張?jiān)? 張杰 龔欣欣

摘 要：文章主要分析了應(yīng)用于民用建筑中的幾種太陽能熱水系統(tǒng)：滿足少量熱水負(fù)荷的家庭型熱水系統(tǒng)；滿足大量熱水負(fù)荷的賓館型熱水系統(tǒng)；同時(shí)滿足熱水負(fù)荷和采暖負(fù)荷的熱水系統(tǒng)。簡單分析了太陽能集熱器面積確定和輔助熱源的選擇。

關(guān)鍵詞：太陽能熱水系統(tǒng)；集熱面積；輔助熱源

引言

近些年，由于常規(guī)能源的減少和環(huán)境日益惡化，開發(fā)可再生清潔能源已經(jīng)成了世界各國的焦點(diǎn)。為了鼓勵可再生能源的利用，各國政府出臺了不同的補(bǔ)貼政策。在這樣的時(shí)代背景推動下，我國各地應(yīng)用太陽能熱水系統(tǒng)工程急劇增加。

1 太陽能熱水系統(tǒng)集熱面積

太陽能熱水系統(tǒng)包括太陽能集熱系統(tǒng)和熱水供應(yīng)系統(tǒng)[2]。在此我們只對太陽能直接加熱集熱系統(tǒng)進(jìn)行分析。

貯熱水箱容積大小是太陽能集熱系統(tǒng)的熱性能指標(biāo)，當(dāng)小于600L時(shí)，此太陽能系統(tǒng)為家用太陽能熱水器，當(dāng)大于等于600L時(shí)，常常被用于公共建筑熱水供應(yīng)系統(tǒng)中。所以只研究后者。

集熱器總面積計(jì)算公式[1]：

其中：AC：集熱器總面積，m2；QW：日平均用熱水量，L，一般取最高日用水定額的50%～60%；c：為水的定壓比熱容，4.187kJ/（kg℃）；ρ：水的密度，kg/L；te：貯水箱內(nèi)水的終止設(shè)計(jì)溫度，℃；ti：水的初始溫度℃；JT：當(dāng)?shù)丶療崞骺偯娣e上年平均日太陽輻照量，KJ/m2；f：太陽能保證率，一般在0.30～0.80內(nèi)。η：集熱器的年平均集熱效率，經(jīng)驗(yàn)取0.25～0.50。ηL：管道及貯水箱熱損失率，經(jīng)驗(yàn)取值0.20～0.30。

由公式可知集熱器總面積受各因素影響，但是通過多次的實(shí)際工程計(jì)算得出經(jīng)驗(yàn)結(jié)論：家用熱水器集熱面積一般為每人1m2設(shè)定。而商業(yè)洗浴或?qū)W校就按每人1.3～1.8m2來設(shè)定。此經(jīng)驗(yàn)可以幫助設(shè)計(jì)者在系統(tǒng)設(shè)計(jì)初期對集熱器的面積進(jìn)行預(yù)估，對方案的選擇有參考意義。

2 輔助熱源

2.1 太陽能屬于不穩(wěn)定能源，受環(huán)境氣候影響大，所以太陽能熱水系統(tǒng)必然存在能穩(wěn)定作業(yè)的輔助熱源，目前用于輔助能源就是常規(guī)能源：燃煤（氣、油）鍋爐、電、熱泵。對于輔助能源的選擇主要原則與單獨(dú)使用常規(guī)能源一樣：從可行性、經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性考慮。

2.2 太陽能熱水系統(tǒng)中由太陽能部分提供的能量占系統(tǒng)總負(fù)荷的百分比就是此系統(tǒng)的太陽能保證率[1]。由定義可以看出太陽能并不能獨(dú)自提供建筑所需的熱水負(fù)荷。按理論來說，輔助熱源所提供的熱水負(fù)荷等于日用水量的（1-f）倍。但一方面可能由于天氣氣候原因致使太陽能集熱系統(tǒng)不能產(chǎn)生理論熱水，此時(shí)輔助熱源提供熱水負(fù)荷隨著太陽能提供負(fù)荷變化。另一方面，就像上面計(jì)算的集熱面積超出了建筑可以布置面積，此時(shí)應(yīng)該使太陽能最大限度地提供負(fù)荷，剩余部分由輔助熱源滿足。

3 不同類型的太陽能熱水系統(tǒng)

3.1 提供家庭生活熱水的太陽能系統(tǒng)

家用太陽能熱水系統(tǒng)由太陽能集熱器（光感應(yīng)器）、保溫水箱（內(nèi)設(shè)電加熱器、水位和水溫感應(yīng)器）和智能控制器以及管道系統(tǒng)組成。

工作原理：當(dāng)太陽輻射量充足的情況下，光感應(yīng)器感應(yīng)光強(qiáng)度符合設(shè)定要求（在一定時(shí)間內(nèi)集熱器可以將水溫提升到設(shè)定值），并且貯熱水箱內(nèi)溫度感應(yīng)器感應(yīng)水溫達(dá)到要求值50℃時(shí)，智能控制系統(tǒng)開啟自來水管路上的電磁閥，依靠自來水的壓力將貯熱水箱的熱水壓入保溫水箱內(nèi)儲存待用。當(dāng)水溫達(dá)不到要求50℃時(shí)，集熱器繼續(xù)加熱，當(dāng)光感應(yīng)器感應(yīng)光強(qiáng)度不符合設(shè)定要求，則智能系統(tǒng)控制器控制自來水直接向保溫水箱注水，由水箱中的電加熱器加熱到50℃，供用戶使用。值得注意的是，隨著季節(jié)的變化，對于光感應(yīng)器和溫度感應(yīng)器的適應(yīng)條件都應(yīng)該降低，這樣可以提高集熱器的效率，也可以充分利用太陽能。

3.2 提供集中生活熱水供應(yīng)的太陽能系統(tǒng)

集中供應(yīng)熱水在時(shí)間上又可以分為：分時(shí)間段的熱水供應(yīng)（學(xué)校水房供水）、一段時(shí)間內(nèi)連續(xù)熱水供應(yīng)（學(xué)校洗浴中心，如14：00-20：00開門）、全天熱水供應(yīng)（高檔賓館）。先只對全天熱水供應(yīng)系統(tǒng)進(jìn)行分析，以此可以類推其他系統(tǒng)。

工作原理：太陽輻射強(qiáng)度滿足要求時(shí)（晴天白天）。早上有太陽前集熱系統(tǒng)的貯熱水箱是裝滿冷水的，當(dāng)有太陽光的時(shí)候，貯熱水箱內(nèi)的冷水經(jīng)集熱器開始循環(huán)加熱，當(dāng)溫度感應(yīng)器感應(yīng)溫度達(dá)到50℃時(shí)停止循環(huán)加熱，直接將貯熱水箱的水存儲到恒溫水箱內(nèi)供用戶使用。以此循環(huán)，當(dāng)恒溫水箱達(dá)到限制水位時(shí)停止向其內(nèi)放水。同時(shí)，貯熱水箱也在相應(yīng)的注入冷水直到限制水位。

太陽輻射強(qiáng)度不滿足要求時(shí)（陰天）。此時(shí)集熱器上的光感應(yīng)器感應(yīng)光強(qiáng)度滿足不了設(shè)定值（即光的強(qiáng)度不能在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)將水加熱到50℃），此時(shí)自動控制系統(tǒng)將貯熱水箱的水放入保溫水箱進(jìn)行加熱。當(dāng)加熱到50℃時(shí)進(jìn)入保溫水箱待用戶使用。

太陽光強(qiáng)度特別弱，如晚上或者連續(xù)陰雨天氣。此時(shí)自來水直接被送入保溫水箱直接加熱到50℃待用戶使用。

3.3 復(fù)合式太陽能熱水系統(tǒng)

復(fù)合式太陽能熱水系統(tǒng)就是太陽能和輔助熱源一起承擔(dān)冬季采暖和全年生活熱水負(fù)荷。在太陽能水箱中上層的水溫高，下層水溫較低。一般高度每下降100mm，水溫下降5℃左右。一個(gè)普通太陽能熱水器水箱上部和下部溫差相差15℃左右。下面根據(jù)以上所述水的熱分層原理[3]分析一下在工程中常常見到的采暖和生活熱水一起供應(yīng)的符合太陽能系統(tǒng)的工作原理。

工作原理：一般采暖供回水溫度95/70℃，而生活用熱水一般在50℃左右。由此可見采暖和生活用水對溫度的需求存在層次差別。又據(jù)上文可知水箱的水存在溫度分層現(xiàn)象，此系統(tǒng)就是利用兩者之間溫度關(guān)系將水箱上部溫度高的水承擔(dān)需要溫度較高的采暖而溫度較低的水滿足要求水溫較低的生活用水。這樣的設(shè)計(jì)也充分體現(xiàn)了能量梯級利用原理。

本系統(tǒng)有四個(gè)回路分別為：太陽能和采暖儲水箱形成用板式換熱器來進(jìn)行熱量傳遞的回路；生活熱水與采暖儲水箱也形成了有中間換熱設(shè)備的換熱回路；采暖負(fù)荷直接由采暖儲水箱中熱水進(jìn)行循環(huán)提供；輔助熱源在采暖水箱的水不滿足要求時(shí)直接對其進(jìn)行加熱。

集熱器吸收熱量使得其內(nèi)的工作介質(zhì)溫度升高，開啟了集熱器側(cè)的循環(huán)泵。當(dāng)太陽能集熱器連接的換熱器出口溫度高于采暖水箱溫度時(shí)，開啟換熱器回路循環(huán)泵，使集熱器中介質(zhì)加熱采暖儲水箱的水。當(dāng)換熱溫度較高時(shí)，熱水通過三通閥4流向b上水管（儲水箱上部）供采暖取熱。當(dāng)換熱溫度較低時(shí)，熱水通過三通閥4流向a管供生活熱水取熱。如果溫度感應(yīng)裝置感應(yīng)采暖水箱上部的水溫不能滿足要求，輔助熱源回路開啟對采暖水箱水進(jìn)行加熱。值得注意的是，系統(tǒng)生活需熱水的熱是取自采暖回水，兩者需要熱水溫度存在溫差因此此中設(shè)計(jì)更加合理。

4 結(jié)束語

在太陽能設(shè)計(jì)階段，太陽能集熱面積的計(jì)算一定要結(jié)合實(shí)際建筑情況，避免系統(tǒng)布置困難問題；系統(tǒng)的設(shè)計(jì)輔助熱源的選擇也應(yīng)該考慮經(jīng)濟(jì)性環(huán)保性，也理論分析了輔助熱源在系統(tǒng)中提供的負(fù)荷大?。幌到y(tǒng)的介紹了太陽能與建筑結(jié)合的典型系統(tǒng)，有利于以后系統(tǒng)設(shè)計(jì)參考。

參考文獻(xiàn)

[1]鄭瑞澄.民用建筑太陽能熱水系統(tǒng)工程技術(shù)手冊[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006.

[2]陳仕泉，黃夏東，謝竹雯，等.太陽能空氣源熱泵集成熱水系統(tǒng)[J].暖通空調(diào)，2011，41（8）.

[3]高援朝，沙永玲，王建新.太陽能熱利用技術(shù)與施工[M].北京：人民郵電出版社，2012.

作者簡介：張?jiān)迹?988，8-），女，在讀碩士研究生，主要研究方向：可再生能源利用與集中供熱新技術(shù)。