太陽能與集中供熱熱網聯供系統的探討研究

摘 要：基于建筑結構及熱用戶需求不同，所采用的太陽能供暖系統類型不同，研究分析了三種典型的太陽能與集中供熱熱網聯供系統，即單水箱分散集熱-分散供熱系統、雙水箱集中集熱-集中供熱系統、多水箱集中集熱-分散供熱系統；通過對三種聯供系統的原理、特點、適用范圍進行分析研究，提出了系統性能優化的措施，為聯供系統的后期深入研究提供參考。

關鍵詞：太陽能；集中供熱熱網；聯供系統；性能優化；水箱

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.24.067

0 引言

隨著社會經濟的增長，建筑能耗占社會總能耗比例不斷增大，解決能源問題及環境問題已成為我國發展的新方向。在新技術及新設備的發展與應用日新月異的情形下，必須重視建筑領域節能技術，盡可能充分利用清潔環保可再生能源，讓節能技術步入低碳時代的綠色建筑中，以實現能源、環境及整個人類社會的可持續發展。太陽能作為綠色可再生能源，在太陽能資源較豐富的地區得到了一定的應用，其中地源熱泵、水源熱泵、空氣源熱泵輔助太陽能供熱系統都是高效節能的新型供熱系統，在我國得到大力推廣。而太陽能與集中供熱熱網聯供系統作為一種新型供暖系統，有必要深入探討研究聯供系統的性能、原理及特點，這對我國發展太陽能事業有重要的意義。

1 單水箱分散集熱-分散供熱系統

單水箱分散集熱-分散供熱系統的原理圖如圖1、圖2所示，圖1采用強制循環運行方式，圖2采用自然循環運行方式。單水箱分散集熱-分散供熱系統熱源包括兩部分，即太陽能集熱器和集中供熱熱網。太陽能集熱器可分散設置在各熱用戶南陽臺欄板處或臥室窗間向陽墻體處，儲供熱水箱則分散設置在各熱用戶南陽臺上，水箱容積根據太陽能集熱器面積和用戶熱需求確定。在系統運行過程中，儲供熱水箱中的水經過太陽能集熱器循環加熱，同時水箱的部分水與熱網發生熱交換。考慮到系統的節能效果，在熱網安裝控制部件以減少對熱網的依賴，當太陽能集熱器吸收太陽輻射所加熱的熱水能夠滿足熱用戶要求時，直接利用太陽能集熱器給用戶供熱；當熱水不滿足用戶要求時，利用太陽能與集中供熱熱網給用戶聯合供熱，并通過控制元件調節熱網供回水流量，使水箱熱水溫度達到用戶要求。

這種系統由于只有一個具有蓄熱功能儲供熱水箱，太陽能集熱器和水箱均分散設置在熱用戶家中，因此該系統管路簡單，管理維護簡單，容易與建筑結構相結合，各熱用戶系統在運行過程中相互獨立，便于調節控制，不易相互影響，造價低；但該系統容易受集熱面積限制，出現熱水供不應求等問題，導致整個聯供系統中太陽能集熱器效率的降低，對熱網的依賴程度增大，節能效果不顯著。尤其在高層建筑中，低層用戶存在遮光等問題，在一定程度上阻礙了該系統的推廣。

2 雙水箱集中集熱-集中供熱系統

雙水箱集中集熱-集中供熱系統的原理圖如圖3所示，該系統中包括蓄熱水箱和供熱水箱，其中大水箱功能為蓄熱水箱，小水箱為供熱水箱。太陽能集熱器、蓄熱水箱和供熱水箱均集中安置在建筑平屋面上，兩水箱容積根據太陽能集熱器面積和用戶熱需求確定。在系統運行過程中，供熱水箱中的水經過太陽能集熱器循環加熱，蓄熱水箱則儲存太陽能集熱器多余熱量和集中供熱熱網的熱量。為了減少對熱網的依賴，提高系統的節能效果，在管路安裝監測控制系統，當太陽能集熱器吸收太陽輻射所加熱的熱水能夠滿足熱用戶要求時，只利用太陽能集熱器給用戶供熱，并將多余的熱量儲存到蓄熱水箱中；當熱水不滿足用戶要求時，供熱水箱中的熱量一部分由太陽能提供，另一部分由蓄熱水箱提供，利用監測控制系統調節集中供熱熱網流量和太能能集熱器流量，使供熱水箱熱水溫度達到用戶要求。

該系統將蓄熱水箱與供熱水箱分開，一方面可使蓄、供熱水箱相互獨立，水溫互不影響，另一方面可以儲存多余熱量，增強系統能量分配的靈活性。因此整個系統對集中供熱熱網的依賴程度比單水箱小。在該系統中采用集中集熱-集中供熱方式，管理維護方便，并且該系統不易受樓層高低的限制，可以實現太陽能熱能資源共享。然而該系統蓄、供熱水箱體積大，建筑結構承載要求高；隨著建筑樓層和熱用戶的增加，熱用戶對熱水的總需求量增大，則太陽能集熱器面積也相應增大，可能出現集熱器面積遠大于建筑設計安裝位置面積。

3 多水箱集中集熱-分散供熱系統

多水箱集中集熱-分散供熱系統的原理圖如圖4所示，該系統與雙水箱集中集熱-集中供熱系統相似，包括蓄熱水箱和多個供熱水箱，其中大水箱為蓄熱水箱，小水箱為供熱水箱。太陽能集熱器、蓄熱水箱均集中安置在建筑平屋面上，而供熱水箱安置在各熱用戶陽臺（大戶型）或廚房（小戶型），大戶型采用立式落地安裝，小戶型采用臥式掛墻半嵌入吊頂內安裝，且兩水箱容積根據太陽能集熱器面積和用戶熱需求確定。在系統運行過程中，蓄熱水箱可以儲存太陽能集熱器多余熱量和集中供熱熱網的熱量。當太陽能集熱器吸收太陽輻射所加熱的熱水能夠滿足熱用戶要求時，停止熱網供給系統熱量，直接利用太陽能集熱器給用戶供熱，同時將多余的熱量儲存到蓄熱水箱中；當熱水不滿足用戶要求時，太陽能集熱器與集中供熱熱網聯合給熱水加熱，利用監測控制系統調節兩部分流量混合比例，提高系統的節能效果，使供熱水箱熱水溫度達到用戶要求。

該系統采用分開式的供熱水箱，對熱用戶而言使用方便，安全可靠，不易受樓層高低的限制，并可以實現太陽能熱能資源共享，同時供熱水箱相互獨立，互不影響；但該系統在安裝過程中需根據建筑結構進行布置，實現與建筑相協調，尤其是各熱用戶的供熱水箱應合理的安裝在用戶能夠接受的位置；且該系統管路復雜，水箱成本高，導致整個系統成本較高。

4 聯供系統的適用范圍和優化措施

考慮到成本和后期的維護管理，系統管路應盡可能簡單化，使系統運行更加安全可靠，維護管理更加方便簡單。在實際工程中，單水箱分散集熱-分散供熱系統與其他聯供系統相比，該系統適用于采光充足的低層建筑、高層建筑的高層及別墅等建筑中，而對于高層建筑的低層以及采光面積受限制的建筑不宜大規模推用。對于熱用戶較少的高層建筑，采用雙水箱集中集熱-集中供熱系統或多水箱集中集熱-分散供熱系統更合理，但供熱水箱的長期使用存在水垢問題，且增加水箱數量將增大系統的成本，因此后兩種系統也將受到一定的限制。對于三種系統的特點，提出以下幾點優化措施：

（1）根據建筑結構選擇合理的聯供系統。在實際工程中，在經濟節能基礎上解決高層建筑的供熱問題是關鍵，在設計時可以考慮高層建筑的低層采用集中式系統，高層采用分散式系統，充分利用太陽輻射區域，聯供系統的合理搭配是未來的研究方向之一。

（2）優化系統的監測控制系統。在整個聯供系統中，時刻準確地監測并控制管路的溫度、流量、熱量等參數對系統節能效果、性能評估有直接影響，包括太陽能集熱器供回水管路、集中供熱熱網供回水管路、水箱、進出熱用戶管路等，使系統及時反饋室內外環境變化信息，以控制閥門來調整各管路流量，達到能量的合理配比。

（3）提高太陽能集熱器效益。在太陽能集熱器面積設計過程中，由于集熱器面積設計過大導致無法安裝，若減小集熱器面積，將影響整個系統的節能效果。因此，在設計過程中，可以采用合理的集熱材料，選擇集熱效率高的太能能集熱器，以最小的集熱面積獲取最大的集熱效益。

（4）改善水箱儲水保溫性能。由于供熱水箱存在缺陷，工程中通常減小供熱水箱體積，增大蓄熱水箱的體積，容積的增大使得水箱外表面積增大，從而增大了水箱的熱損失。因此，采用合理的保溫材料，設計合理水箱結構，有利于提高水箱保溫性能。

（5）優化管路結構。在系統中，管路的阻力和熱損失是系統能耗的主要來源之一。因此，簡化管路結構，縮短管路，減小管路熱損失和水利失衡，這對系統性能的提高有重要的意義。

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作者簡介：楊志偉（1990-），男，江西安福人，碩士研究生，暖通助理工程師，從事地鐵環控系統設計、隧道防災通風設計及流體力學模擬仿真等。