集中式太阳能热水系统 [集中式太阳能热水系统设计工程实例]
时间：2019-04-22 03:18:52 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
【摘 要】 针对项目主要热水用水集中供应、太阳能资源较丰富区宜优先采用太阳能作为热水供应热源的优先条件、辅助热源为燃气锅炉等特点，提出该项目集中热水供水系统采用太阳能热水机械循环直接供水系统。介绍了集中式太阳能热水系统组成、设计参数、系统运行控制、设计总结等，可为类似工程项目太阳能热水系统设计提供参考。
【关键词】 太阳能；辅助热源；集中供热
【中图分类号】 TU211.395 【文献标识码】 B 【文章编号】 1727-5123（2012）03-081-03
太阳能作为一种清洁安全的可再生能源， 对于减少人类有害的活动（ 如工业污染和毁坏树林） 、增强人类可持续发展能力起着重要作用。随着人们环境意识的提高， 太阳能的应用已经越来越广泛， 特别是太阳能热水器已经进入千家万户， 而大型太阳能热水系统也已在宾馆、饭店、公共浴池、商品住宅等建筑中开始应用[1]。
在目前的太阳能利用研究中光热转换效率一般大于４０％，而光电转换效率１５％左右[2]，因此太阳能热水是目前太阳热能应用发展中最具经济价值、技术最成熟且已商业化的一项应用产品。太阳能热水系统是利用集热器收集太阳能转换成热能并集中储存的系统，系统主要包括集热器、贮热水箱和提供冷水与热水的管道组成以及辅助能源装置和控制装置[3]。
太阳能集热和热水供应可划分为集中供热水系统、集中－分散供热水系统和分散供热水系统３种方式[4]，在不破坏建筑风格的前提下，采用太阳能集中供热水系统可减少初投资，热损失小[5]。
依据《全国民用建筑工程设计技术措施，给水排水》（２００９），我国各地太阳能条件分为四个等级：资源丰富区、资源较丰富区、资源一般区和资源贫乏区，不同等级地区有不同的年日照时数和不同的年太阳辐照量。北京地区属于资源较丰富区，年总日照时数为２７５５．５ｈ，水平面上年平均日太阳辐照量为５１７８．７５４ＭＪ／（ｍ２·ｄ），年极端最低温度为－１８．３℃，符合《建筑给水排水设计规范》（ＧＢ ５００１５－２００３，２００９版）中宜优先采用太阳能作为热水供应热源的优先条件（当日照时数大于１４００ｈ／年且年太阳辐射量大于４２００（ｍ２·ｄ）及年极端最低气温不低于－４５℃的地区，宜优先采用太阳能作为热水供应热源）。
１ 工程概况
昌平某生命科学园坐落于昌平区中关村科技园区内。园区南邻北清路，东边为中关村国际商城，地上总建筑面积为１８６３５４ｍ２，拟分四期进行建设。该本项目为一期工程，一期为一座高档办公楼，地上四层，地下二层，檐高高度为２０．９ｍ，地上总建筑面积３８５７７ｍ２，包括办公区域及数据中心两大部分。
该项目办公楼内设全日生活热水供应系统，地上各层卫生间采用电热水器分散供水，地下一层采用集中式太阳能热水系统供水。集中式太阳能热水主要用户为地下一层餐厅／厨房、卫生间、淋浴室、后勤服务区、员工宿舍等。
该项目集中热水供水系统采用太阳能热水机械循环直接供水系统，供水温度为５５℃，回水温度为５０℃。由于该项目办公楼内设有数据机房，夏季机房空调制冷量较大，设燃气制冷机组及燃气锅炉房，故此集中热水供水夏季以太阳能集热为主，以燃气热水锅炉作为辅助热源（该项目不具备市政供热条件）生活水补水温度按１５℃计；冬季则以燃气热水锅炉作为主要热源，生活水补水水温度以５℃计。
２ 工程设计
２．１ 设计依据。《民用建筑太阳能热水系统应用技术规范》 ＧＢ ５０３６４－２００５。《太阳能热水系统施工技术规程》ＤＢ １１／Ｔ ４６１－２００７。《建筑给水排水设计规范》ＧＢ ５００１５－２００３（２００９版）。《全国民用建筑工程设计技术措施·给水排水》２００９版
２．２ 太阳能热水机械循环直接供水系统及辅助加热系统。太阳能热水机械循环直接供水系统及辅助加热系统设计见图１。
图１ 太阳能热水机械循环直接供水系统及辅助加热系统
太阳能热水机械循环直接供水系统及辅助加热系统包括“Ｕ”型真空管集热器组、太阳能热水贮水箱、集热器至贮热水箱间集热循环泵、两贮热水箱间热水循环泵、热水供水系统循环泵、辅助热源及导流型容积式换热器、膨胀罐、温度、压力及水位等信号取源部件、电动执行阀、电控柜或ＰＬＣ、ＤＤＣ等。
２．３ 集中热水供水系统。集中热水供水系统设计见图２。
图２ 集中热水供水系统
集中热水供水采用机械循环系统。热水供水管与回水管同程布置，并采用支管循环。淋浴热水供水管在淋淋浴间内环形布置。供水温度为５５℃，回水温度为５０℃。热水经导流型容积式换热器由热水管道系统输送至地下一层餐厅／厨房、卫生间、淋浴室、后勤服务区、员工宿舍等用水点。
２．４ 太阳能集中热水系统运行控制。太阳能集中热水系统中有两个热水贮水箱（Ａ和Ｂ），Ａ水箱通过集热循环泵Ｐ１－ａ、Ｐ１－ｂ（一用一备）与集热器组相连；Ａ、Ｂ水箱间通过换热循环泵及高位连通管相连；Ｂ水箱通过热水供水管道与换热器相连；热水供水系统循环泵为Ｐ２－ａ、ｂ（一用一备）；太阳能集热器取源温度为Ｔ１，贮热水箱Ａ取源温度为Ｔ２，贮热水箱Ｂ取源温度为Ｔ３，Ａ、Ｂ水箱由低到高依次设有１、２、３、４四个水位。
2.4.1 自动补水：白天当Ｂ水箱水温≤６０℃且水位至３水位及以上时，自动补水阀停止补水；当Ｂ水箱水温≥６３℃时，自动补水阀开始补水（至４水位时停止），超４水位溢流并报警；当Ｂ水箱水位低于２水位时，自动补水阀开启并补水至３水位时停止；当Ｂ水箱水位低于１水位时，自动补水阀强制开启并报警；夜间定时（如凌晨２点，可调）补水至４水位。（注：自动补水设有旁通阀，在自动阀出现故障状态下，可切换为手动操作）
2.4.2 集热板与Ａ水箱之间的温差循环：Ｔ１－Ｔ２≥５℃（可调）时，Ｐ１－ａ或Ｐ１－ｂ启动；Ｔ１－Ｔ２≤２℃（可调）时，Ｐ１－ａ或Ｐ１－ｂ停止。 2.4.3 冬季运行模式的切换。①当连续５天Ａ水箱内最高温度Ｔ２＜３０℃（可调）时，进入冬季运行模式，Ｂ水箱的出水、回水、自动补水管切断；②当Ｔ１≤５℃（可调）时，Ｐ１－ａ或Ｐ１－ｂ开启进行循环，当Ｔ１≥１５℃（可调）时，Ｂ水箱出水、补水管启用，回水管切断，出水作为预热水使用。
2.4.4 夏季高温断续循环模式：当Ｔ１≥９０℃（可调）且仅高于Ａ水箱水温度２～１０℃（可调）范围内时，Ｐ１－ａ或Ｐ１－ｂ每循环运行１０分钟，停止运行２０分钟，以防炸管。
2.4.5 Ａ、Ｂ水箱间循环泵的温差循环：当Ｂ水箱水温≤６０℃（可调）且Ｔ２－Ｔ３≥５℃（可调）时，换热循环泵开启；当Ｂ水箱水温≥６３℃时，换热循环泵强制停止循环，Ｔ２－Ｔ３≤２℃（可调）时，换热循环泵停止循环。
2.4.6 导流型容积式换热器辅助热源的运行。①当Ｂ水箱出水温度≤５５℃（可调）时，热媒供水电动阀开启（并可调节开度），当Ｂ水箱出水温度≥６３℃（可调）时，热媒供水管电动阀关闭。②Ｂ水箱内水温≥５５℃（可调）时，供至Ｂ水箱的回水管电动阀开启，供至换热器的回水管电动阀关闭。③Ｂ水箱内水温＜５５℃（可调）时，供至Ｂ水箱的回水管电动阀并闭，供至换热器的回水管电动阀开启。④供至换热器的补水管控制：当处于冬季运行模式①或Ａ、Ｂ水箱故障检修时开启，其余条件下关闭。
2.4.7 Ａ或Ｂ水箱故障检修（备用模式）：当Ａ或Ｂ水箱处于故障检修时，可通过其备用管道实现与集热板的连接，水箱间的循环泵停止运行，运行中水箱的水温在３０～６３℃（可调）范围内时，可按正常状态运行，当水箱的水温＜３０℃（可调）时，进入冬季运行模式；当水箱中水温≥６３℃（可调）且水位已至４水位时，其出水管、回水管切断；当Ｔ１≥９０℃（可调）且仅高于水箱水温度２～１０℃（可调）范围内时，进入夏季运行模式。
２．５ 太阳能集热器设计参数。
2.5.1 用水温度：由于太阳能集热器效率随产热水温度升高而降低，且热水用途为主要为厨房洗涤和洗浴，确定太阳能热水供水温度为５５℃。
2.5.2 用水水质：对于普通太阳能热水系统，热水水质是考虑热水是否结垢和对管道、设备是否腐蚀的重要因素，由于水加热后，温度升高使钙、镁盐类溶解度降低，易形成水垢而附在管壁和设备内壁上，降低管道输送能力和设备的导热系数，同时水温升高，会使溶解氧逸出，增加水的腐蚀性。关于水质对管材的影响设计时予以考虑。
2.5.3 产水量：根据《建筑给水排水设计规范》GB 50015-2003（2009版）的规定，各项生活热水用水定额均按规范中规定的生活热水用水定额的下限值选取。以此计算平均日生活热水用量约为10m3/d（60℃），折合成55℃的热水为11 m3/d。
2.5.4 单位集热器日产水量：根据GB/T50364-2005《民用建筑太阳能热水系统应用技术规范》中列出的直接加热集热器面积计算公式计算:
Ac=Qrd×C×ρr(tr-tL)f/(Jt×η×(1-ηL))
式中：
Ac：直接加热集热器总面积，(m2)；
Qrd：日产水量(L/d)；
C：水的比热容，4.187kJ /(kg·℃)；
ρr：对应热水温度tr下的热水密度(kg/L)
tr：集、贮热水箱内热水设计温度，℃；
tL ：冷水温度，℃；
f：太阳能保证率，无量纲，根据系统使用期内的太阳辐照量、系统经济性及用户要求等因素综合考虑后确定，宜为0.3~0.8，北京地区属太阳能资源较富区，设计选取0.5；
Jt：当地集热器采光面上的年平均日太阳辐照量[kJ/( m2·d)，设计集热器按50°倾角安装，采光面上设计取值为14188.37 kJ/( m2·d)；
η：集热器年平均集热效率，按集热器产品实测数据确定，经验值为45~50%，设计取值为50%；
ηL：贮水箱和管路热损失率，取15~30%，设计取值为20%。
根据上述公式，计算得出本项目产生1m3/d生活热水（55℃），太阳能系统需配置14.8m2集热器。
2.5.5 系统配置集热器面积：太阳能热水系统产水量为11 m3/d（55℃），太阳能系统需配置14.8×11=163m2集热器。该工程采用真空管集热器，真空管中走 “U”型管，“U”型管内走水，而真空管中不走水，当真空管破裂时，可单独对其进行更换，系统其它部分不受影响。U型管的进出水管串接，再将所有组件并联连接在供回水管路上，通过水泵强制循环将经太阳能加热后的热水输送到机房贮热水箱中。
2.5.6 太阳能集热器屋面占地面积：为满足太阳辐照量要求，该项目太阳能集热器的安装倾角为50°(侧重冬季使用时，安装角度=当地纬度+10)，共163/5.4=30组（依据某品牌太阳能单组集热器面积），占用屋面积约为320m2（含太阳能换热机房面积）。布置形式见下图3。
图3 太阳能集热器屋面布置图
2.5.7 太阳能贮水箱容积：为充分利用太阳能的热量，设置有效容积为11m3的不锈钢贮热水箱两个，贮存全天生活热水用水量。
2.5.8 辅助热源及容积式换热器：为保证在阴雨、低温等太阳能资源不足的气候条件下，生活热水系统能够满足使用要求，在太阳能系统供水管路上串联导流型容积式换热器，以生活-采暖两用燃气热水锅炉作为辅助热源，加热生活热水。辅助热源及容积式换热器均按全日供应生活热水配置，设计小时耗热量为146.5kW，设计小时热水量为2.33m3，采用导流型容积式换热器两台，总贮水量为3m3。
3 设计总结
3.1 在太阳能资源丰富地区有效地利用太阳能可达到建筑物绿色节能的目的。
3.2 集中式太阳能热水系统的设计难点在运行模式的控制，运行模式的合理分配可保证对太阳能的充分利用，以达到节能减排的目的。
3.3 太阳能集热系统的冬季防冻和夏季防过热问题的解决，可保证太阳能集热系统的安全可靠运行。
3.4 辅助热源的合理设置是热水供水系统可靠运行的保证。
参考文献
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2 董仁杰等.太阳能热利用工程.北京:中国农业科学出版社[M],2006
3 赵芳等.基于典型用水模式下太阳能热水系统性能分析与优化[J].
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4 孙国林等.小高层学生公寓太阳能中央热水系统方案分析[J].能源
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