随着环境的日益恶化以及建筑业的快速增长，建筑节能日益受到社会的广泛关注。绿色建筑的提出与大力推广，促进了城市大量高层建筑采用太阳能技术。本文从高层住宅中的公共建筑太阳能热水系统应用案例出发，以销售人员的角度分析太阳能热水系统与建筑相结合在设计和使用中需注意的几点问题。本文介绍了该项目中太阳能热水系统的选型及运行情况。项目优先使用太阳能，同时结合燃气热水器实现全天候稳定可靠的生活热水供应，但在运行当中出现了供热温度不满足使用要求的情况。这只是太阳能热水系统在高层住宅应用的一个例子，拿来与大家探讨，旨在交流学习，有不当之处还请批评指正。
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【经典案例】公共建筑太阳能热水系统应用案例分析
一、项目及系统概况
该项目为北京某高层住宅小区中的小型综合办公楼，采用集中集热、集中储热、集中供热的太阳能热水体统为办公楼24小时提供日常生活热水。
图1-1系统运行原理图
在2014年5月入住至今运行的这段时间里，太阳能热水系统经历了：入驻初期不热——5月份调试维修——6~9月份热水可用——10月份至今，无法提供37℃以上热水（热水使用温度详见《建筑给水排水设计规范》GB50015-2003，续表5.1.1-2）。冬季给员工洗手、保安洗浴、厨房洗菜带来不便。针对此问题，根据规范要求和热水使用情况进行原因分析。
二、热水系统的热源选择
办公楼（兼售楼处）热水需求：办公楼内工作人员白天洗手间的洗手盆热水，职工食堂的厨房洗涤盆用热水，员工宿舍的人员洗浴用热水。
根据现行《建筑给水排水设计规范》GB50015-2003，5.2条要求热源选择的优先顺序为：
优先——工业余热、废热、地热、太阳能（日照及辐射量充足地区）、空气源、地源、水源热泵；
其次——全年供应的热力管、区域锅炉房可提供的蒸汽或高温热水；
最后——燃气热水机组或电加热设备。
根据《居住建筑节能设计标准》DB11/891-2012，5.3.1条内容要求“当有其他热源可利用时，不应采用直接电加热作为生活热水系统的主体热源。”
本工程在太阳能热水系统确定之前，考虑选用地源热泵系统为本工程解决空调冷源和采暖热源，同时提供生活热水。并且进行了可行性分析汇报。由于地源热泵一口井的影响直径4米（占地16平），大概提供5kW热量，本工程冬季空调设计热负荷为420kW，需要84口井，考虑备用共需要90口井，至少占地1440m²。本工程无法提供这么大面积的空地，另外与现场施工组织也有冲突，会严重影响工期，综合考虑放弃地源热泵系统。
按上述规范要求和地源热泵系统的论证情况，得出结论：本工程生活热水系统热源采用太阳能结合燃气热水器为作为热源，满足规范要求，同时达到节能减排的目的。
三、太阳能热水系统设计相关要求
最高日设计热水量为2吨。夏季观察实际用水量最高日1.5吨左右。本项目所配置的水箱体积为3吨，可通过水位高低控制存水量，满足设计热水储存量要求。
现场安装集热器16块，每块2m²，共计32 m²。间接供水系统的日均产水量q=30L~70L/m²*d（详见《建筑给水排水设计规范》GB50015-2003，5.2A.4）条，本项目太阳能可产热水量为0.96吨~2.24吨，满足设计集热水量要求。
《建筑给水排水设计规范》GB50015-2003，公式5.4.2A-1里f太阳能保证率要求30%~80%；《太阳能集中热水系统选用与安装》06SS128第9页，北京地区太阳能保证率50%~60%；《居住建筑节能设计标准》DB11/891-2012，5.3.3条，间接提到太阳能保证率为0.5。本项目情况，从10月份上旬至今太阳能储热水箱温度未超过37℃，预计到4月份上旬之前储热水箱温度都无法超过37℃（共6个月）。估算太阳能保证率f=6个月/12个月=50%。实际情况在可用的6个月中预计有至少15%的天气情况不能满足太阳能集热使用要求，故实际太阳能保证率f=50%*（1-15%）=42.5%<50%。本项目太阳能系统实际应用保证率低于50%，不满足规范要求。
四、工程位置和太阳能集热器位置的确定
1.本工程设计方案确定时北京市尚未出台“关于太阳能热水系统”的强制性条文和规范。该楼盘5#楼与9#楼的间距符合建筑设计规范要求，因为本工程9#楼是公共建筑，规范上不考虑日照间距只考虑防火间距。同时规划指标和场地限制，为实现利益最大化，也无法给9#楼提供日照充足的位置，太阳能日照必然要作出牺牲。
2.太阳能设计初期就考虑5#楼对9#楼遮挡问题的影响，经过多种方案比较：如放在东侧的代征绿地内，代征绿地不属于我们的建设用地范围，工程竣工后随时可能会被要求拆除；放在其他楼屋顶集热管道过长，造价高，施工难度大，热损失大。最终太阳能集热器确定设置在9#楼的最北侧是一个折中的合理结果。
五、热损失与太阳辐照情况分析
参考《管道和设备保温、防结露及电伴热》22页，经计算该工程管道、储热水箱的总热损失Qs=Q1+Q2；其中：
Q1=Q室外+Q室内=65m*14W/m+96m*12.9W/m=2148W； 公式（2）
水箱热损失Q2=11.25*45.9W/m²=516W，Qs=Q1+Q2=2664W。 公式（3）
集热量Qj=32*50*0.98*（45-5）*4.187/7=37516kJ/h=10421W。 公式（4）
热损失率为η=2664/10421=26%，在规范规定值15%~30%范围内。 公式（5）
故热损失不是造成太阳能热水保证率低的原因。
根据实际观察日照情况和设计院做的日照分析图，可得知10月初至4月初，共6个月平均日照时间不超过4小时。太阳能集热器设计平均日照时间一般为6～8小时。故9#楼集热效果不好主要原因是平均日照时间不足导致太阳能保证率低于50%。日照不足是5#楼对9#楼太阳能集热器的日照遮挡照成的。
相关数据计算：
（1）集热器总面积：Ac= 16×2=32㎡。
（2）平板集热器效率：根据平板集热器效率曲线，得到在室外环境温度为0℃时，太阳辐照量为600w/㎡时，工质入口温度为40℃的集热器效率为0.42。集热器安装角度等于北京市纬度，由于冬季太阳在南半球，尤其是冬至日前后太阳达到南回归线，其高度角只有22.5度，这时太阳辐照量最小，根据测试的平板集热器入射角修正系数曲线，其修正系数为：0.95，这样太阳集热器的总效率为：η=0.42*0.95=0.399。
（3）根据观察上午11:08之后集热器就被遮挡一半，12：30之后就全部被遮挡。一天每平米集热器能得到的辐照量经计算约为6MJ。
表2：集热器日照情况统计
资料来源：笔者通过现场观察拍照所记录。
表3：太阳总能量及水温温升计算
资料来源：根据系统设计数据进行计算。
（4）整个管路系统还有120升防冻液需要加热，冬季夜间防冻液温度会降低到-10℃，需要先把它加热到50℃才能通过盘管来换热，这也需要一部分能量，因此表格中的数据还要进行修正。加热防冻液的比热容按2.49选取。其需要的能量为：Q=2.49*0.12*（50-（-10））=18MJ
表4：防冻液需要能量计算计及水温温升计算
资料来源：根据系统设计数据进行计算。
六、本项目太阳能保证率低于50%的原因分析
根据《建筑给水排水设计规范》GB50015-2003，公式5.4.2A-1：
1.其他值不变的情况下，集热面积越大保证率越高。本工程集热面积设计已经符合规范要求（详见前文的校核内容），故不是导致保证率低的原因。
2.其他值不变的情况下，热损失越小保证率越高。热损失有可能是照成保证率低的原因。
3.其他值不变的情况下，水量越小保证率越高。本工程水量设计上已经符合规范要求（详见前文的校核内容），而且水量可调，故不是导致保证率低的原因。
4.其他值不变的情况下，太阳辐照量越大保证率越高。太阳辐照量人为因素无法控制，有可能是照成保证率低的原因。
七、热水系统不热问题总结
太阳能热水无法保证100%的热水供应。太阳能热水系统保证率做到50%已符合规范要求（本工程因日照遮挡原因，太阳能保证率实际未能达到50%），同时太阳能本身不能作为热水系统的主体热源。
根据规范要求和工程实际情况，9#楼的主体热源采用容积式商用燃气热水器。燃气热水器与太阳能热水系统一起安装完毕，但至今尚未通燃气，不能正式投入使用。经与燃气热水器厂家沟通，称不能采用“罐装液化气”作为临时气源，因气体净度和燃烧值不同，对燃气热水器寿命影响很大，控制上也容易出问题。
在工程部组织总包、精装单位、太阳能厂家一起进行系统排查调试过程中，发现地下一层南侧冷热水支管在试压过程连接到一起，试压完成后未及时拆除，导致冷水串到热水管中降低了水温；卫生间洗手感应水龙头下方的混合阀开启度有问题。这两个问题是我们入驻初期的5月份热水不热的主要原因，直到6月份才逐步得到解决。但是曾发现地下一层公共卫生间的女卫拖布池水龙头经过长时间放水后能流出热水（应该是冷水），存在冷热水串水可能，此问题提出后至今未得到有效解决。
物业未设专人管理太阳能系统，热水使用人员不了解系统运行情况，经过厂家培训后解决了食堂用热水和保安晚上洗澡用热水的矛盾。但工程建设过程中，经常出现断电、跳闸等情况，使用人员也不能及时有效进行解决。因无专人负责管理，储热水箱的水位调节不及时，因燃气热水器未启用，随着日照变化和用水情况变化，太阳能集热器能收集的热量变少后应及时调低最高水位，降低储水量来提升水温。
问题总结：当太阳能热水系统不能保证热水供应时，燃气未通是热水系统温度不能保持恒定的主要原因。
八、解决问题的建议
根据系统运行要求，为满足设计供水温度，主体热源尚未正常投入使用时供水温度不能保持恒定的一大因素，因此建议：尽快组织燃气施工单位通过验收，保证9#楼正式通燃气，以满足燃气热水器用气正常。
通燃气后组织太阳能厂家再次运行调试，调试合格后交付物业单位，设专人管理。燃气使用场所均需有专人负责管理，每天巡查至少包括锅炉机房和厨房
经现场排查发现地下一层公共卫生间女卫拖布池放出热水的问题，应由总包单位对供水管路进行查清并及时解决冷热水串水问题。
九、总结
通过对该项目太阳能热水系统的应用案例分析，得出以下结论：
1.应国家节能减排政策要求，太阳能热水系统的应用是一个长期重要的趋势，是房地产开发商和太阳能厂家不可回避的问题，对此不能排斥，要积极面对。
2.太阳能的应用的确能取得比较明显的节能效果（系统不同，节能30%~60%），只是在住宅领域推广较晚，系统应用和收费各方面目前存在居民接受度低的问题，可参考的成功案例不多，还需努力探索实践，寻找最合理可行的系统和运行收费办法。
3.经过本工程太阳能热水系统实施，对太阳能热水系统应用效果有了直观感受，尤其是日照因素对太阳能集热效果的影响。在以后的设计中需要重点关注，使太阳能利用率更高，效果更好。
十、致谢
在工程建设与运行过程中，得到了岳效龙、窦建清、刘小龙，任广东、王佑强的大力支持。非常感谢大家在工作上的认真和极其负责任的态度，在此表示衷心的感谢。
来源：《中国太阳能工程》杂志（微信ID: zgtyngc ）作者：北京华腾恒业机电工程有限公司太阳能事业部/刘晓凤
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