太陽能熱水系統在民用建筑中的應用

張元芳 張杰 龔欣欣

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

關鍵詞：太陽能熱水系統；集熱面積；輔助熱源

引言

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

1 太陽能熱水系統集熱面積

太陽能熱水系統包括太陽能集熱系統和熱水供應系統[2]。在此我們只對太陽能直接加熱集熱系統進行分析。

貯熱水箱容積大小是太陽能集熱系統的熱性能指標，當小于600L時，此太陽能系統為家用太陽能熱水器，當大于等于600L時，常常被用于公共建筑熱水供應系統中。所以只研究后者。

集熱器總面積計算公式[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：貯水箱內水的終止設計溫度，℃；ti：水的初始溫度℃；JT：當地集熱器總面積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。η：集熱器的年平均集熱效率，經驗取0.25～0.50。ηL：管道及貯水箱熱損失率，經驗取值0.20～0.30。

由公式可知集熱器總面積受各因素影響，但是通過多次的實際工程計算得出經驗結論：家用熱水器集熱面積一般為每人1m2設定。而商業洗浴或學校就按每人1.3～1.8m2來設定。此經驗可以幫助設計者在系統設計初期對集熱器的面積進行預估，對方案的選擇有參考意義。

2 輔助熱源

2.1 太陽能屬于不穩定能源，受環境氣候影響大，所以太陽能熱水系統必然存在能穩定作業的輔助熱源，目前用于輔助能源就是常規能源：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使用常規能源一樣：從可行性、經濟性、環保性考慮。

2.2 太陽能熱水系統中由太陽能部分提供的能量占系統總負荷的百分比就是此系統的太陽能保證率[1]。由定義可以看出太陽能并不能獨自提供建筑所需的熱水負荷。按理論來說，輔助熱源所提供的熱水負荷等于日用水量的（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不能產生理論熱水，此時輔助熱源提供熱水負荷隨著太陽能提供負荷變化。另一方面，就像上面計算的集熱面積超出了建筑可以布置面積，此時應該使太陽能最大限度地提供負荷，剩余部分由輔助熱源滿足。

3 不同類型的太陽能熱水系統

3.1 提供家庭生活熱水的太陽能系統

家用太陽能熱水系統由太陽能集熱器（光感應器）、保溫水箱（內設電加熱器、水位和水溫感應器）和智能控制器以及管道系統組成。

工作原理：當太陽輻射量充足的情況下，光感應器感應光強度符合設定要求（在一定時間內集熱器可以將水溫提升到設定值），并且貯熱水箱內溫度感應器感應水溫達到要求值50℃時，智能控制系統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儲存待用。當水溫達不到要求50℃時，集熱器繼續加熱，當光感應器感應光強度不符合設定要求，則智能系統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，隨著季節的變化，對于光感應器和溫度感應器的適應條件都應該降低，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的太陽能系統

集中供應熱水在時間上又可以分為：分時間段的熱水供應（學校水房供水）、一段時間內連續熱水供應（學校洗浴中心，如14：00-20：00開門）、全天熱水供應（高檔賓館）。先只對全天熱水供應系統進行分析，以此可以類推其他系統。

工作原理：太陽輻射強度滿足要求時（晴天白天）。早上有太陽前集熱系統的貯熱水箱是裝滿冷水的，當有太陽光的時候，貯熱水箱內的冷水經集熱器開始循環加熱，當溫度感應器感應溫度達到50℃時停止循環加熱，直接將貯熱水箱的水存儲到恒溫水箱內供用戶使用。以此循環，當恒溫水箱達到限制水位時停止向其內放水。同時，貯熱水箱也在相應的注入冷水直到限制水位。

太陽輻射強度不滿足要求時（陰天）。此時集熱器上的光感應器感應光強度滿足不了設定值（即光的強度不能在規定的時間內將水加熱到50℃），此時自動控制系統將貯熱水箱的水放入保溫水箱進行加熱。當加熱到50℃時進入保溫水箱待用戶使用。

太陽光強度特別弱，如晚上或者連續陰雨天氣。此時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 復合式太陽能熱水系統

復合式太陽能熱水系統就是太陽能和輔助熱源一起承擔冬季采暖和全年生活熱水負荷。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的符合太陽能系統的工作原理。

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。又據上文可知水箱的水存在溫度分層現象，此系統就是利用兩者之間溫度關系將水箱上部溫度高的水承擔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。這樣的設計也充分體現了能量梯級利用原理。

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

集熱器吸收熱量使得其內的工作介質溫度升高，開啟了集熱器側的循環泵。當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，開啟換熱器回路循環泵，使集熱器中介質加熱采暖儲水箱的水。當換熱溫度較高時，熱水通過三通閥4流向b上水管（儲水箱上部）供采暖取熱。當換熱溫度較低時，熱水通過三通閥4流向a管供生活熱水取熱。如果溫度感應裝置感應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行加熱。值得注意的是，系統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計更加合理。

4 結束語

在太陽能設計階段，太陽能集熱面積的計算一定要結合實際建筑情況，避免系統布置困難問題；系統的設計輔助熱源的選擇也應該考慮經濟性環保性，也理論分析了輔助熱源在系統中提供的負荷大小；系統的介紹了太陽能與建筑結合的典型系統，有利于以后系統設計參考。

參考文獻

[1]鄭瑞澄.民用建筑太陽能熱水系統工程技術手冊[M].北京：化學工業出版社，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[J].暖通空調，2011，41（8）.

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

作者簡介：張元芳（1988，8-），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。