太陽能熱水系統在皖西地區城鎮建筑中的應用初探

余才銳 張雙喜 沈冬梅

太陽能熱水系統在皖西地區城鎮建筑中的應用初探

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隨著城市生活低碳化，節能環保已經成為城鎮建筑發展一個重要因素，因此太陽能利用就成為一個不可或缺的節能措施。本文介紹了太陽能集中熱水系統的原理，提出一種適合皖西地區使用的太陽能熱水系統，并將該系統投入建設、使用，經經濟測算得出，該系統不僅取得很大的經濟效益，并且還將取得良好的社會效應。

皖西地區；太陽能集中熱水系統；節能

隨著城市化水平的提高，住宅建筑數量逐年遞增，質量也日益提高。新建住宅配套生活熱水供應設施已經成為房地產開發商提高樓盤品質的有效手段之一。皖西地區夏熱冬冷，絕大部分住宅沒有集中生活熱水供應。這是因為集中熱水供應系統一般按小區規模設計，且一次建成，設備投資大。又受小區居民用水的不均勻性和不確定性的影響，常使系統低負荷運行，系統供熱效率低。室外管網一般采用鍍鋅鋼管向用戶直接供水，由于間歇供水，系統反復進行充水、充氣的循環，腐蝕嚴重，供水初期會有黃水出現，這些限制著集中供應生活熱水系統的應用。但是，絕大部分住宅設有燃氣熱水器和電熱水器等局部熱水供應系統，由于該類熱水供應能耗較高，預計不會成為今后住宅熱水供應的主流。隨著熱水供應技術的發展，人們開始把目光投向太陽能熱水供應系統。太陽能作為無污染的綠色能源，近幾年在住宅建筑熱水供應中得到快速發展，它能提供滿足人們生活需要的熱水。

一、區域特征

圖1 熱管真空管太陽能熱水器工作原理

皖西地區地處北緯31.76°，東經116.50°。總體來說，皖西地區年輻射總量水平大約在4580MJ/ (m2.a)，年平均輻射量總量12.5MJ/(m2.a)，屬于我國第三類太陽能資源帶 [4200～5400MJ/(m2.a)]，可以實施太陽能資源利用，為太陽能集中熱水系統創造了條件。

從2009年3月1日起，安徽省地方標準 《太陽能利用與建筑一體化技術標準》 （DB34854-2008）開始實施，強制要求新建12層及以下住宅和新建、改建和擴建的賓館、酒店、商住樓等有熱水需求的公共建筑，應統一設計和安裝太陽能熱水系統；城鎮區域內12層以上新建住宅應用太陽能熱水系統，必須進行統一設計、安裝。同時，對該標準出臺的強制性規定要確保落實到位。

二、太陽能集中熱水系統的原理

太陽能熱水系統一般由集熱器、儲熱水箱、管道系統和控制系統四大部分組成，見圖1。集熱器有全玻璃真空管式、熱管式等形式。全玻璃真空集熱管熱水器制取熱水原理是：全玻璃真空集熱管是雙層玻璃結構，外管是透明的玻璃管，內管內部走水，內外層玻璃之間為真空，在內玻璃管的表面上利用特種工藝涂有光譜選擇性吸收涂層，用來最大限度的吸收太陽輻射能。經陽光照射，光子撞擊涂層，太陽能轉化成熱能，水從涂層外吸熱，水溫升高，密度減小，熱水向上運動，而比重大的冷水下降。熱水始終位于上部，即儲熱水箱中。通過在真空集熱器內形成冷水由上而下、熱水由下而上的水流循環，使保溫水箱內的水溫逐漸升高。太陽能熱水器中熱水的升溫情況與外界溫度關系不大，主要取決于光照。陰雨天時使用輔助電加熱裝置，即能實現全天候使用熱水。在實際的工程中，見圖2所示的原理圖。太陽能熱水器配備水溫﹑水位顯示能夠自動斷電及多種保護功能的控制器，保證用戶在長時間陰天或水溫偏低的情況下也能得到滿意的熱水。

圖2 太陽能集中熱水系統示意圖

三、太陽能集中熱水系統運行分析

1.太陽能加熱

對于太陽能熱水器定時用水系統，采用循環加熱的方式比較合適。由于使用已有的儲熱水箱，且水箱位置不高于太陽能集熱器，因此該系統不能采用自然循環的方式，而采用強制循環的方式。在光照條件下，當集熱器內水溫高于儲水箱內水溫時，溫差控制器使循環水泵自動通電循環；當集熱器內水溫不高于儲水箱水溫時，溫差控制器使循環水泵自動停止；如此不斷地將儲熱水箱內的水加熱。

2.電、蒸汽輔助加熱

若太陽能加熱的水溫低于要求的45℃時，電加熱或蒸汽輔助加熱自動啟動，以保證洗浴熱水水溫。在設定的時間內 （可任意設定，一般應設定在用水前2小時內），溫控儀自動檢測儲熱水箱水溫，若溫度高于設定值，輔助加熱不啟動，若溫度低于設定值，輔助加熱自動啟動，當水箱水溫達到設定溫度時，輔助加熱自動停止。在冬季用蒸汽輔助加熱，其它季節使用電輔助加熱。

3.自動上水和定時用水

在設定用水時間內，儲熱水箱上水電磁閥自動關閉，用水電磁閥自動打開；在其它時間上水電磁閥自動打開，用水電磁閥自動關閉，水箱上滿冷水后，浮球閥自動關閉。

四、太陽能系統的實際應用

該工程為皖西地區的某住宅樓，采用太陽能集中熱水系統，該住宅樓層為6層，4個單元，供給48戶，按每戶用水人數3～5人考慮，熱水用量160升/戶。該系統總水量為160升/戶×48戶=7680升。

1.系統配置

本系統采用光熱轉換設備—集熱器是配有50支直徑47mm，長度1500mm的全玻璃真空管組成的聯集管式集熱器，見圖3。為了保證系統能24小時連續供應熱水，我們將水箱設計成兩個部分。一個是恒溫水箱，可以直接向用戶供應熱水；另一個是儲熱水箱，用于存儲熱水，并隨時給水箱補水，本系統設計水箱的容量為8噸，將恒溫水箱和儲熱水箱的容量配比設定3：2，以達到保證熱水24小時連續供應的使用目的。系統的輔助加熱應保證在規定的時間內 （用水高峰期）提供足夠的熱水，輔助熱源在水溫低于設計值 （一般為50℃）的開始加熱恒熱水箱內的水，輔助加熱至少應提升30的溫差，根據住宅樓用戶的情況，采用電加熱器為輔助熱源。我們設想在用水高峰的4個小時內提供最大熱量，則電加熱器的理論最大功率為85千瓦。

2.太陽能集中熱水系統的經濟分析

假設每戶購置一臺容量為120升的太陽熱水器，全國零售價大致為3280元/臺，安裝一般由廠家免費安裝，則本例住宅樓用戶總計費用為157740元，使用集中熱水供應系統較安裝同樣容量的分戶式太陽熱水器節約近7萬元。

該工程投入運行以后，工程部對整個工程進行測試，數據見下表：

圖3 工作原理圖

項目 日耗電（KWh）日電費（KWh）電能加熱（元/年）太陽能輔助電加熱（元/年）節約費用（元/年）電能 297 140 51100 14000 37100

從上表可以看出，年節約費用為 37100元，可以取得很大的經濟效益。

五、結論

1.太陽能作為一項方便可行的節能技術，合理的選型與設計是使其充分發揮熱能效的重要途徑，與建筑方案設計同步進行考慮，根據樓盤的社會定位、實際用途和規模等綜合考慮太陽能系統的設置，可以減少重復投資和不必要的浪費，達到效率最大化，共同創建綠色能源社會。

2.皖西住宅樓太陽能熱水器熱水供應系統具有很好的經濟性，投資回收期2～3年，年運行費用遠低于常規熱水系統，節能效果明顯，值得大力推廣應用，但是今后應該加強太陽能熱水系統與建筑一體化的開發。

3.通過工程的運行情況，太陽能熱水系統在皖西地區的應用是可行的，值得進一步推廣的必要。

[1]任社明,毛軍.安徽省太陽能建筑一體化供熱技術應用.陽光能源,2010,4:44～45

[2]樊建軍,梅勝,何芳主編.建筑給水排水及消防工程.北京:建筑工業出版社2005.58～60

[3]楊金良.某學校太陽能熱水系統的設計.農村能源，2002，2：14～15

TU832.17

C

1671-3362（2011）05-0040-03

項目來源：六安市定向委托皖西學院市級研究項目（2010LW004）

1皖西學院建筑與土木工程工程學院2青島理工大學市政與環境工程學院)