高校學生公寓太陽能供水水溫的測試與分析

[摘 要] 太陽能供熱是國家節能減排項目，在創建節能公共機構示范型校園建設中，太陽能供熱工程投資相對成本較低，對環境污染較少，是人們使用能源的最佳選擇。使用太陽能供熱的過程中，出現了熱水水溫過低、出熱水慢、各立管出熱水時間長短不一的問題，為解決以上問題，通過對太陽能熱水系統優化前的供水水溫測試和分析，對太陽能熱水系統控制流程改造后，增大回水泵流量，改善水力不平衡狀態后再進行供水水溫的測試，對數據進行比較和分析，并針對這些問題進行了相應的改造。

[關 鍵 詞] 太陽能供熱；水溫測試與分析；學生公寓

[中圖分類號] S214.2 [文獻標志碼] A [文章編號] 2096-0603（2017）24-0138-03

學院所處地區為太陽能四類地區，2012年學院學生公寓太陽能改造項目作為創建節約型公共機構示范單位的特色項目，獲得了市建委的充分肯定。學院利用太陽能項目總投資527.36萬元，在新建學生宿舍安裝了集熱面積達3200 m2的太陽能熱水系統，項目投入使用后，惠及學生宿舍樓8幢，總建筑面積達46217.5 m2，共入住學生約為4416人，每年節約率達90.28%。

太陽能熱水系統，設計每棟樓學生人數是661人，熱水設計供水溫度是60℃，熱水設計初始溫度為15℃，每人每日熱水用量定額是50L，每棟提供熱水33噸，太陽能熱水系統設計太陽能集熱器面積為304 m2，輔助熱源選用3臺制熱量為45 kW的空氣源熱泵，系統設置7.5噸溫水箱2個和20噸溫水箱1個。

在太陽能供熱系統運行的過程中出現熱水水溫過低、出熱水慢、各立管出熱水時間長短不一的問題，通過太陽能熱水系統優化前的供水水溫測試，太陽能熱水系統控制流程改造，增大回水泵流量，改善水力不平衡狀態后供水水溫的測試，進行數據的比較和分析，為熱水供應情況的改造實施方案提供較為準確的數據依據，從而確定是否對改善熱水供應系統進行全面改造。

我們在2015年1月安排學生75人，對5、6、8、10號樓01、08、16單元的1～6層宿舍房間72間的太陽能供水系統供水水溫進行溫度記錄，并對這4棟樓屋面太陽能供水系統供水水溫進行分時分段測試，從2015年3月到2015年4月，對太陽能熱水系統控制流程進行改造和施工，增大了回泵流量。希望通過這一輪的改造，在短期內改善熱水供應情況，有數據表明通過改造能夠對不同樓層以及同一樓層兩端位置宿舍的熱水供應均衡產生一定的效果，但是不能完全解決水溫過低，出水慢的問題，2015年5月，學院又組織學生收集學生7號公寓太陽能供水水溫的測試結果，通過新的數據的統計和分析，決定是否啟動新一輪的改造項目。

一、對學生公寓目前太陽能供熱進行數據調查

（一）學生宿舍水溫的測試

共組織學生在5～12號宿舍樓隨機抽查72間宿舍，每天17個時段進行太陽能熱水供水的水溫測試。回收有效調查卷21份。（2015年1月）

從以上數據可以看出，每天到達學生宿舍的熱水水溫在15℃～19℃之間，溫度偏低，到達40℃的時間在35～50秒，達到可供正常使用熱水時間較長。

（二）供水系統的水溫第6、8、9、10棟樓屋面太陽能供水系統供水水溫（2015年1月）的情況如下表所示：

五個時間段內太陽能熱水系統供水水溫圖表（2015年1月）

由以上數據看出，回水的水溫不能達到我們預期的60℃。

（三）太陽能樓面供熱溫度調查

針對以上情況，學院組織人員對太陽能熱水系統控制流程優化改造以及同時增大回水泵流量，改造后2015年5月抽查宿舍7號樓，共收到有效調查卷60份，數據統計如下：

太陽能樓面供熱溫度調查（℃）

從以上數據可以看出，通過改造，樓面出水水溫能夠達到45.1℃。

二、問題分析

（一）熱水水溫低的問題分析

1.空氣源熱水泵熱量能力核算

系統設計的真空管集熱器面積為588m2，由于屋面限制，只安裝了304m2，為此設計3臺制熱量為45W的循環式空氣源作為輔助熱源。現對空氣源運行時間計算如下：

33T*4.2kJ/（kg·℃）=45W*3*3.6*t

t=12.8小時

系統設置的3臺空氣源熱泵運行12.8小時即能產生33噸60℃的熱水量，因此可以判斷系統熱水量不足不是由于設備制熱能力不足引起的。

2.系統自身的問題

系統設置的空氣源熱泵，直接對20噸熱水箱循環供熱，供熱水箱水位低于設定的水位時，將由2個7.5噸水箱補水，補水將對20噸供熱水箱的水溫造成降溫擾動，需由空氣源熱泵循環加熱到設定的水溫，那么在補水過程中，大樓若有熱水需求，則會出現熱水不夠熱的情況，即學生反映的熱水不熱的問題。

3.運行控制問題

20噸供熱水箱，最高水位線為1.8m，最低水位線為0.45m，現水箱水位控制設置如下：

學生用水時間段設置如下：

早上用水時間段，當水箱水位低于0.65m，需要補水至0.75m，0.65～0.75m之間水箱水量大致為1.2噸，當這1.2噸用完即將補水，這造成早上用水時間段內出現補水，由于在水箱中滲入冷水，降低熱水溫度。

中午用水時間段，當水箱水位低于1.2m，需要補水至1.25m，1.2～1.25m之間水箱水量大致為0.6噸，當這0.6噸用完即將補水，這造成中午用水時間段內出現補水，由于在水箱中滲入冷水，降低熱水溫度。

晚上用水時間段，在16∶00-20∶00這段時間內，當水箱水位低于1.4m，需要補水至1.5m，1.4～1.5m之間水箱水量大致為1.2噸，這也造成在這段時間內反復補水，在20∶00-23∶00時間段內，開啟超低水位補水，在水箱中滲入冷水，降低熱水溫度。

二、出水熱慢的原因分析

（一）供熱管網水容量計算：

Q1=（64.3+24.2+13.2）×2×3.14×（0.05^2+0.02^2）=1.85m3

豎向立管水容量Q2=22.4×16×3.14×（0.016^2+0.02^2）=0.73m3

供熱管網水容量Q=Q1+Q2=2.58m3

（二）系統設置回水泵兩臺（一用一備），其設計流量為3.1m3/h，揚程17m，功率0.55kW。

那么，整個供熱管網的水循環一次需耗時近50分鐘。按照《建筑給水排水設計規范》GB50015-2003中5.5.6的要求，定時熱水供應系統的熱水循環流量要按循環管網中的水每小時循環2～4次計算。可見系統設置的回水增壓泵流量設置偏小。

（三）各立管出熱水時間長短不一

太陽能熱水系統的供水管網為16根立管上送上回同程系統，但在系統實際使用中，由于水力調試困難，較難做到水力平衡，由此造成各立管熱水流量不一，影響到各立管出熱水速度。

三、本項目后續研究工作設想和建議

（一）分時段供水將太陽能熱水系統改造為分時段供水，系統具體控制流程調整如下：

1.設置用水時間段和非用水時間段，在非用水時間段不提供熱水。

2.20噸水箱補水設置，用水時間段不補水，非用水時間補水。

3.空氣源熱泵運行采用20噸水箱水溫控制運行。

4.回水增壓泵運行時間設置：在用水時間段之前一個小時運行。

5.太陽能集熱器循環泵運行設置：由原來的定時循環更改為溫差循環。

6.2個7.5噸水箱熱水在晚上用水時間段結束后，補進20噸水箱。

（二）增大回水泵流量

增加回水泵流量，以達到《建筑給水排水設計規范》GB50015-20035.5.6條要求。

（三）水力不平衡改造

1.將回水立管打穿底板樓層，經架空層新設置的水平管，統一送回屋面水箱，使立管供回水方式由原來的上送上回改為上送下回。

2.把屋面水平供回管截斷，將16根立管組成的供水管網分成2個由8根立管組成的供水管網，減少單個供水管網的并聯立管數量。

3.在改造完成后，對供水管網進行水力平衡調試。

由于第1、2項改造項目相對簡單、工期短，學院已經根據該調研成果進行了第1、2改造。第3項改造相對復雜，工期較長，費用較高，學院將根據調研報告提出的建議和聽取專家的建議之后，再制定改造方案，先選擇一棟學生宿舍樓進行改造，查看改造結果后再決定是否進行8棟宿舍樓太陽能供水系統的全面改造。

參考文獻：

李楊.太陽能熱水器與其他類熱水器優缺點剖析[J].中國防偽報道，20（2）：106-109.