图三：“集分式”太阳能热水系统板换式原理图

由上图可见，采用板式换热器或容积式换热器的系统，减少了水箱储热升温的过程，使得集热器获得的热量第一时间就能够用于户内换热水箱的换热，这样的设计有几个优点：

1、减少了储热水箱需要提升水温至一定的温度后才开始户内水箱换热的过程，从每日的换热过程来说，采用换热器的方式延长了户内换热时间，从而使换热效果更优。

2、对于阴雨天或者日照时长低于平均日照时长的日子，采用换热器的方式可以使得有限的热量充分被利用，避免了图一中储热水箱温度未达到换热所需温度导致控制系统无法启动换热水泵，从而使得系统无法将原本可利用的热量传递给用户，造成能源的浪费。

3、从控制系统的原理的设计原理上来看，太阳能集热循环的温差循环也直接带动换热循环，省去了户内换热的温差比较和控制元器件的数量，系统性价比更高，系统安全、稳定性也更好。

4、采用换热器的系统设计可以有效的隔断太阳能循环和户内换热循环两种换热介质，从而使得两种循环可以使用不同的换热介质，这样的设计对于北方四季气候变化比较明显的地区特别重要。例如在天津，采用换热器的系统，太阳能循环一侧采用防冻液循环，保证冬季防冻效果；而户内换热一侧采用水循环，避免了循环介质泄漏造成的环境污染和对人身健康的威胁。

“集中集热-分户供热”太阳能热水系统的理论计算

太阳能集热部分设计计算，见GB50364中直接系统的公式：

具体各个参数的取值，这里不再繁述，需要注意的是：

1. 日均用水量，通常计算都以户内换热水箱的总容积作为日均用水量来考虑，但是对于储热水（或落水水箱）而言，储热水箱内的水虽然没有被用掉，但是这些水每日都被提升加热，而且在系统完成每日的循环换热后仍有很大一部分热量无法释放出去，设计计算时必须考虑该部分水量，否则会造成系统实际效果明显低于设计效果。

2. 贮水箱和管路的热损失率取值，对于“集散式”这种大系统，循环管路要远远大于一般的太阳能系统，因此，系统热损失率应该考虑按照最大值计取，取值过低会造成系统达不到设计要求。

分户换热部分的计算可以依据GB50364中间接加热系统的太阳能集热器面积的计算公式计算：

间接加热系统的计算公式对于储热水箱的系统可以套用，但是对于换热器形式的系统的计算就明显不适合，这是因为间接加热系统的计算只适合二次换热系统，而采用换热器的太阳能热水“集分式”系统属于三次换热系统，即太阳能至换热器为一次换热，换热器至户内水箱为二次换热，户内换热水箱至自来水为三次换热，这三次换热过程的结果通过间接系统的一次计算很难保证其结果更准确有效。

虽然GB50364所给出的这个公式并不适用于“集分式”系统，其中的参数也不是完全适合“集分式”系统，但目前没有更加适合的标准规范和相关公式，行业内暂时依据这个公式作为参考。在此也希望更多的太阳能从业人员能参与“集分式”系统的探讨、研究，更早的提出合适的理论计算方法。

“集中集热-分户供热”系统的适用范围

“集分式系统”适用的范围主要是针对高层、小高层的建筑，根据建筑结构的划分规范规定：1~3层为低层（习惯上1层住宅建筑叫平房，2~3层的称为低层住宅）、4~6层为多层、7~9层为中高层（习惯上4~7层称为多层住宅；8~11层称为小高层住宅）、10层及以上为高层（通常12层以上才称为高层住宅）、总高度为100米以上为超高层。如果建筑层高为3米/层来计算话，超高层建筑的层数在33层以上。

从目前房地产开发商所推广的项目层数上来看，6-30层的住宅项目居多，1~5层的项目基本集中在别墅、联排洋房等相对高档的住宅，对于这些项目，一般建议选择家用太阳能热水器或分体式太阳能热水器，而“集分式”太阳能系统重点解决的是6-30层住宅项目使用太阳能热水系统的问题。

6层以下的多层普通住宅建筑，选择家用单体太阳能热水器（包括阳台壁挂式太阳能热水器）更加适合。对于6层以上9层以下的住宅项目，“集分式”太阳能热水系统常常因性价比不合适而被开发商拒绝，在这里推荐一种“集散式”太阳能热水系统—— “集散式”太阳能热水系统是将太阳能换热水箱串联在太阳能循环系统的回水管路上而组成的单组水泵循环系统，如下图：

图四：“集散式”太阳能热水系统原理图

“集散式”太阳能热水系统是一次循环系统，其与“集分式”系统最大的不同就是其储热水箱、循环水泵等系统组件是设置在建筑的低层或底层，“集散式”太阳能热水系统由一组水泵完成集热循环和换热循环的前提条件就是两个循环循环系统的流量和扬程要基本一致。

首先计算两个循环的流量：假定“集散式”太阳能热水系统的集热面积为每户1.75平米，可以计算出太阳能集热器所需要的循环流量；而户内换热水箱的换热循环流量通过实验得出最佳的换热流量为100L/h，按此数据计算出户内换热水箱所需要的循环流量，见下表：

表二：“集散式“太阳能热水系统循环流量计算表

说明：

1、太阳能集热循环流量依据《民用建筑太阳能热水系统工程技术手册（第二版）》，（郑瑞澄主编，化学工业出版社2005出版），真空管型太阳能集热器可以按照0.015~0.02L/(s·m2)进行估算，平板型太阳能集热器可以按照0.02L/( s·m2)进行估算。

2、户内换热水箱循环流量数据来自北京市太阳能研究所集团有限公司针对本公司产品所做的测试数据得出。

3、循环水泵的流量以威乐水泵热水循环泵PH系列额定流量为准。

从以上计算可以看出，“集散式”太阳能热水系统如果选择合适的水泵确实可以满足集热循环和换热循环的要求。

系统的循环扬程计算：水泵的扬程是和水泵的功率成正比关系，随着楼层的逐渐升高，满足同样的需求的耗能也逐渐上升，通过计算不同层高的“集散式”系统水泵轴功率计算来比较一下户均耗能功率：

表三：“集散式”太阳能热水系统户耗能功率计算表

说明：

1. 以常见的一梯四户建筑格局为例，户内换热水箱假设为60L/户，换热水箱所需要的循环流量统一为100L/h。

2.循环水泵的轴功率计算公式为：

式中： N，轴功率，单位是瓦（W）；

Q，流量，单位是立方米每小时（m3/h）；

H，扬程，单位是米(m)；

G，是水泵的效率，固定值（0.6~0.85），，一般流量大的取大值，流量小的取小值；本表取0.7；

1. 水泵功率=轴功率*安全系数（通常取1.1~1.2）；

从以上计算结果可以看出，随着建筑高度由6层升至17层，户均耗能由11W升至了30W，假定每日“集散式”太阳能热水系统运转6小时可以将60L初始温度为15℃的冷水加热到60℃，则得到的热量为11.34kJ，户均耗能则由2%升至5.67%，多耗能近乎3倍：

图五：6-17层“集散式”太阳能系统获得相同热量所耗能所占比例

这里还有一个问题，通过理论计算的水泵选型并不一定能够选择到合适的水泵，以威乐PH热水循环水泵为例，满足6层一梯四户的“集散式”系统，可以选择PH751EH（原型号为PH403EH）：额定流量130L/min，额定扬程16米，输入功率1KW，这时的户均能耗为41.67W，而同样的11层建筑，则应该选择PH2201QH（原型号PH2200Q），额定流量308L/min，额定扬程30米，输入功率2.8kW，这时的户均能耗就达到了63.64W，对比理论计算值都有很大程度的升高。

图六：6-11层“集散式”太阳能系统所所选水泵的能耗对比

从以上计算可以看出，“集散式”系统在9层以上的住宅建筑单位能耗要远远大于9层以下的单位能耗，所以超过9层住宅不宜采用“集散式”太阳能系统。

“集中集热-分户供热”系统尚存的几个问题

“集中集热-分户供热”太阳能热水系统应用至今，也随之产生了很多相关的问题，针对这些问题，北京市太阳能研究所集团有限公司在长期的实践过程中，积累了一些宝贵的经验，供读者参考：

（1） “反向换热”现象是否真的存在？

“反向换热”问题自“集分式”太阳能热水系统出现之时就有很多人提出，由于在换热水箱中设置了电加热装置，因此用户比较关心“反向换热”问题，即某户的换热水箱使用电热加热到一个较高的温度状态时，是否会产生热量被循环系统带走一部分热量的可能，“反向换热”是肯定存在的，但这个问题要从三个方面考虑：

1、用户启动电加热和使用热水的习惯问题，通常情况下用户使用热水的时间都是在PM7：00~10：00左右，这时太阳已经下山，太阳能换热循环系统已经进入停止状态，这时不存在“反向换热”问题。

2、如果用户在白天太阳能系统运行时，启动电加热，这时是两套加热设备在为同一个终端设备加热，由于部内换热水箱设定的最终水温为60℃，而太阳能循环换热为达到这个温度必定会高于60℃，因此此时“反向换热”问题理论上不成立。

3、最后一种情况很少见，就是在俗称的“昙天”情况下，既有太阳能系统的运行，又有电加热的使用，同时太阳能的循环换热温度低于电加热的温度，在这种情况下，“反向换热”是存在的，但是热传导行业的专家给出了权威解释：在循环换热过程中，高温的、运动的介质向低温、静止的介质传热的能力很强；而高温的、静止的介质向低温的、运动的介质传热的过程不仅传热能力较差，而且很快就会达到动态平衡，因为这时换热的接触面附近的温度一旦达到平衡或等温，换热过程马上就停止了，这种现象就像冬天河面会结冰而河水还可以保持一定温度的道理是一样的。

目前，有一些厂家在设计“集分式”太阳能热水系统时，加入了电磁两通阀或三通阀的设计，从而保证“反向换热”出现时阻断太阳能循环，如下图：