郭敬紅

（黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)工程學(xué)院，大慶163319）

當煤、石油、天然氣等不可再生能源頻頻告急，能源問題日益成為制約國際社會經(jīng)濟發(fā)展的瓶頸時，越來越多的國家開始實行“陽光計劃”，開發(fā)太陽能資源，尋求經(jīng)濟發(fā)展的“新動力”。隨著人們生活水平的不斷提高，對生活熱水需求的激增促進了太陽能熱水器市場的迅速發(fā)展，成為產(chǎn)業(yè)發(fā)展的原動力。按照國家《1999—2015年新能源和可再生能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》，到2015年，全國住宅用太陽能熱水器設(shè)備約有2.32億m3的擁有量，普及率將達到20%～30%；到2020年，我國太陽能熱水器設(shè)備的安裝將達到3億m3。

目前太陽熱水器的應(yīng)用，主要還是以分戶獨立系統(tǒng)為主，隨著太陽能應(yīng)用水平和技術(shù)的不斷提高，集中式太陽能熱水系統(tǒng)越來越受到人們的重視，集中式系統(tǒng)與分戶式系統(tǒng)相比，具有節(jié)省投資、集成化程度高、便于與建筑結(jié)合、用戶間用水可相互平衡、容易實現(xiàn)連續(xù)供水等優(yōu)點，同時具有統(tǒng)一設(shè)計、統(tǒng)一施工、統(tǒng)一管理的工程化特點，是未來太陽能熱水系統(tǒng)發(fā)展的主要方向。系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)考慮太陽能受天氣等方面的影響，為系統(tǒng)配備輔助熱源，以使系統(tǒng)滿足全天候24 h提供熱水。

1 工程概況及設(shè)計原則

賓館四層：一層桑拿浴室一間，內(nèi)有10個通間淋浴器；3個單間，內(nèi)有帶淋浴器浴盆，低、中、高溫池各一個；雙人房間16間，設(shè)專用衛(wèi)生間，內(nèi)有帶淋浴器浴盆、臉盆各1件；公共廁所2個，內(nèi)有洗手盆2個。二層雙人房間16間，設(shè)專用衛(wèi)生間；開水爐1個；公共廁所2個。三層雙人房間8間，設(shè)專用衛(wèi)生間；三人房間10間；開水爐1個；公共廁所1個。四層不需要提供熱水。

太陽能加熱熱水系統(tǒng)雖然具有節(jié)能優(yōu)勢，但自身也存在著缺點：一是太陽能的密度很低，因此，要收集足夠量的太陽能，必須有較大面積的高效集熱系統(tǒng)。二是太陽能的強度受季節(jié)、天氣陰晴和晝夜的影響，是一個不穩(wěn)定的熱源。因此，太陽能應(yīng)用必須有相應(yīng)的蓄熱設(shè)備或有輔助熱源。由于全玻璃真空管型集熱器可保證水永不結(jié)垢，集熱效率高，工作溫度范圍廣，經(jīng)濟效益好[1-4]，所以該系統(tǒng)選擇全玻璃真空管型集熱器，采用電加熱為輔。

2 集熱系統(tǒng)工作原理及特點

2.1 系統(tǒng)工作原理及組成

工程集熱系統(tǒng)由若干臺單元集熱器（串并聯(lián)）、水箱（可承壓或不承壓）、支架、循環(huán)管道、熱水泵及控制系統(tǒng)組成。采用二次換熱式真空管集熱器，利用專門設(shè)計的溫差控制儀自動控制循環(huán)泵的開啟，循環(huán)泵使水在集熱器和儲水箱之間進行機械循環(huán)，從而使儲水箱的水逐漸升溫[5]。

2.2 系統(tǒng)工作方式

（1）當T1-T2≥8℃（可設(shè)定），循環(huán)熱水泵P1自動開啟；T1-T2≤4℃ ，循環(huán)熱水泵P1自動停止工作。

（2）陰雨天或陽光不足時，啟動電加熱器，當儲水箱溫度T2達到設(shè)定值時，停止電加熱。

（3）T3溫度小于設(shè)定值時，熱水泵P2自行啟動（1～5 min）保證管道內(nèi)始終為熱水。系統(tǒng)原理見圖1所示。

圖1 熱水系統(tǒng)原理圖（采用落水法用熱水）Fig.1 Schematic diagram of hotwater system（used in watermethod with hotwater）

2.3 系統(tǒng)特點

（1）集熱器組可應(yīng)用于高壓力熱水系統(tǒng)，因而系統(tǒng)集熱面積最大可達數(shù)千平方米。

（2）系統(tǒng)采用間接換熱原理，全玻璃真空太陽集熱管可保證永不結(jié)水垢，集熱效率高。

（3）全玻璃太陽真空集熱管及聯(lián)集器中介質(zhì)水若添加防凍劑，該系統(tǒng)可以在-50℃環(huán)境溫度下正常運行。

（4）水箱可為承壓水箱，可以放置在任何位置，利用自來水的壓力自動頂出熱水，隨開隨用；水箱也可為非承壓式水箱，安裝于高處，采用落水法用熱水。若水箱只能安裝于低處，高處用熱水則采用熱水泵輸送。

（5）一年四季均可使用，經(jīng)濟性好。冬季為防止循環(huán)管道凍裂，系統(tǒng)設(shè)有低溫保護功能。與輔助能源配套使用，可實現(xiàn)全天候運行。

（6）智能控制系統(tǒng)功能齊全、自動運行、操作簡便，安全可靠。

3 系統(tǒng)設(shè)計

太陽能熱水系統(tǒng)的運行方式應(yīng)根據(jù)用戶基本條件、用戶的使用需求及集熱器與儲水箱的相對安裝位置等因素綜合加以確定，根據(jù)賓館現(xiàn)場條件，該系統(tǒng)共分3個區(qū)，一、二、三區(qū)集熱循環(huán)采用機械強迫循環(huán)，一、二、三區(qū)熱水供水循環(huán)采用自然循環(huán)。

3.1 工程水量的計算

3.1.1 一區(qū)、二區(qū)熱水量

熱水量是根據(jù)用水定額[6]計算求得，具體用水定額見表1，表2所示。

表1 賓館（客房）熱水用水定額Table1 Quota of hotel（room）hotwater

表2 賓館（桑拿浴室）衛(wèi)生器具的一次和小時熱水用水定額Table2 Time and hours hotwater sanitary ware quota of hotel（sauna）

（1）賓館雙人客房用水量為

（2）賓館公共廁所的洗手盆和開水爐用水量為

（3）賓館桑拿浴室單間淋浴用水量為

（4）賓館桑拿浴室通間淋浴用水量為

經(jīng)計算客房、浴室淋浴器、廁所洗手盆、開水爐熱水量為

3.1.2 三區(qū)熱水量

考慮賓館桑拿浴室低、中、溫池的耗熱量包括水面蒸發(fā)損失的熱量Qz，水面?zhèn)鲗?dǎo)損失的熱量Qch，池底和池壁傳導(dǎo)損失的熱量Qdb，管道和設(shè)備損失的熱量Qgs，補充水加熱損失的熱量Qb[7]。

低溫池的水面蒸發(fā)損失的熱量

由于浴池比較小，而且三個浴池共用一根供回水管道，因此選擇耗損10%。

低溫池補充水加熱損失的熱量為

所以浴池所需熱水量為

整個工程所需熱水量V=V1+V2=16.34+4.4=20.74≈21 m3

3.2 集熱器設(shè)計計算

根據(jù)太陽能熱水器的日產(chǎn)水量近似計算公式

按照θ=330、τ=0.85、α=0.96、UL=4W·m-2、（Te-Ti）=35℃、Δt=8 h、Ta=Ti，并假設(shè)水箱管路絕熱，計算結(jié)果見表3所示。

表3 性能優(yōu)異的太陽能熱水器的月平均產(chǎn)水量Table3 Monthly averagewater yield of solar water heaterwith outstanding properties

所以集熱器平均日產(chǎn)熱水量按65.1 kg·m-2，溫升33.8℃計算。

根據(jù)屋頂建筑面積，由此本太陽熱水系統(tǒng)配置Ф70-1800-25集熱器100臺。聯(lián)接箱外殼為鍍鋁鋅、內(nèi)膽為不銹鋼，聚氨酯保溫層厚度為60mm。

3.3 儲水箱容積的確定

水箱容積一般與日均用水量相適應(yīng)，在設(shè)計熱水系統(tǒng)時應(yīng)合理配置儲水箱與集熱面積的比例，確保系統(tǒng)水溫處在60℃左右運行，以防結(jié)垢。另外在選擇儲熱水箱時，為了考慮初投資，則選擇保溫水箱水溫為60℃。考慮屋面受力荷載，本熱水系統(tǒng)設(shè)3個儲熱保溫水箱，2個8.2m3和一個4.4m3，內(nèi)膽選用厚度1.2mm食品級不銹鋼板制作，外殼體選用彩鋼板，保溫層選用聚氨酯整體發(fā)泡，進出水管接口、溫度傳感器接口均選用不銹鋼材質(zhì)。

4 結(jié)語

太陽能集中供應(yīng)熱水系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、智能、節(jié)能、清潔，可以減少不可再生能源的消耗，對于一些需要集中提供熱水的場所應(yīng)用會越來越廣泛。系統(tǒng)采用全玻璃真空管型集熱器，其相對低廉的造價和能源的高效利用必將在建筑中得到廣泛應(yīng)用。

[1]田琦.大型太陽能熱水供應(yīng)系統(tǒng)設(shè)計的若干問題[J].中國給水排水，2001（7）：33-35.

[2]郭敬紅.大慶油田利用太陽能加熱輸送原油應(yīng)用分析[J].黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)學(xué)報，2010，22（5）：33-35.

[3]羅運俊，何梓年，王長貴，等.太陽能利用技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

[4]歐云峰，楊金華.空氣源熱泵輔助加熱太陽能集中熱水系統(tǒng)設(shè)計探討[J].給水排水，2009，35（9）：82-84.

[5]郭敬紅.某住宅樓利用太陽能集中供應(yīng)熱水工程設(shè)計[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2010（15）：3719-3722.

[6]GB 50015-2009.建筑給水排水設(shè)計規(guī)范[S].

[7]王增長.建筑給水排水工程[M].5版.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2005.