这两种集热器均有使用,其中,有1 924户采用了真空管集热器,占总调研数量的47.3%,数量略低于采用平板集热器的2 142户（52.7%）.
对于真空管集热器来说,大部分用户（共5个小区的1 388户）集热器安装倾角为30°或45°.其中,有3个小区1 100户为30°；2个小区288户为45°.另外,也有少部分用户（1个小区536户）为了使太阳能集热器与建筑结合后更加美观,集热器的倾斜角度较小（20°）.
对于使用平板集热器的用户来说,由于部分平板集热器与建筑的结合方式为阳台壁挂式,集热器的倾斜角度较大.其中,包括2个小区96户居民集热器倾斜角度约为75°；1个小区24户居民集热器倾斜角度约为70°；还有1个小区60户屋顶安装的平板集热器由于屋顶的结构,倾斜角度约为50°.除此之外,大部分用户（1 686户居民）的平板集热器倾斜角度在30～45°之间；另外,还有少部分（1个小区276户）平板集热器的倾斜角度为15°.
另外,在本次调研中,除了1个小区的64户居民由于建筑本身的结构原因,其采用的真空管集热器朝向为西南方向,其他所有小区住户的太阳能集热器朝向均为南向.
3.3 太阳能热水系统建筑结合方式
一般地,太阳能热水系统与建筑结合方式有屋顶支架、嵌入屋面、阳台壁挂式以及墙面壁挂式等.在本次调研中,仅出现了屋顶支架和阳台壁挂式两种方式.其中,共有3 946户的太阳能热水系统采用了屋顶支架方式,占总调研数量的98.5%,远大于采用阳台壁挂的120户.这主要是因为屋顶的太阳能辐射更好,且部分紧凑式太阳能热水系统只能安装于屋顶.但是,与屋顶支架方式相比,尤其是与水平屋顶的屋顶支架方式相比,阳台壁挂方式（平板集热器）能使集热器与建筑更好的结合,采用阳台壁挂方式的建筑均比采用屋顶支架方式的建筑物更加整齐美观.
3.4 辅助热源情况
对4个区共4 066户居民的太阳能热水系统辅助热源的使用情况进行了统计调研,发现以电加热作为太阳能热水系统辅助热源的使用数量为2 849户,占全部用户的70.1%,其余29.9%的太阳能热水系统均未安装任何型式的辅助热源.
在已安装辅助热源的用户中,89.5%的太阳能热水系统辅助热源的启动方式为自动启动,实现了无人值守的自动控制.剩余10.5%的用户仍以手动启动辅助热源为主.从总体上来说,太阳能热水系统辅助热源的启动方式已基本实现了无人值守下的自动启动.
4 上海太阳能热水系统下一步发展的思考
4.1 太阳能热水系统与辅助热源选择多样化
太阳能本身是一种不稳定和不持续的能源,在使用过程中有一定的局限性,天气和季节变化的影响非常显著.因此,太阳能热水系统需要有系统化的理念,与合适的辅助热源相结合,通过整个系统为建筑及用户提供热水.目前,广大设计部门和个人用户都已认识到太阳能与辅助热源结合的重要性,基本上每个项目都配有辅助热源,且部分用户还会自行添加更为稳定的热源.
与太阳能相结合的辅助热源可以有很多种,除了电加热以外,还可以通过燃气加热,空气源热泵加热等其他手段对生活用水进行加热,以达到特定的使用效果.例如,利用燃气加热可以更快地输出热水,而利用空气源热泵可以更为高效地利用电能.事实上,越来越多的太阳能热水系统建筑结合应用项目在辅助热源的选择方面更加多样化,如与燃气结合、与热泵结合等.未来太阳能热水应用,除了经济性以外,应更多地从舒适度和安全性等方面考虑.
4.2 进一步完善和优化太阳能产品
太阳能热水系统主要由集热器、水箱、控制器、循环管路、保温结构、水泵和控制器组成.太阳能产品的质量直接影响系统运行效果,表现在集热效率的高低、生产热水稳定性等方面.
从集分太阳能系统反映的问题来看,该太阳能系统技术不能保证热量按需分配,收费机制也存在不合理性,容易对用户的使用体验产生负面影响；另外,部分分体式太阳能热水系统管线太长,没有辅助热源,都是不合理的技术方案.
此外,还存在太阳能系统中,部件使用寿命不同的问题.如太阳能集热器一般要求10～15年寿命,而水箱一般5～10年,一些阀门、密封件更是易损件,需要定期保养维护.
因此,需进一步完善和优化太阳能产品,提出并制定相关产品和系统参数的指标和技术要求,严控太阳能热水系统的产品和技术,以保证太阳能建筑结合热水应用的良性发展.
4.3 加强前期规划和太阳能建筑一体化设计
太阳能热水系统主要分为两部分,第一部分即太阳能集热系统本身,而另一部分则是辅助热源系统.这两部分都与建筑前期规划和太阳能热水系统建筑一体化设计有着密不可分的关系.
若想让太阳能集热系统与建筑更为合理、美观地结合在一起,集热器和水箱放置的位置也更为合理,则在建筑设计初期,就应与太阳能热水系统的厂家或者设计人员共同参与设计.此次调研中,在设计初期就考虑到加入太阳能热水系统的小区,无论在美观度还是在使用效果上,相较于后期加装的太阳能热水系统小区,都有很大的优势.
5 结语
太阳能热水系统方案的合理设计、与建筑的有机结合及运行维护,是影响太阳能热水系统效果的关键.太阳能热水系统与建筑结合的规模应用,在上海有很大的发展潜力和节能空间.只要继续严格控制产品和技术门槛,不断提高建设单位利用可再生能源的意识,上海的太阳能热水系统建筑应用工作,在与城市建筑结合,更可靠、更舒适地实现生活热水节能方面,会继续引领全国.
参考文献：
[1]王珊珊,郝斌,彭琛.居民生活热水使用情况调研与分析[J].建设科技, 2016(16).
[2]陈红兵,李强,陈希琳,等.集中式太阳能热水系统的性能研究[J].可再生能源, 2017(04).
（收稿日期：2018-03-16）
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