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建筑技术
Architecture Technology
第42卷第1期2011年1月
Vol．42No．1Jan．2011
高层住宅太阳能热水系统集热面积调查与研究
崔新明，廖春波，李敏妃
（浙江世贸建筑科技研究院有限公司，310007，杭州）
摘要:针对杭州市居民生活热水使用习惯做了调查，区分不同季节（冬季、春秋季和夏季），分析得出了太
阳能热水系统设计的关键参数，即日均热水用量的取值建议，并进一步探讨了杭州地区住宅建筑最佳屋面集热面积的配置；同时基于调查结果分析了阻碍太阳能热水系统推广应用的因素。
关键词:高层住宅；日均热水用量；调查；太阳能热水系统；集热面积中图分类号：TU 725;TU 832.17
文献标识码：A
文章编号：1000-4726（2011）01-0038-05
INVESTIGATION AND RESEARCH ON HEAT COLLECTION AREA OF SOLAR WATER HEATING
SYSTEM OF HIGHRISE RESIDENTIAL BUILDING
CUI Xin-ming ，LIAO Chun-bo ，LI Min-fei
（WTC Zhejiang Institute of Architecture Technology Co., Ltd., 310007, Hangzhou, China ）
Abstract ：Aiming at the actual investigation about Hangzhou resident living hot water usage, the average daily hot water consumption as the key parameter in the design of solar water heating system's collector area with different seasons （winter,spring and summer,autumn,summer ）was got, and then, the optimal configuration of residential construction roof collector area in Hangzhou is discussed.At the same time,based on the investigational results,barrier factors of popularizing solar hot water system is analyzed.
Key words ：highrise residential; the average daily hot water consumption; investigation; solar water heating system;solar collector area
近年来，太阳能热水利用技术在城市住宅工程中得到了广泛关注和应用，但太阳能热水系统设计的关键参数———居民日均热水用水量，在现行规范中仍无明确规定，仅《建筑给水排水设计规范》（GB 50015-
各参数进行分析研究，进而探讨杭州地区最佳的屋面集热面积配置，以期为太阳能热水系统的城市化推广应用提供理论参考依据。
2003）中提出了住宅最高日热水用水定额的取值范围。
但最高日热水用量在一年内出现的次数不多，以最高日热水用量的极端情况考虑日均热水用量[1]，一方面会大大增加集热面积，进而增加太阳能热水系统在户均屋面面积较少的高层住宅建筑中的应用难度；另一方面，也增加了系统初投资，其经济性和节能效果也值得商榷。当前仅见国家住宅与居住环境工程技术研究中心于2003年进行调查，提出了全国范围的居民平均日热水用量参考值[2]。但不同城市、不同地区居民生活习惯的差异性，以及不同季节气候条件也不同，这些都将直接影响居民生活热水的日均用水量。
本文针对杭州地区的居民生活热水使用习惯展开了实际调查，并通过数据统计对居民日均热水用量的
收稿日期：2010－12－16
基金项目：杭州市科技发展计划项目“基于均衡热供和集成智控的太阳能热水系统在高层住宅建筑中的应用研究与工程示范”（20081533F07），浙江省建设科技科研项目（08Z026），杭州市重点城建科研项目（200807）
作者简介：崔新明（1967-），男，浙江德清人，博士，教授级高级工程师，主要研究方向为建筑技术与工程管理，e-mail ：[email protected]．
1
1.1
调查概述
调查内容
2009年课题组在杭州市购房客户群中随机进行了
两次问卷调查，共发放问卷250份，回收有效问卷213份，有效回收率85.2%，其中第一次回收有效样本85个，第二次回收有效样本128个。问卷的主要内容是关于杭州市居民热水使用情况的详细调查，包括热水用途、热水使用频率、洗浴习惯等。考虑到洗浴用水占居民热水利用的首位，故调研设计着重将洗浴习惯从洗浴温度、洗浴方式、洗浴时段、洗浴时间、周洗浴频率等方面进行细化；同时进行了杭州市太阳能热水系统（热水器）使用情况的调查。
1.2样本统计描述
213个有效样本中，61%为男性，39%为女性；21~60岁年龄段的样本量分布均匀，其中21~35岁占41.8%，36~45岁占33.8%，46~60岁占21.6%；62.5%的被
调查者家庭人数为3人。调查样本的家庭结构与目前城镇家庭结构基本吻合，由夫妇及其子女组成的三口之家核心家庭类型最为普遍[3]，调查样本具有可分析性。
2011年1月崔新明，等：高层住宅太阳能热水系统集热面积调查与研究··39
2
住宅生活热水使用情况调查
2.1
家庭热水用途分析
家庭日常生活热水主要用于洗浴、厨房（洗菜、洗
碗）、洗衣等，各热水需求因季节不同，其比重有所不同。冬季，洗浴热水用量较大，为热水的主要用途；厨房用水的使用频率较高，但每日的热水用量少。春秋季与冬季相比，洗浴热水需求基本持平，但其在三类热水需求中所占比重明显上升；厨房用水与洗衣热水需求减少。冬季与春秋季热水需求情况如图1所示。夏季冷水温度较高，厨房和洗衣基本无热水需求，热水多用于洗浴。
2.2居民洗浴习惯分析2.2.1
热水供水温度
如表1所示，选择热水供水温度在50～60℃的家庭
占半数以上，达59.3%，其中又以55～60℃居多，调查结果与住宅建筑设计供水温度的推荐值较为一致；调查同时表明50～60℃的供水温度可基本满足家庭热水使用舒适的要求。因此，建议家庭选择供水温度时采用
55～60℃。此外，调查中部分家庭分季节设置热水供水
温度的方式，课题组认为值得提倡，冬季设置的供水温度60℃略高于其他季节的55℃，在保证安全基础上又兼顾了节能。
2.2.2洗浴使用水温
洗浴使用水温度即混合冷水后的出水口温度，即
居民洗浴时感觉舒适的水温。通过交叉分组频数分析，
表1
家庭设置的热水供水温度比较
温度设置/℃
百分比/％
排名
40～4516．7445～5021．1350～5528．7255～6030．6160～650．5670
1．45冬季55～60，其他季节50～550．5—冬季55～60，其他季节45～50
0．5
—
其结果见表2，得到基本规律如下：（1）各季节的使用水温与气温成反比关系，气温越高则居民感觉舒适的使用水温越低，居民使用水温均值冬季为42℃，春秋季为
38℃，夏季为36℃；（2）虽然个体不同使用水温有所差
异，但个体差异的离散程度较小，数据分布较集中，频数分布均近似正态分布；（3）女性感觉舒适的洗浴温度略高于男性，但总体差异不大。需要说明的是，一般居民对使用水温可能并无非常准确的概念，仅为大致判断，故其衡量值以范围为宜。
表2
不同性别的居民使用水温基本描述统计
冬季
春秋季
夏季
性别温度温度温度
均值换算标准差均值换算标准差均值换算
标准差
男42℃0．872．7438℃0．761．8636℃0．63女
3．9442℃
0．822．8539℃0．702．1036℃0．49总体样本3．8942℃
0．85
2．7838℃
0．74
1．9536℃
0．59
2.2.3洗浴方式
居民日常洗浴方式一般为淋浴和盆浴两种，其中
又以淋浴为主。此次调查中95.8%的被访者采用“淋浴”，仅1.9%采用“盆浴”，其余2.3%洗浴方式不固定（有时盆浴，有时淋浴）。淋浴作为当前杭州居民主要的洗浴方式有其必然性：其一，由于目前杭州城区房价较
高，空间紧凑的中小户型成为普通居民的购房首选，占地面积较大的浴缸被淋浴房等替代；其二，从卫生角度考虑淋浴优于盆浴，其冲洗可保持水质相对清洁；其三从节能而言，据有关调查统计数据，淋浴比盆浴更节水省电。但对于老人、儿童和病人来说，盆浴则较为方便和舒适；此外，对舒适性要求较高的住户若购买的住宅中有两个以上的卫生间时，其中主卫往往会安装浴缸。
2.2.4洗浴时段
从调查结果来看，目前居民每日的热水使用习惯
较为规律，87.7%的居民有固定的洗浴时段。其中睡前
21～23时洗浴的占首位，比例为58.3%；其次是晚饭后19～20时洗浴，占27.5%。调查显示，仅少数居民选择白
天洗浴，热水使用高峰集中在19～23时，这与太阳能热水系统的集热时段错开，为不利情况。因此在设计太阳能热水系统时，应按储存1d 的热水用量来确定水箱的
容积。
2.2.5洗浴时间
课题组进行的两次问卷调查中，洗浴时间的选项
有所调整。第一次问卷调查中设计了4个选项，从表3可以看出，洗浴用时20min 的居民占首位，比例为48.2%；需用30min 和10min 的居民占27.7%和22.9%，比例接近
。总的来说居民洗浴用时均值约为20min 。对于这一
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建筑技术第42卷第1期
表3
洗浴时间的频数百分比
第一次调查
第二次调查
洗浴时间/min
百分比/％
洗浴时间/min
百分比/％
约1022．9约10
13．3约2048．210～1535．2
15～2027．3约3027．720～2513．325～307．0约451．230以上3．9合
计
100．0
合
计
100．0
调查结果课题组觉得意外，20min 的冲水用时，如以规范中淋浴器混合阀的额定流量6L/min计，需用水120L ，用水量较大。分析原因，除了第一次指标设计时考虑不周外，可能还存在调查对象选择时主观随意性大的因素。因此课题组在第二次调查中又对洗浴时间进行了细分优化，设计了六个选项，将“约20min ”和“约30min ”分别细化为两个时间段。第二次调查结果表明，洗浴用时“10～15min ”占首位35.2%，其次是“15～20min ”占
27.3%。
在频数分析基础上，以第二次调查为例，课题组进一步对洗浴用时关于人口统计变量中的性别和年龄做了线性回归分析，从回归方程中可以看出，女性洗浴用时平均比男性多用3~5min ；而年龄与洗浴用时无明显相关性，也即不同年龄段的被访者在洗浴时间上并无显著的规律性差别。
2.2.6洗浴频率
居民的洗浴频率随着季节和天气变化而有所增
减。此次课题组分冬季、春秋过渡季和夏季三种工况分别对被访者进行了调查（表4）。得到基本规律如下：（1）冬季居民平均一周洗浴3次，但样本的离散程度较大，两极分化现象在三个季节中最为突出，一周洗浴2~3次的占首位，比例为61.1%，其次则为每天洗浴1次，占
30.8%；（2）春秋过渡季居民平均一周洗浴4次，与冬季
相比略有增加，调查结果与传统观念较为吻合，而从样本分布来看仍具有一定的离散性，每天洗浴1次的居民占首位48.5%，其次是一周洗浴2~3次，占34.5%；（3）夏季高温季节居民多数每日洗浴，个体差异的离散程度较小，数据分布集中，一天洗浴1次的居民占71.8%；（4）随着生活水平和生活品质的进一步提高，热水洗浴
表4
洗浴频率的频数分析
季节百分比/%
均值
标准每天2次每天1次一周4~5次一周2~3次一周1次差
冬季—30．82．461．15．7一周3次1．33春秋季—
48．517．034．5—一周4次1．05夏季
22．0
71．8
6．2
—
—
每天1次0．58
已成为杭州居民的基本生活需求。
2.3
杭州市太阳能热水系统（热水器）使用情况分析根据本次调查结果（表5），目前杭州市太阳能热水
器使用率约为19.1%。传统的电热水器仍是目前主流使用的热水器类型，占样本总数的57.8%；其次为燃气热水器, 占21.8%；此外有1.3%的被访者自主使用节能型空气源热水器，具有较前沿的低碳环保意识。
表5
居民目前使用的热水设备比较
目前使用的热水设备
百分比/％
排名
电热水器57．81燃气热水器
21．82太阳能热水器
自带辅助能源另配辅助能源
19．1
14．24．9
3空气源热水器
1．34
针对占样本总数80.9%的目前尚未使用太阳能热水器的群体，课题组同时对其作了关于太阳能热水器使用意向的调查，结果显示有意向和目前暂无计划使用太阳能热水器的样本量基本持平。分析影响太阳能热水器推广的因素，主要为没有空间安装太阳能集热器，有接近半数（44.3%）的被访者选择这一原因，调查结果再一次验证了集热器合理布局的重要性；其次为小区物业管理的相关规定限制，选择率达19.1%；此外对于产品使用舒适度的担心也是影响因素之一。调查还显示，杭州居民对于太阳能热水器具有一定的认知度，并且认同太阳能热水器的节能环保价值，虽然太阳能热水器初始投资较高，但后期运行费用较低，经济效益和环境效益良好，因而太阳能热水器的价格并非构成推广普及的障碍。未选择太阳能热水器的原因分布详见图2。
3
调查结果分析
3.1
住宅建筑生活热水用量分析
住宅建筑生活热水用量主要由洗浴用热水和其他
生活用热水组成，其与居民的生活水平、生活习惯和气候条件等因素密切相关。课题组分冬季、
春秋季和夏季三种工况，以调查结果为依据，计算杭州地区住宅建筑
2011年1月崔新明，等：高层住宅太阳能热水系统集热面积调查与研究··41
生活热水用水量（热水温度以60℃计），得到了冬季日均热水用水量35L/人，春秋季29L/人，夏季19L/人的初步结论，计算情况详见表6。
表6
居民日均热水用水量计算
冬季
春秋季夏季洗浴频率
一周3次
一周4次
每天1次
洗浴洗浴时间/min151510热水一周平均热水用量/L 270360420日均热水用量/L 395160用量
洗浴水温/℃423836平均冷水温度/℃51525折算成60℃热水量/L 262619总热水用量换算系数1．361．101．00日均总热水用量/L 35
29
19
注：①淋浴器流量以6L/min计；
②总热水用量换算系数依据家庭热水用途分析所得。
《建筑给水排水设计规范》（GB 50015-2003）规定，局部热水供应的住宅最高日热水用水定额为40～
80L/人；浙江省标准《居住建筑太阳能热水系统设计、
安装及验收规范》明确日均热水用水量可按最高日用水量的下限取值，即40L/人。若以春秋季为例，调查分析结果与规范取值相比，人均热水用水量减少了约
27%。根据杭州地区实际情况，建议现行规范可根据各
地调研和工程需求，进一步修订完善相关参数取值。
3.2合理配置集热器总面积的探讨
太阳能集热器总面积是太阳能热水系统设计中的
一项重要参数，它与系统的节能性和经济性密切相关[4]。系统设计时，按照春秋季完全由太阳能提供热水，夏季太阳能热水供应有富余，冬季需要辅助能源补充的原则确定集热器面积。下文以采用直接加热太阳能系统的杭州地区某高层住宅工程为例，计算其所需的太阳能集热器面积。直接加热系统集热器面积根据式（1）确定：
A c =
Q w C w (t end -t i ) f ρ
J T ηcd (1-η1）
L )
（式中
A c ———
直接加热系统集热器总面积（m 2）；Q w ———
日均热水用量，根据本文针对杭州地区调查结果分析，取春秋季日均热水用量
29L/人；
C w ———水的定压比热容，4.187kJ/kg·℃；t end ———
储水箱内水的终止温度，取热水供水温度60℃；
t i ———
水的初始温度，按常规取值杭州地区春秋季冷水平均温度为15℃；
f ———
太阳能保证率，采用经验法，杭州地区属于资源一般区，保证率取0.5；
ρ———
水的密度，1.0kg/L；J T ———
杭州地区春秋季集热器受热面上月均日辐照量，11695kJ/m2；
ηcd ———
集热器全日集热效率，结合工程相关资料取0.55；
ηL ———
管路及储水箱热损率，根据工程实际情况取0.2。
根据上文分析得到A c 为0.53m 2，即人均所需系统集热器总面积约为0.53m 2，按城市核心家庭类型户均3人计算，户均所需太阳能集热器总面积约1.59m 2。若按规范取日均热水用量40L/人计算，则人均所需系统集热器总面积为0.73m 2，户均所需面积为2.19m 2。前者与后者相比，人均节省集热器配置面积约0.20m 2，户均节省0.60m 2，调查计算结果与规范取值计算相比集热器总面积减少约27%。
4结语
（1）课题组认为，不同地区、不同气候条件和不同
季节居民的热水使用行为具有差异性，日热水用量的取值宜因地制宜予以确定。基于问卷调查结果分析，综合考虑经济性和实际节能效果，探讨得出了杭州地区高层住宅太阳能热水系统设计中的关键参数，居民生活日均热水用量的基本取值建议，即冬季35L/人，春秋季过渡季29L/人，夏季19L/人（热水温度以60℃计）；当然随着居民对品质生活要求的进一步提高，可根据实际工程情况适当放大上述取值。
（2）集热面积的合理配置是关系太阳能热水系统与建筑一体化推广应用的关键技术因素，尤其是在住宅建筑形态逐渐以高层为主发展的城市区域。根据上述分析，杭州地区人均最佳集热面积配置为0.53m 2，比常规配置减少约27%的面积。调查分析结果可以很大程度上缓解高层住宅屋面集热器布置空间局促的矛盾，从而为太阳能热水系统在城市高层住宅中推广应用提供一定的技术依据。
（3）调查显示，杭州地区居民热水使用高峰集中在19～23时，与太阳能热水系统的集热时段恰好错开，因此在太阳能热水系统设计时，应考虑储存1d 的热水用量确定储热水箱的容积，且对储热水箱的保温性能应有较高要求，以求提高系统的热利用效率。同时由于杭州地区经常出现连续阴雨天气的气象特征，为保证不利工况下的用水需求，须配备辅助加热装置。在全年运行过程中，建议利用太阳能进行建筑整体性和基础性调温，利用高品质能源进行局部和精细调温。
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建筑技术
Architecture Technology
第42卷第1期2011年1月
Vol．42No．1Jan．2011
太阳能采暖房间动态热负荷计算方法研究
刘艳峰1，杨晓华2
（1. 西安建筑科技大学，710055，西安；2. 山东电力工程咨询院有限公司，250013，济南）
摘要：提出一种便于工程设计应用的太阳能采暖房间热负荷动态计算方法。通过Z 传递函数分析墙体动态
传热过程，根据编程计算所得的墙体传热量逐时结果，获得太阳能采暖房间热负荷系数。通过对不同朝向墙体以及不同墙体结构的计算后发现：墙体热容量越大，热负荷系数的日变化幅度越小；同一结构，但不同朝向墙体的热负荷系数存在较大差别。
关键词：太阳能采暖；热负荷系数；动态热负荷；Z 传递函数；热容量；围护结构中图分类号：TU 832.17
文献标识码：A
文章编号：1000-4726（2011）01-0042-03
A STUDY OF CALCULATION METHOD FOR DYNAMIC HEATING LOAD
OF SOLAR HEATING ROOM
LIU Yan －feng 1，YANG Xiao －hua 2
（1. Xi ' an University of Architecture and Technology ，710055，Xi ' an ，China ；
2.Shandong Electric Power Engineering Consulting Institute ，Co., Ltd., 250013, Ji'nan, China ）
Abstract ：This paper puts f orward a heating load dynamic calculation method for solar heating room, which is easy to engineering design application.By Z transfer function ,this paper analyzes wall dynamic heat transfer process,and according to the hourly result of wall heat transmission, which is obtained by programming calculation,gets the heating load coefficient of solar energy heating room. By the calculation of different orientation wall and different wall structure,finds:thelager the wall heating capacity,the smaller the daily changing amplitude of heating load coefficient; the same structure, but with different orientation wall, the heating load coefficient has obvious difference.
Key words ：solar heating;heating load coefficient;dynamic heating load;Z transfer function ；heat capacity ；palisade structure
围护结构耗热量是决定建筑供暖热负荷值的一个重要因素。文献1中规定：围护结构的耗热量包括基本耗热量和附加耗热量，其中，基本耗热量按一维稳态传热近似计算；围护结构的附加耗热量主要考虑太阳辐射得热量及温差传热计算中某些条件改变时，对于基本耗热量的修正。目前国内关于太阳能采暖的两部设计标准［2，3］对太阳能采暖房间热负荷仍采用稳态计算
收稿日期：2010-12-16
基金项目：国家自然科学基金项目（50778144）
作者简介：刘艳峰（1971-），男，陕西西安人，工学博士，教授，主要研究方向为太阳能采暖研究，e-mail:[email protected].
方法，此方法计算简便易行，但不能反映太阳能建筑热负荷波动性强的特征。在太阳能采暖建筑中，进入室内的被动太阳能得热量不可忽略，而此部分得热量不受围护结构传热衰减作用，会造成房间热负荷剧烈波动。另一方面，太阳能采暖热源的供热量也具有明显的波动性，且与热负荷波动相位冲突，因此太阳能采暖系统应依靠蓄热调节保证采暖效果，而掌握太阳能采暖房间热负荷动态规律是进行热量蓄调的基础。
20世纪60年代以来，我国逐渐完善了空调负荷非
稳态传热理论，形成了空调动态负荷计算方法［4］。其
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! !!!!!!!
参考文献（4）目前太阳能热水器在杭州地区仍有很大的推
广空间。由于以前自发安装太阳能热水器对建筑外观和房屋相关使用功能造成的影响和破坏，直接导致许多小区物管部门出台不允许安装太阳能热水器的规定，严重制约了太阳能热水器的普及[5]。当前迫切需要提高太阳能热水系统与建筑的一体化程度，这也与省市政府高度重视太阳能热水系统与建筑一体化设计、施工及验收的要求完全符合。此外，还需进一步深入研究适合高层住宅类型的先进太阳能热水系统，并通过工程示范不断总结经验，优化和完善系统设计。
［1］［2］［3］［4］［5］［6］
张磊，陈超，梁万军. 居民平均日热水用量研究与分析［J ］. 给水排水，2006，32(9)：66-69.
国家住宅与居住环境工程技术研究中心. 住宅建筑太阳能热水系统整合设计［M ］. 北京：中国建筑工业出版社，2006.
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郑瑞澄. 民用建筑太阳能热水系统工程技术手册［M ］. 北京：化学工业出版社，2005.
徐伟，郑瑞澄，路宾. 中国太阳能建筑应用发展研究报告［M ］. 北京：中国建筑工业出版社，2009.
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建筑技术
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第42卷第1期2011年1月
Vol．42No．1Jan．2011
高层住宅太阳能热水系统集热面积调查与研究
崔新明，廖春波，李敏妃
（浙江世贸建筑科技研究院有限公司，310007，杭州）
摘要:针对杭州市居民生活热水使用习惯做了调查，区分不同季节（冬季、春秋季和夏季），分析得出了太
阳能热水系统设计的关键参数，即日均热水用量的取值建议，并进一步探讨了杭州地区住宅建筑最佳屋面集热面积的配置；同时基于调查结果分析了阻碍太阳能热水系统推广应用的因素。
关键词:高层住宅；日均热水用量；调查；太阳能热水系统；集热面积中图分类号：TU 725;TU 832.17
文献标识码：A
文章编号：1000-4726（2011）01-0038-05
INVESTIGATION AND RESEARCH ON HEAT COLLECTION AREA OF SOLAR WATER HEATING
SYSTEM OF HIGHRISE RESIDENTIAL BUILDING
CUI Xin-ming ，LIAO Chun-bo ，LI Min-fei
（WTC Zhejiang Institute of Architecture Technology Co., Ltd., 310007, Hangzhou, China ）
Abstract ：Aiming at the actual investigation about Hangzhou resident living hot water usage, the average daily hot water consumption as the key parameter in the design of solar water heating system's collector area with different seasons （winter,spring and summer,autumn,summer ）was got, and then, the optimal configuration of residential construction roof collector area in Hangzhou is discussed.At the same time,based on the investigational results,barrier factors of popularizing solar hot water system is analyzed.
Key words ：highrise residential; the average daily hot water consumption; investigation; solar water heating system;solar collector area
近年来，太阳能热水利用技术在城市住宅工程中得到了广泛关注和应用，但太阳能热水系统设计的关键参数———居民日均热水用水量，在现行规范中仍无明确规定，仅《建筑给水排水设计规范》（GB 50015-
各参数进行分析研究，进而探讨杭州地区最佳的屋面集热面积配置，以期为太阳能热水系统的城市化推广应用提供理论参考依据。
2003）中提出了住宅最高日热水用水定额的取值范围。
但最高日热水用量在一年内出现的次数不多，以最高日热水用量的极端情况考虑日均热水用量[1]，一方面会大大增加集热面积，进而增加太阳能热水系统在户均屋面面积较少的高层住宅建筑中的应用难度；另一方面，也增加了系统初投资，其经济性和节能效果也值得商榷。当前仅见国家住宅与居住环境工程技术研究中心于2003年进行调查，提出了全国范围的居民平均日热水用量参考值[2]。但不同城市、不同地区居民生活习惯的差异性，以及不同季节气候条件也不同，这些都将直接影响居民生活热水的日均用水量。
本文针对杭州地区的居民生活热水使用习惯展开了实际调查，并通过数据统计对居民日均热水用量的
收稿日期：2010－12－16
基金项目：杭州市科技发展计划项目“基于均衡热供和集成智控的太阳能热水系统在高层住宅建筑中的应用研究与工程示范”（20081533F07），浙江省建设科技科研项目（08Z026），杭州市重点城建科研项目（200807）
作者简介：崔新明（1967-），男，浙江德清人，博士，教授级高级工程师，主要研究方向为建筑技术与工程管理，e-mail ：[email protected]．
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1.1
调查概述
调查内容
2009年课题组在杭州市购房客户群中随机进行了
两次问卷调查，共发放问卷250份，回收有效问卷213份，有效回收率85.2%，其中第一次回收有效样本85个，第二次回收有效样本128个。问卷的主要内容是关于杭州市居民热水使用情况的详细调查，包括热水用途、热水使用频率、洗浴习惯等。考虑到洗浴用水占居民热水利用的首位，故调研设计着重将洗浴习惯从洗浴温度、洗浴方式、洗浴时段、洗浴时间、周洗浴频率等方面进行细化；同时进行了杭州市太阳能热水系统（热水器）使用情况的调查。
1.2样本统计描述
213个有效样本中，61%为男性，39%为女性；21~60岁年龄段的样本量分布均匀，其中21~35岁占41.8%，36~45岁占33.8%，46~60岁占21.6%；62.5%的被
调查者家庭人数为3人。调查样本的家庭结构与目前城镇家庭结构基本吻合，由夫妇及其子女组成的三口之家核心家庭类型最为普遍[3]，调查样本具有可分析性。
2011年1月崔新明，等：高层住宅太阳能热水系统集热面积调查与研究··39
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住宅生活热水使用情况调查
2.1
家庭热水用途分析
家庭日常生活热水主要用于洗浴、厨房（洗菜、洗
碗）、洗衣等，各热水需求因季节不同，其比重有所不同。冬季，洗浴热水用量较大，为热水的主要用途；厨房用水的使用频率较高，但每日的热水用量少。春秋季与冬季相比，洗浴热水需求基本持平，但其在三类热水需求中所占比重明显上升；厨房用水与洗衣热水需求减少。冬季与春秋季热水需求情况如图1所示。夏季冷水温度较高，厨房和洗衣基本无热水需求，热水多用于洗浴。
2.2居民洗浴习惯分析2.2.1
热水供水温度
如表1所示，选择热水供水温度在50～60℃的家庭
占半数以上，达59.3%，其中又以55～60℃居多，调查结果与住宅建筑设计供水温度的推荐值较为一致；调查同时表明50～60℃的供水温度可基本满足家庭热水使用舒适的要求。因此，建议家庭选择供水温度时采用
55～60℃。此外，调查中部分家庭分季节设置热水供水
温度的方式，课题组认为值得提倡，冬季设置的供水温度60℃略高于其他季节的55℃，在保证安全基础上又兼顾了节能。
2.2.2洗浴使用水温
洗浴使用水温度即混合冷水后的出水口温度，即
居民洗浴时感觉舒适的水温。通过交叉分组频数分析，
表1
家庭设置的热水供水温度比较
温度设置/℃
百分比/％
排名
40～4516．7445～5021．1350～5528．7255～6030．6160～650．5670
1．45冬季55～60，其他季节50～550．5—冬季55～60，其他季节45～50
0．5
—
其结果见表2，得到基本规律如下：（1）各季节的使用水温与气温成反比关系，气温越高则居民感觉舒适的使用水温越低，居民使用水温均值冬季为42℃，春秋季为
38℃，夏季为36℃；（2）虽然个体不同使用水温有所差
异，但个体差异的离散程度较小，数据分布较集中，频数分布均近似正态分布；（3）女性感觉舒适的洗浴温度略高于男性，但总体差异不大。需要说明的是，一般居民对使用水温可能并无非常准确的概念，仅为大致判断，故其衡量值以范围为宜。
表2
不同性别的居民使用水温基本描述统计
冬季
春秋季
夏季
性别温度温度温度
均值换算标准差均值换算标准差均值换算
标准差
男42℃0．872．7438℃0．761．8636℃0．63女
3．9442℃
0．822．8539℃0．702．1036℃0．49总体样本3．8942℃
0．85
2．7838℃
0．74
1．9536℃
0．59
2.2.3洗浴方式
居民日常洗浴方式一般为淋浴和盆浴两种，其中
又以淋浴为主。此次调查中95.8%的被访者采用“淋浴”，仅1.9%采用“盆浴”，其余2.3%洗浴方式不固定（有时盆浴，有时淋浴）。淋浴作为当前杭州居民主要的洗浴方式有其必然性：其一，由于目前杭州城区房价较
高，空间紧凑的中小户型成为普通居民的购房首选，占地面积较大的浴缸被淋浴房等替代；其二，从卫生角度考虑淋浴优于盆浴，其冲洗可保持水质相对清洁；其三从节能而言，据有关调查统计数据，淋浴比盆浴更节水省电。但对于老人、儿童和病人来说，盆浴则较为方便和舒适；此外，对舒适性要求较高的住户若购买的住宅中有两个以上的卫生间时，其中主卫往往会安装浴缸。
2.2.4洗浴时段
从调查结果来看，目前居民每日的热水使用习惯
较为规律，87.7%的居民有固定的洗浴时段。其中睡前
21～23时洗浴的占首位，比例为58.3%；其次是晚饭后19～20时洗浴，占27.5%。调查显示，仅少数居民选择白
天洗浴，热水使用高峰集中在19～23时，这与太阳能热水系统的集热时段错开，为不利情况。因此在设计太阳能热水系统时，应按储存1d 的热水用量来确定水箱的
容积。
2.2.5洗浴时间
课题组进行的两次问卷调查中，洗浴时间的选项
有所调整。第一次问卷调查中设计了4个选项，从表3可以看出，洗浴用时20min 的居民占首位，比例为48.2%；需用30min 和10min 的居民占27.7%和22.9%，比例接近
。总的来说居民洗浴用时均值约为20min 。对于这一
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建筑技术第42卷第1期
表3
洗浴时间的频数百分比
第一次调查
第二次调查
洗浴时间/min
百分比/％
洗浴时间/min
百分比/％
约1022．9约10
13．3约2048．210～1535．2
15～2027．3约3027．720～2513．325～307．0约451．230以上3．9合
计
100．0
合
计
100．0
调查结果课题组觉得意外，20min 的冲水用时，如以规范中淋浴器混合阀的额定流量6L/min计，需用水120L ，用水量较大。分析原因，除了第一次指标设计时考虑不周外，可能还存在调查对象选择时主观随意性大的因素。因此课题组在第二次调查中又对洗浴时间进行了细分优化，设计了六个选项，将“约20min ”和“约30min ”分别细化为两个时间段。第二次调查结果表明，洗浴用时“10～15min ”占首位35.2%，其次是“15～20min ”占
27.3%。
在频数分析基础上，以第二次调查为例，课题组进一步对洗浴用时关于人口统计变量中的性别和年龄做了线性回归分析，从回归方程中可以看出，女性洗浴用时平均比男性多用3~5min ；而年龄与洗浴用时无明显相关性，也即不同年龄段的被访者在洗浴时间上并无显著的规律性差别。
2.2.6洗浴频率
居民的洗浴频率随着季节和天气变化而有所增
减。此次课题组分冬季、春秋过渡季和夏季三种工况分别对被访者进行了调查（表4）。得到基本规律如下：（1）冬季居民平均一周洗浴3次，但样本的离散程度较大，两极分化现象在三个季节中最为突出，一周洗浴2~3次的占首位，比例为61.1%，其次则为每天洗浴1次，占
30.8%；（2）春秋过渡季居民平均一周洗浴4次，与冬季
相比略有增加，调查结果与传统观念较为吻合，而从样本分布来看仍具有一定的离散性，每天洗浴1次的居民占首位48.5%，其次是一周洗浴2~3次，占34.5%；（3）夏季高温季节居民多数每日洗浴，个体差异的离散程度较小，数据分布集中，一天洗浴1次的居民占71.8%；（4）随着生活水平和生活品质的进一步提高，热水洗浴
表4
洗浴频率的频数分析
季节百分比/%
均值
标准每天2次每天1次一周4~5次一周2~3次一周1次差
冬季—30．82．461．15．7一周3次1．33春秋季—
48．517．034．5—一周4次1．05夏季
22．0
71．8
6．2
—
—
每天1次0．58
已成为杭州居民的基本生活需求。
2.3
杭州市太阳能热水系统（热水器）使用情况分析根据本次调查结果（表5），目前杭州市太阳能热水
器使用率约为19.1%。传统的电热水器仍是目前主流使用的热水器类型，占样本总数的57.8%；其次为燃气热水器, 占21.8%；此外有1.3%的被访者自主使用节能型空气源热水器，具有较前沿的低碳环保意识。
表5
居民目前使用的热水设备比较
目前使用的热水设备
百分比/％
排名
电热水器57．81燃气热水器
21．82太阳能热水器
自带辅助能源另配辅助能源
19．1
14．24．9
3空气源热水器
1．34
针对占样本总数80.9%的目前尚未使用太阳能热水器的群体，课题组同时对其作了关于太阳能热水器使用意向的调查，结果显示有意向和目前暂无计划使用太阳能热水器的样本量基本持平。分析影响太阳能热水器推广的因素，主要为没有空间安装太阳能集热器，有接近半数（44.3%）的被访者选择这一原因，调查结果再一次验证了集热器合理布局的重要性；其次为小区物业管理的相关规定限制，选择率达19.1%；此外对于产品使用舒适度的担心也是影响因素之一。调查还显示，杭州居民对于太阳能热水器具有一定的认知度，并且认同太阳能热水器的节能环保价值，虽然太阳能热水器初始投资较高，但后期运行费用较低，经济效益和环境效益良好，因而太阳能热水器的价格并非构成推广普及的障碍。未选择太阳能热水器的原因分布详见图2。
3
调查结果分析
3.1
住宅建筑生活热水用量分析
住宅建筑生活热水用量主要由洗浴用热水和其他
生活用热水组成，其与居民的生活水平、生活习惯和气候条件等因素密切相关。课题组分冬季、
春秋季和夏季三种工况，以调查结果为依据，计算杭州地区住宅建筑
2011年1月崔新明，等：高层住宅太阳能热水系统集热面积调查与研究··41
生活热水用水量（热水温度以60℃计），得到了冬季日均热水用水量35L/人，春秋季29L/人，夏季19L/人的初步结论，计算情况详见表6。
表6
居民日均热水用水量计算
冬季
春秋季夏季洗浴频率
一周3次
一周4次
每天1次
洗浴洗浴时间/min151510热水一周平均热水用量/L 270360420日均热水用量/L 395160用量
洗浴水温/℃423836平均冷水温度/℃51525折算成60℃热水量/L 262619总热水用量换算系数1．361．101．00日均总热水用量/L 35
29
19
注：①淋浴器流量以6L/min计；
②总热水用量换算系数依据家庭热水用途分析所得。
《建筑给水排水设计规范》（GB 50015-2003）规定，局部热水供应的住宅最高日热水用水定额为40～
80L/人；浙江省标准《居住建筑太阳能热水系统设计、
安装及验收规范》明确日均热水用水量可按最高日用水量的下限取值，即40L/人。若以春秋季为例，调查分析结果与规范取值相比，人均热水用水量减少了约
27%。根据杭州地区实际情况，建议现行规范可根据各
地调研和工程需求，进一步修订完善相关参数取值。
3.2合理配置集热器总面积的探讨
太阳能集热器总面积是太阳能热水系统设计中的
一项重要参数，它与系统的节能性和经济性密切相关[4]。系统设计时，按照春秋季完全由太阳能提供热水，夏季太阳能热水供应有富余，冬季需要辅助能源补充的原则确定集热器面积。下文以采用直接加热太阳能系统的杭州地区某高层住宅工程为例，计算其所需的太阳能集热器面积。直接加热系统集热器面积根据式（1）确定：
A c =
Q w C w (t end -t i ) f ρ
J T ηcd (1-η1）
L )
（式中
A c ———
直接加热系统集热器总面积（m 2）；Q w ———
日均热水用量，根据本文针对杭州地区调查结果分析，取春秋季日均热水用量
29L/人；
C w ———水的定压比热容，4.187kJ/kg·℃；t end ———
储水箱内水的终止温度，取热水供水温度60℃；
t i ———
水的初始温度，按常规取值杭州地区春秋季冷水平均温度为15℃；
f ———
太阳能保证率，采用经验法，杭州地区属于资源一般区，保证率取0.5；
ρ———
水的密度，1.0kg/L；J T ———
杭州地区春秋季集热器受热面上月均日辐照量，11695kJ/m2；
ηcd ———
集热器全日集热效率，结合工程相关资料取0.55；
ηL ———
管路及储水箱热损率，根据工程实际情况取0.2。
根据上文分析得到A c 为0.53m 2，即人均所需系统集热器总面积约为0.53m 2，按城市核心家庭类型户均3人计算，户均所需太阳能集热器总面积约1.59m 2。若按规范取日均热水用量40L/人计算，则人均所需系统集热器总面积为0.73m 2，户均所需面积为2.19m 2。前者与后者相比，人均节省集热器配置面积约0.20m 2，户均节省0.60m 2，调查计算结果与规范取值计算相比集热器总面积减少约27%。
4结语
（1）课题组认为，不同地区、不同气候条件和不同
季节居民的热水使用行为具有差异性，日热水用量的取值宜因地制宜予以确定。基于问卷调查结果分析，综合考虑经济性和实际节能效果，探讨得出了杭州地区高层住宅太阳能热水系统设计中的关键参数，居民生活日均热水用量的基本取值建议，即冬季35L/人，春秋季过渡季29L/人，夏季19L/人（热水温度以60℃计）；当然随着居民对品质生活要求的进一步提高，可根据实际工程情况适当放大上述取值。
（2）集热面积的合理配置是关系太阳能热水系统与建筑一体化推广应用的关键技术因素，尤其是在住宅建筑形态逐渐以高层为主发展的城市区域。根据上述分析，杭州地区人均最佳集热面积配置为0.53m 2，比常规配置减少约27%的面积。调查分析结果可以很大程度上缓解高层住宅屋面集热器布置空间局促的矛盾，从而为太阳能热水系统在城市高层住宅中推广应用提供一定的技术依据。
（3）调查显示，杭州地区居民热水使用高峰集中在19～23时，与太阳能热水系统的集热时段恰好错开，因此在太阳能热水系统设计时，应考虑储存1d 的热水用量确定储热水箱的容积，且对储热水箱的保温性能应有较高要求，以求提高系统的热利用效率。同时由于杭州地区经常出现连续阴雨天气的气象特征，为保证不利工况下的用水需求，须配备辅助加热装置。在全年运行过程中，建议利用太阳能进行建筑整体性和基础性调温，利用高品质能源进行局部和精细调温。
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建筑技术
Architecture Technology
第42卷第1期2011年1月
Vol．42No．1Jan．2011
太阳能采暖房间动态热负荷计算方法研究
刘艳峰1，杨晓华2
（1. 西安建筑科技大学，710055，西安；2. 山东电力工程咨询院有限公司，250013，济南）
摘要：提出一种便于工程设计应用的太阳能采暖房间热负荷动态计算方法。通过Z 传递函数分析墙体动态
传热过程，根据编程计算所得的墙体传热量逐时结果，获得太阳能采暖房间热负荷系数。通过对不同朝向墙体以及不同墙体结构的计算后发现：墙体热容量越大，热负荷系数的日变化幅度越小；同一结构，但不同朝向墙体的热负荷系数存在较大差别。
关键词：太阳能采暖；热负荷系数；动态热负荷；Z 传递函数；热容量；围护结构中图分类号：TU 832.17
文献标识码：A
文章编号：1000-4726（2011）01-0042-03
A STUDY OF CALCULATION METHOD FOR DYNAMIC HEATING LOAD
OF SOLAR HEATING ROOM
LIU Yan －feng 1，YANG Xiao －hua 2
（1. Xi ' an University of Architecture and Technology ，710055，Xi ' an ，China ；
2.Shandong Electric Power Engineering Consulting Institute ，Co., Ltd., 250013, Ji'nan, China ）
Abstract ：This paper puts f orward a heating load dynamic calculation method for solar heating room, which is easy to engineering design application.By Z transfer function ,this paper analyzes wall dynamic heat transfer process,and according to the hourly result of wall heat transmission, which is obtained by programming calculation,gets the heating load coefficient of solar energy heating room. By the calculation of different orientation wall and different wall structure,finds:thelager the wall heating capacity,the smaller the daily changing amplitude of heating load coefficient; the same structure, but with different orientation wall, the heating load coefficient has obvious difference.
Key words ：solar heating;heating load coefficient;dynamic heating load;Z transfer function ；heat capacity ；palisade structure
围护结构耗热量是决定建筑供暖热负荷值的一个重要因素。文献1中规定：围护结构的耗热量包括基本耗热量和附加耗热量，其中，基本耗热量按一维稳态传热近似计算；围护结构的附加耗热量主要考虑太阳辐射得热量及温差传热计算中某些条件改变时，对于基本耗热量的修正。目前国内关于太阳能采暖的两部设计标准［2，3］对太阳能采暖房间热负荷仍采用稳态计算
收稿日期：2010-12-16
基金项目：国家自然科学基金项目（50778144）
作者简介：刘艳峰（1971-），男，陕西西安人，工学博士，教授，主要研究方向为太阳能采暖研究，e-mail:[email protected].
方法，此方法计算简便易行，但不能反映太阳能建筑热负荷波动性强的特征。在太阳能采暖建筑中，进入室内的被动太阳能得热量不可忽略，而此部分得热量不受围护结构传热衰减作用，会造成房间热负荷剧烈波动。另一方面，太阳能采暖热源的供热量也具有明显的波动性，且与热负荷波动相位冲突，因此太阳能采暖系统应依靠蓄热调节保证采暖效果，而掌握太阳能采暖房间热负荷动态规律是进行热量蓄调的基础。
20世纪60年代以来，我国逐渐完善了空调负荷非
稳态传热理论，形成了空调动态负荷计算方法［4］。其
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! !!!!!!!
参考文献（4）目前太阳能热水器在杭州地区仍有很大的推
广空间。由于以前自发安装太阳能热水器对建筑外观和房屋相关使用功能造成的影响和破坏，直接导致许多小区物管部门出台不允许安装太阳能热水器的规定，严重制约了太阳能热水器的普及[5]。当前迫切需要提高太阳能热水系统与建筑的一体化程度，这也与省市政府高度重视太阳能热水系统与建筑一体化设计、施工及验收的要求完全符合。此外，还需进一步深入研究适合高层住宅类型的先进太阳能热水系统，并通过工程示范不断总结经验，优化和完善系统设计。
［1］［2］［3］［4］［5］［6］
张磊，陈超，梁万军. 居民平均日热水用量研究与分析［J ］. 给水排水，2006，32(9)：66-69.
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