鄭亞娟 李向軍

【摘要】本文介紹住宅太陽能集中集熱-分戶儲熱熱水系統(tǒng)的應(yīng)用，結(jié)合工程實例，簡要介紹了住宅太陽能熱水系統(tǒng)的集熱器選型、布置 、系統(tǒng)設(shè)置等，供設(shè)計人員參考。

【關(guān)鍵詞】太陽能熱水；集中集熱-分戶儲熱；住宅；燃?xì)鉄崴?/p>

隨著經(jīng)濟(jì)社會快速發(fā)展，能源需求量不斷增加，能源已經(jīng)成為影響各地經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的主要因素之一，常規(guī)能源日趨緊張，而太陽能是最完美的能源替代方案，太陽能是一種潔凈的自然再生能源，取之不盡，用之不竭，而且太陽能是所有國家和個人都能夠分享的能源，研究太陽能利用與建筑的“一體化設(shè)計”已成為當(dāng)前建筑節(jié)能的一個重要課題。

北京市太陽能熱水系統(tǒng)城鎮(zhèn)建設(shè)應(yīng)用管理辦法【2012】3號文件指出，新建建筑的太陽能熱水系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)按照國家和北京市有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，進(jìn)行太陽能熱水系統(tǒng)與建筑一體化設(shè)計，做到建筑物外觀協(xié)調(diào)、整齊有序，并實行與建筑主體同步規(guī)劃設(shè)計、同步施工安裝、同步驗收交用。城鎮(zhèn)公共建筑和7至12層的居住建筑，應(yīng)設(shè)置集中式太陽能集熱系統(tǒng)，13層以上的居住建筑，當(dāng)屋面能夠設(shè)置太陽能集熱器的有效面積大于或等于按太陽能保證率為50%計算的集熱器總面積時，應(yīng)設(shè)置集中式太陽能集熱系統(tǒng)。

近幾年關(guān)于太陽能的應(yīng)用也接觸了不少，下面就以工程為實例，就住宅屋面集中集熱、分戶貯熱太陽能熱水系統(tǒng)設(shè)計及計算做一次專項介紹。

1.工程概況

本工程為北京朝陽區(qū)來廣營某住宅項目，地下2層，地上7層，分兩個單元，共28戶，按北京市現(xiàn)行規(guī)范要求設(shè)置太陽能熱水系統(tǒng)，采用集中集熱、分戶貯熱太陽能熱水系統(tǒng)，太陽能熱水機(jī)房設(shè)置在地下一層。

2.太陽能熱水系統(tǒng)設(shè)計

2.1太陽能熱水系統(tǒng)形式的比較

目前太陽能熱水系統(tǒng)主要系統(tǒng)形式分為：分散系統(tǒng)、集中系統(tǒng)、集中-分散系統(tǒng)。其中分散系統(tǒng)指各戶分散集熱、貯熱、輔助加熱的系統(tǒng)；集中系統(tǒng)指集中集熱、集中貯熱、集中輔助加熱的系統(tǒng)；集中-分散系統(tǒng)指集中集熱、集中或分散貯熱、分散輔熱的系統(tǒng)。各系統(tǒng)在《居住建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》配套圖集 PT-891中已有詳細(xì)的介紹。三類系統(tǒng)相對比集中-分散系統(tǒng)對建筑外形的影響、系統(tǒng)的運行維護(hù)、計費管理上都更具優(yōu)越性，因此越來越廣泛地采用于住宅建筑。

2.2集中集熱、分戶儲熱系統(tǒng)的設(shè)計

本工程住宅太陽能采用集中集熱-分戶儲熱太陽能熱水系統(tǒng)，太陽集熱板集中設(shè)于屋頂，集熱系統(tǒng)采用強(qiáng)制循環(huán)，間接加熱方式加熱。一般太陽能機(jī)房都設(shè)置在屋頂，本工程由于地上面積有限，樓梯間限高原因，應(yīng)甲方要求，太陽能機(jī)房設(shè)置在地下一層，集熱熱水短時間存儲在地下一層設(shè)備間的緩沖水箱內(nèi)，達(dá)到設(shè)定溫度后通過水泵和室內(nèi)管路循環(huán)換熱，把熱量分戶儲存到每家每戶的換熱水箱內(nèi)，每家設(shè)置一臺臥式換熱水箱（內(nèi)置換熱盤管），戶內(nèi)換熱水箱的出水管連接到燃?xì)鉄崴鬟M(jìn)水管，使用燃?xì)鉄崴髯鳛檩o助熱源。按照設(shè)定，系統(tǒng)只要有足夠熱量就將熱量儲存到各家各戶的水箱中，當(dāng)太陽能資源不足或陰雨天氣時，換熱水箱中的水溫不足，低溫水在通過燃?xì)鉄崴鲿r自動被加熱至設(shè)定溫度，以保證舒適的熱水使用，該系統(tǒng)由太陽能集熱器、換熱水箱、落水水箱、熱水供回水管道、循環(huán)泵組和必要的控制設(shè)備等組成，集中集熱系統(tǒng)采用溫差循環(huán)模式控制，控制儀表采用溫差循環(huán)和定溫循環(huán)雙重模式控制，控制儀表采用PLC太陽能熱水系統(tǒng)智能編程控制器。

各住戶使用自家水箱里的熱水和輔助能源，不存在收費問題；不受樓層高低限制，并可以實現(xiàn)太陽能熱能資源共享；運行過程中，用戶無須支付太陽能產(chǎn)生的熱量的費用，只需支付少量熱媒循環(huán)所需的費用；集熱器集中放置在屋面位置，采光好，建筑平面布局相對靈活，各戶貯水箱放置在各戶室內(nèi)的廚房，靠近樓梯間管井，戶內(nèi)水箱承壓運行并結(jié)合燃?xì)鉄崴鬏o助加熱，熱水與冷水同源同壓供水，易于平衡；只有一個系統(tǒng)，運行可靠，上樓維修率低，樓面太陽能可由物業(yè)負(fù)責(zé)維護(hù)管理，能夠更有效地保證系統(tǒng)長期運行穩(wěn)定，可以根據(jù)樓面建筑情況靈活布局，最容易實現(xiàn)與建筑物相協(xié)調(diào)，屋頂集熱熱水管道。

系統(tǒng)為方便使用和安全可靠，采用承壓型儲熱水箱，并由戶內(nèi)燃?xì)鉄崴鬏o助加熱。因此水箱+燃?xì)鉄崴杀靖?，從而造成系統(tǒng)成本較高，輔能源單一，另一方面，燃?xì)鉄崴髯鰹檩o助熱源更多的適用于中低端住宅樓，燃?xì)鉄崴魉疁厣?5℃時，熱水器每分鐘產(chǎn)熱水量12L/min左右，不適合衛(wèi)生間較多，用水量大的高級住宅。

3.工程相關(guān)計算及設(shè)備選型

3.1當(dāng)?shù)貧庀?、地理條件

北京地理位置：東經(jīng)116°20′、北緯39°56′之間。

當(dāng)?shù)啬晏柲茌椪樟浚核矫?178.754MJ/m2，當(dāng)?shù)鼐暥葍A角表面5844.4MJ/m2。根據(jù)民用建筑太陽能熱水系統(tǒng)工程手冊可得知北京地區(qū)同緯度太陽能月平均日輻照量為表1所示。

3.2集熱器總面積計算（表中規(guī)范均指《建筑給水排水設(shè)計規(guī)范》GB50015-2003（2009年版），見表2）

由于系統(tǒng)有換熱，為間接系統(tǒng)，所以集熱器面積需要按下表進(jìn)行修正（見表3）。

3.3集熱器確定

本工程最終選用熱管型集熱器，通過計算間接系統(tǒng)采用集熱器規(guī)格C4-SD8×16L，4.33m2/組，每組集熱器16支Ф100mm×2000mm熱管真空管組成，本樓28戶需要安裝17組73.61m2，滿足表3計算要求。

太陽能集熱器與建筑同方位，吸熱翅片朝向正南，保障周邊無附屬建筑物的遮擋，為了最大限度的吸收太陽能輻射，根據(jù)當(dāng)?shù)鼐暥扰c項目的實際情況，集熱器外觀安裝角度為0度，即水平安裝，真空管內(nèi)的吸熱翅片調(diào)整為40度，保證吸熱效率不受影響。

3.4循環(huán)流量及集熱循環(huán)水泵選擇

集熱循環(huán)流量按照集熱面積流量確定，每平米集熱器面積按0.012L計算，水泵流量70L/min；集熱系統(tǒng)采用同程連接，集熱器水泵揚程，考慮集熱器頂與貯熱水箱最低水位之間的幾何高差（本工程太陽能熱水機(jī)房設(shè)于地下一層）、沿程及局部阻力損失、計算得0.35MPa（計算過程略）；機(jī)房內(nèi)設(shè)置緩沖水箱。

3.5燃?xì)鉄崴骷皟崴涞倪x取

輔助熱源采用家用燃?xì)鉄崴?，電能直接作為輔助熱源已不符合節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，故分散輔助加熱優(yōu)先選用燃?xì)鉄崴鳎x取的燃?xì)鉄崴鲙в斜ＷC使用安全的裝置。而目前家太燃?xì)鉄崴髅糠昼姷漠a(chǎn)水量約12L左右，不適用于戶內(nèi)設(shè)有浴盆的用水量大的系統(tǒng)。每戶廚房設(shè)一臺100升換熱水箱，換熱水箱需要的真空熱管集熱器面積為1.362m2，表3集熱器面積滿足要求。

4.太陽能系統(tǒng)功能說明

4.1太陽能熱水系統(tǒng)原理（示意圖如下）

4.2溫差強(qiáng)制循環(huán)加熱

太陽能熱水系統(tǒng)采用溫差強(qiáng)制循環(huán)方式運行。溫度傳感器將集熱器出口溫度T1、緩沖水箱溫度T2傳遞給控制器。當(dāng)T1-T2>溫差循環(huán)啟動值時，控制器發(fā)出控制信號，啟動太陽能循環(huán)泵，系統(tǒng)開始循環(huán)，不斷地將集熱器吸收的熱量置換到緩沖水箱中，隨著緩沖水箱內(nèi)熱水溫度不斷提高，T1與T2之間溫差越來越小，直至T1-T2<溫差循環(huán)停止值時，控制器關(guān)閉太陽能循環(huán)水泵。

4.3戶側(cè)熱水系統(tǒng)

用戶側(cè)熱水循環(huán)泵是定溫循環(huán)。當(dāng)緩沖水箱溫度T3≥60℃時，用戶側(cè)熱水循環(huán)泵開始運行，當(dāng)緩沖水箱溫度T3≤55℃，P2停止。運行溫度設(shè)定值可調(diào)。

4.4太陽能系統(tǒng)補(bǔ)水

太陽能熱水系統(tǒng)水中的循環(huán)介質(zhì)水作為熱媒使用，并沒有使用消耗，所以減少量很少，減少的量基本上都是由于蒸發(fā)引起的。其補(bǔ)充水量通過水箱上面安裝的電磁閥來實現(xiàn)，當(dāng)緩沖水箱中的水位下降到某一高度時電磁閥開啟給系統(tǒng)補(bǔ)水，當(dāng)水位達(dá)到設(shè)定水位時，電磁閥關(guān)閉，停止給系統(tǒng)補(bǔ)水。補(bǔ)水管設(shè)水表及倒流防止器。

4.5太陽能系統(tǒng)防凍

系統(tǒng)防凍：本太陽能熱水系統(tǒng)采用回流防凍的方式防凍（要求集熱器的最低位置高于水箱的最高位置，同時集熱器和管路要有不小于1%的坡度，坡向水箱，有利于排空），另一個方案屋面供水換熱管路防凍采用電伴熱帶防凍，也就是在屋面供水換熱管路上設(shè)置管路溫度傳感器以及纏繞電伴熱帶，當(dāng)屋面管路溫度低于設(shè)定的啟動溫度時，電熱帶通電加熱，防止管路凍結(jié)，直到屋面管路溫度高于設(shè)定的停止溫度時，電伴熱帶斷電，以此保護(hù)屋面供水換熱管路不在冬季發(fā)生凍結(jié)。

4.6太陽能系統(tǒng)過熱保護(hù)

過熱保護(hù)主要是指水箱過熱保護(hù)。在天氣情況很好的情況下，很容易就能夠加熱出足量熱水，若此時分戶水箱中的熱水均達(dá)到使用溫度時，水箱中的水還會通過強(qiáng)制循環(huán)加熱持續(xù)升溫，考慮水箱的安全使用和用水不至于過熱等因素，我們設(shè)定水箱高溫保護(hù)。

4.7系統(tǒng)水泵運行保護(hù)

控制器對太陽能系統(tǒng)中的水泵均有低水位保護(hù)功能，即當(dāng)水箱中的水位低于最低水位時，控制器關(guān)閉水泵運行，防止水泵干抽。由于太陽能循環(huán)系統(tǒng)中的水未被用戶直接利用，因此損失的水量也不至于達(dá)到最低水位，但為了系統(tǒng)的安全可靠，需要設(shè)置水泵的保護(hù)措施。

5.結(jié)論

目前集中集熱-分戶儲熱太陽能是在住宅中常用的熱水系統(tǒng)，筆者結(jié)合實例就是將太陽能熱水系統(tǒng)所包含的集熱器、儲熱裝置、循環(huán)泵、輔助加熱設(shè)備以及管路等，與建筑充分結(jié)合并實現(xiàn)整體外觀的和諧統(tǒng)一，而集中集熱、分戶儲熱系統(tǒng)還可以減少分?jǐn)傎M用，便于物業(yè)管理，在住宅設(shè)計中已成為主流的太陽能熱水解決方案。

參考文獻(xiàn)

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[3]《綠色建筑評價標(biāo)準(zhǔn)》GB/T 50378-2006.中國計劃出版社2006

[3] 鄭瑞澄.民用建筑太陽能熱水系統(tǒng)工程技術(shù)手冊.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006.2

（作者單位：北京冠亞偉業(yè)民用建筑設(shè)計有限公司）

【中圖分類號】TU111.45

【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】B

【文章編號】1671-3362（2018）10-0048-03