太陽能熱水系統的設計方案實例討論

葛恢棄

(山西省建筑設計研究院，山西太原 030013)

1 概述

隨著我國經濟生活水平的提高，國民對能源的需求越來越大，對環境保護的意識也越來越強。因此國家及地方政府推動了許多新能源計劃，太陽熱水系統為其中一項，自2013年太原市住房和城鄉建設委員會發布并住建字［2013］249號《關于大力推進太陽能光熱建筑應用的通知》以來，太陽能熱水系統已經蓬勃發展，各類建筑中切實使用太陽能的比數也越來越多。作為一名建筑給排水工程設計師，現以國家規范為基礎，結合具體工程實例，對太陽熱水系統探討如下。

2 工程概況

本工程位于山西省太原市陽曲縣，該地區緯度37°47'，當地緯度傾角平面年平均日輻照量15.815 MJ/(m2/d)，當地緯度傾角平面年總日輻照量5 774.81 MJ/(m2/d)，年平均環境溫度10℃，年平均日照小時數7.1 h，年總日照小時數2 587.7 h，年太陽能保證率推薦值40%～50%。

本工程為廠區員工宿舍，地上2層，地下1層，建筑高度8.55 m，樓內有男女公共浴室各一間(共計15個淋浴頭)，雙人帶單立衛生間宿舍10間，四人不帶衛生間三班倒宿舍20間。太陽能換熱間及集熱板設于屋頂。

3 耗熱量分析

本工程耗熱量分兩個部分考慮。

3.1 雙人宿舍

為Ⅱ類宿舍，共計10間，參照《建筑給排水規范》，最高日熱水用水定額取100 L/d，按全日制供應熱水考慮，Kh取3.2。該部分耗熱量為:

3.2 四人宿舍

為Ⅲ類宿舍，共計20間，參照《建筑給排水規范》，最高日熱水用水定額取80 L/d，按全日制供應熱水考慮，Kh取4.0。該部分耗熱量為:

但是公共浴室僅有15個淋浴頭，當這15個淋浴頭同時出流時，其耗熱量為:

由于同時出流耗熱量小于全日供應熱水耗熱量，因此四人宿舍部分耗熱量取181.72 kW。

該工程總耗熱量為16.34+181.72=198.06 kW。

4 系統選則

就目前現狀而言，太陽能系統形式可謂多種多樣而且各有千秋，沒有完美無缺的系統，只有適合工程現狀的系統，下面我們結合實例工程進行分析選則:

1)就加熱方式而言，可分為直接加熱與間接加熱兩種方式。

直接加熱優點在于能源利用率高，缺點在于不利冷熱水壓力平衡，且適用于冷水硬度不大于150 mg/L的工況。

間接加熱優點在于水壓穩定，冷熱水壓力平衡，缺點在于能源利用率不如直接加熱。

就該工程而言，參照太原市供水集團有限公司出廠水質報告，其所處地區自來水硬度235 mg/L，并且熱水主要用來洗浴，對舒適度有較高要求，因此采用太陽能熱水作為熱媒，間接加熱熱水的方式。

2)就集熱儲熱方式而言，有分散集熱分散儲熱、集中集熱分散儲熱、集中集熱集中儲熱等多種。

分散集熱多見于住宅中，其特點是各用水點可平均且公平的接收太陽能，集熱器安裝形式多樣;而集中集熱優點顯而是有規模化效應，可減少工程造價，減少占地等。

分散儲熱多用于各用水點用水差別較大的情況，各用戶可自主管理;集中貯熱多用于用水情況統一，宜集中管理的工況。

就該工程而言，各用水點為同一個單位、用水時間均為全天、宜集中管理，因此該工程采用集中集熱集中儲熱的方式。

3)集熱系統可分為開式系統和閉式系統兩種。

這兩種系統核心區別就是儲熱容器是采用閉式壓力罐還是開式水箱。

作為可承壓的壓力罐而言，受其工藝限制，單個罐體儲水量有限，可串聯或并聯使用，但占地面積比較大，并且由于需要配備膨脹罐及定壓給水設備等使用，較多的設備數量降低了系統安全性。優點在于由于是閉式系統，其水質不容易受到污染，無熱蒸發，比較節水。

開式水箱特點正好相反，水箱長寬高均可定制拼接，因此空間利用率比較高，無需其他輔助設備，因此系統簡單安全。缺點在于由于是開式系統，其水質有被污染的可能需人員定期檢查，有一定熱蒸發。

該工程互熱機房設于屋頂，平面空間有限，并考慮到要存儲全天用熱量，因此采用了開式水箱系統。

4)輔助熱源。

該工程采用了安全可靠的電熱水器作為第二熱源。

5)系統流程。

最后該工程做出的系統原理如圖1所示。

圖1 太陽能換熱系統原理圖

5 系統運行分析

按照循環系統來分，該樓生活熱水系統包含三條循環系統:太陽能集熱系統、太陽能供熱系統、生活熱水循環系統。

5.1 太陽能集熱系統

該系統采用機械循環的開式水箱系統，具體流程為冷水補水經軟化水器補入太陽能集熱水箱，集熱水箱的水由太陽能集熱循環泵供給太陽能集熱板，冷水經集熱板加熱后供回集熱水箱內。

1)太陽能集熱器:目前市面上常見的集熱板類型主要有平板型、玻璃真空管型、金屬—玻璃真空管型。

平板型:外形為平板型，優點是單位采光面積的集熱能力高，承壓能力強，抗冷熱沖擊能力強，缺點是抗凍能力差。

玻璃真空管型:外形為一條條的玻璃管，單位采光面積沒有平板型強，承壓和抗冷熱能力也沒有平板型強，優點是由于玻璃管與吸熱體之間有真空，因此抗凍能力強。

金屬—玻璃真空管型:這種集熱板集合了前兩種的優點，但缺點是價格過高，一般不會采用。

該工程地處山西太原，屬寒冷地區(A)區，為系統安全型考慮，采用了玻璃真空管型集熱器。

前面介紹過該工程包含Ⅱ類宿舍10間，三班倒Ⅲ類宿舍20間。如果要滿足全部人員的熱水使用，則參照《建筑給排水規范》5.4.2A條需要的集熱器面積為:

但受屋頂空間限制，該工程布置了約463.5 m2的集熱器面積，由此可見光靠太陽能集熱器供給的熱水是無法滿足全部人員使用的。

2)太陽能集熱水箱:參照《建水規》5.4.2A-3式，太陽能集熱水箱的容積為:

在具體布置上，太陽能集熱水箱布置成了條狀長方形，并且水位并不高，只有1.5 m深，水箱補水及回水從一頭進，出水從另一頭出，盡量使熱量均勻的分布和使用。

3)太陽能集熱水泵:參照《建水規》5.4.2A-4式，水泵的流量為:

太陽能及熱水泵為集熱循環中的控制單元，其啟停可分為三種情況:

溫差循環:當太陽能集熱板出水溫度－集熱水箱溫度不小于5℃時，開啟太陽能集熱循環泵。

當太陽能集熱板出水溫度－集熱水箱溫度小于2℃時，關閉太陽能集熱循環泵。

防凍循環:在夜間，當太陽能集熱板出水溫度小于5℃時，開啟太陽能集熱循環泵，當太陽能集熱板出水溫度大于8℃時，關閉太陽能集熱循環泵。

管理循環:在需要的時候人工啟停循環泵。

4)太陽能供熱管路:太陽能供熱管路布置為同程式。供熱管線將太陽能集熱板分為兩大組，為避免集熱板內升溫過快每組內串聯的太陽能集熱板數為3片。

5.2 太陽能供熱系統

該條系統由于僅帶一個水水換熱器因此較為簡單，由一組太陽能供熱循環泵從太陽能集熱水箱抽取高溫熱水供給水水換熱器再輸回集熱水箱。

其系統流量為:

5.3 生活熱水循環系統

該系統我們在此僅討論在換熱機房內的一段，先由生活給水管經倒流防止器引入，然后先經由太陽能供熱媒的水水換熱器初次升溫，再經電熱水器二次升溫后供給用戶，經過供水管網后由其回水管輸回電熱水器前。

此處的設備選型與傳統設備并無差異，就不再累述，在此僅討論下系統中超越管的設置。由于系統中存在兩套加熱系統即太陽能換熱系統和電熱水器，這兩套系統并不是時時刻刻都是同時運作，為節省能源消耗及系統安全考慮加設了超越管。

1)當太陽能集熱水箱內的溫度達到50℃以上，筆者認為此時有使用太陽能熱媒初步換熱的價值，因此:

當集熱水箱溫度達到55℃以上時先開啟1號電動閥再關閉2號電動閥，此時太陽能水水換熱器可正常工作。

當集熱水箱溫度小于50℃時先開啟2號電動閥再關閉1號電動閥，此時太陽能水水換熱器被跳過。

2)當冷水初次經過太陽能水水換熱器后，如果其溫度已經達到使用溫度60℃，此時再流經電熱水器會啟動電熱水器浪費資源，并且已達到60℃的生活熱水有被進一步加熱風險，因此:

當太陽能半容積式換熱器出水水溫小于55℃時先開啟3號閥門再關閉4號閥門，此時初步換熱后的水經過電熱水器升溫到60℃。

當太陽能半容積式換熱器出水水溫不小于60℃時先開啟4號閥門再關閉3號閥門，此時電熱水器被跳過。

6 結語

太陽能熱水系統是一種清潔能源，他提高了我們的生活品質。本文結合實際工程對筆者遇到的太陽能熱水系統進行了較為詳細的討論，文中所述系統各有優缺點，但應已較為完善的完成了系統設計，希望此文可為各同行設計師參照學習共同進步，為我省的建筑設計貢獻一份力量。