公共建筑太陽能熱水系統及其應用研究

張昌瑞

安徽省建筑設計研究總院股份有限公司 安徽 合肥 230000

引言

公共建筑主要包括商場寫字樓、政府部門、酒店等商業建筑、辦公建筑和旅游建筑，為了進一步落實創新、綠色、協調、開放、共享的發展理念，需要在建筑工程中設計和應用太陽能熱水系統，由此打造能源節約和生態保護的產業結構。根據當前的行業設計標準與技術要求，所在地年日照時數超過1400h、年極端最低氣溫高于零下45℃，適宜將太陽能作為集中生活熱水供應系統能源。太陽能是一種不會對環境造成污染的清潔能源，然而在實際應用中會受到天氣因素影響，導致太陽能熱水器向建筑內部提供生活熱水穩定性不足，所以需要繼續對公共建筑太陽能熱水系統的應用加以分析。

1 公共建筑中太陽能熱水系統

當前我國滿足太陽能集熱器應用的省市都頒布了相關政策，倡導把太陽能轉換成熱能和加熱水的系統（如圖1），這一系統中包括了太陽能集熱器、控制系統、熱水供應系統、注熱水箱、連接管道、輔助能源、配電設施、防雷設施。通常情況下，公共建筑中的太陽能熱水系統為集中供熱水、太陽能熱水系統、集熱器的布置、儲熱供水箱以及輔助加熱裝置的合理選擇。具體如下：

圖1 太陽能熱水系統圖示

1.1 太陽能集熱器的類型

1.1.1 真空管型太陽能集熱器。真空集熱器主要包括以下2種類型，對于全玻璃真空管型集熱器來講，其工作原理是水流過玻璃管的過程中被加熱，具有結構簡單、抗壓、耐熱能力強、價格合理的特點。金屬玻璃真空管主要是把熱管插入管內，水流過時金屬管被加熱，盡管耐熱、耐壓、抗凍能力好，但是造價較高[1]。

1.1.2 平板型太陽能集熱器。這種太陽能集熱器的主要特征在于接收太陽輻射然后向傳熱工質傳輸熱量，具有結構簡單、抗壓、耐熱能力好的特點，不過抗凍能力偏弱。

1.2 太陽能集熱器的選用

集熱器類型的選擇主要考慮經濟條件、水質條件、最低環境溫度、維護管理等相關因素，要點如下：其一，運行過程中最低環境溫度至少達到0℃，否則不能采用平板型太陽能集熱器；其二，對于太陽能熱水系統來講，將承壓系統作為熱媒系統，不得利用全玻璃真空管型太陽能集熱器；其三，在建筑外觀和太陽能集熱器結合程度較好情況下可以應用。此外，要求太陽能集熱器使用壽命達到15年。

1.3 太陽能集熱器布置

其一，太陽能集熱器和建筑專業進行一體化設計要求達到美觀、實用、安全、經濟、衛生等要求，并且便于后續的安裝與維護；其二，在建筑屋頂進行太陽能集熱器的設置過程中不得對相鄰建筑的光照產生影響；其三，避免周邊相關設施對太陽能集熱器遮擋[2]。

1.4 集熱系統的防凍防過熱安全措施

某市寫字樓屋頂安裝了太陽能集熱器，具體應用要點如下：其一，在設置間接換熱太陽能熱水系統時將乙二醇和丙三醇加入到循環工質當中，由此起到防凍效果，之后結合氣候條件以及系統防腐蝕性能進行工質的配比；其二，太陽能熱水系統當中的管件、閥門、管材、密封件以及集熱水箱箱體的全部材質要求耐溫效果好，可承受150℃的高溫，還要達到衛生要求；其三，在集中供熱熱水太陽能系統當中設置散熱風機，可以把太陽能集熱器運行期間的多余熱量通過散熱風機排除，防過熱系統通過啟動散熱器當中的冷媒循環散熱達到冷卻系統熱水的效果，能夠降低水溫，并且對太陽能熱水系統加以保護。在太陽能集熱器出口溫度大于90℃的情況下可以自動切換為防過熱模式，散熱器啟動之后可以降低溫度使出口溫度低于80℃；其四，太陽能集熱器上方設置了自動移動式隔熱罩，結合系統要求加以安裝，可避免系統處于過熱狀態，不過當前市場中還未推出太陽能集熱器隔熱罩的相關配套產品。

1.5 合理配置儲熱供熱水箱

其一，在集中供熱太陽能熱水系統當中，對冷水供水水質的硬度以及冰凍因素都有較高要求，還要分析用戶對熱水壓力穩定性的要求，所以采用了間接加熱太陽能熱水系統；其二，在太陽能熱水系統全天滿足生活熱水供應時，儲熱水箱以及供熱水箱要分開設置，并且實現水箱的連接。太陽能集熱器當中的熱媒通過換熱器或者換熱盤管媒行換熱，由此達到預熱水箱當中的存水效果，注熱水箱當中的預熱水源進入使得供熱水箱在預熱水源水溫達到一定溫度時滿足人們使用，在預熱水源溫度未達到水溫時啟動熱水箱配套輔助加熱裝置；其三，在當前的太陽能集中熱水系統應用過程中，部分安裝人員將貯熱水箱以及供熱水箱共同安裝，盡管簡化了系統，但還會影響太陽能集熱器效能的發揮。比如日出之前為了確保生活用水溫度，輔助加熱裝置將助熱供熱水箱的存水加熱到需要的水溫，而太陽升起之后熱煤無法達到貯水效果[3]。

1.6 正確選用輔助加熱裝置

其一，太陽能熱水供應系統對輔助熱源的選擇要堅持因地制宜的原則，主要包括燃氣、熱泵、燃油、公共建筑當中不得將直接電加熱當作集中熱水供應系統的輔助熱源；其二，輔助加熱系統所用的熱源需要結合當地常規能源的種類，并且考慮成本以及環境影響因素，通過綜合比對加以選擇；其三，輔助加熱系統選用空氣源熱泵熱水供應系統前提是在夏季炎熱、冬季溫暖的區域，而夏季炎熱、冬季寒冷地區主要采用燃氣熱水爐熱水供應系統，相較于普通電制備生活熱水熱效值更高。

2 公共建筑中太陽能熱水系統具體應用

2.1 雙貯水裝置的直接加熱系統

2.1.1 系統概述。直接加熱系統借助水泵讓水在太陽能集熱器當中直接循環加熱，可將全玻璃真空管集熱器以及平板集熱器作為直接加熱系統集熱器。通過對比分析可以發現，平板集熱器熱損失率較高，并且內部金屬通道容易由于污垢而堵塞。相比之下，真空管集熱器保溫性能好，并且對水質要求不高，所以應用更多。整體來看，直接加熱系統具有結構簡單、熱水加熱效率高、維護方便、造價低廉等優勢。隨著當前建筑對太陽能應用的增多以及人們對太陽能熱水系統用水舒適度要求的提升，也需要解決直接加熱系統存在的問題，比如開式保溫水箱儲存熱水利用變頻水泵直接供水存在熱水用水末端壓力不穩的情況，并且開式保溫水箱連接大氣，一些粉塵與雜質可能進入保溫水箱，由此影響水質[4]。

2.1.2 案例分析。安徽省某市購物中心集商業、休閑、娛樂為一體，建筑總面積30萬㎡，包括四層綜合宿舍樓，其中一層和二層作為員工餐廳，三層和四層作為員工宿舍。為了確保熱水壓力平衡，在建筑屋頂設置冷水箱，其中1～2層冷熱水用水可以滿足水箱重力供給，3～4層由于壓力不足設置了變頻恒壓泵組，選用直接加熱雙水箱熱水系統作為熱水系統。集熱器選用全玻璃真空管型集熱器，每天可滿足熱水最大用量20m3，集熱面積能夠滿足全天用水量，大樓最大小時熱水量為10m3/h，其中熱水箱1進行了注熱量和耗熱量分析，確定容積為10m3，熱水箱2的容積選擇當天最高熱水用量扣除熱水箱1容積之后的容量，控制系統原理如下：

其一，集熱循環采取溫差循環，也就是集熱器出口溫度熱水箱的溫度大于8℃情況下集熱循環泵開始啟動，在集熱器出口溫度熱水箱溫度低于3℃的情況下集熱循環泵停止運行。在往復循環的過程中把熱水箱中的低溫水加熱成為高溫水，熱水箱溫度達到60℃，即熱循環泵開始高溫保護并不再運行；其二，其中一個熱水箱的水位不足設定水位時要求打開進水電磁閥，冷水開始從太陽能水箱的底部補水，把太陽能水箱頂部的熱水補充到恒溫水箱內部，達到水位后停止補水[5]。系統也可以在兩個水箱內部設計水泵，在水箱達到45℃時水泵將溫度升高到熱水箱2，由此對太陽能能源充分利用，不過依舊需要增加壓力泵；其三，為了確保24小時供水，熱水箱2利用熱泵隨時加熱，確保熱水使用需求，在太陽能補充的水溫不足情況下開啟熱泵加熱，達到使用條件后自動關閉熱泵機組；其四，為了避免極端天氣的影響，在室外溫度不足4℃情況下，太陽能集熱循環泵自動開啟，可以讓熱媒在集熱系統當中循環運行。

2.2 承壓集熱器及雙貯水裝置的間接加熱系統

2.2.1 系統概述。對于間接加熱系統來說，其作為太陽能集熱器加熱傳熱工質主要是利用熱交換器加熱滿足使用，在資金允許條件下間接加熱系統利用玻璃金屬管集熱器，也可以應用平板集熱器儲熱水箱。儲熱水箱分包括開式和閉式，通常間接加熱系統當中主要選用閉式承壓水箱，要求承壓水箱的供水冷熱水壓力相同，由此提升用水舒適性，通過閉式系統還能夠達到節能效果。間接加熱方式的效率低于直接加熱系統，具有施工和維護費用高的問題，并且在太陽能資源豐富的地區間接加熱系統能夠使用至少10年，而直接加熱系統最多能夠正常運行5年[6]。

2.2.2 案例分析。安徽省某事市酒店共3層，該酒店對水質、水壓要求較高，其中冷水設置了變頻給水系統，熱水選擇太陽能集中熱水系統，將熱水鍋爐作為輔助熱源，整個系統通過間接加熱，雙水箱熱水系統能夠讓太陽能發揮預熱效果。利用平板集熱器之后當天最高熱水用量可達到24m3，集熱面積受到屋頂綠化影響只能滿足每天10m3的用水需要，所以容積式換熱器1注熱量按照存儲全天太陽能熱量計算，另一個容積式換熱器注熱量設定為5m3，系統控制原理如下：

其一，集熱循環采取溫差循環方法，也就是集熱器出口溫度超過8℃情況下集熱循環泵開始運行，在集熱器出口溫度低于3℃的情況下集熱循環泵1停止運行，容積式換熱器溫度滿足60℃集熱循環泵也會停止運行，容積式換熱器2溫度不足55℃的情況下提供鍋爐高溫熱水，在溫度超過60℃的情況下停止太陽能供給[7]。

3 結束語

綜上所述，公共建筑應用集中供熱水太陽能熱水系統過程中需要重點關注選用布置防過熱安全措施、加熱裝置的選用以及儲熱供熱水水箱問題，在太陽能集中熱水系統全天滿足熱水供應的情況下，需要分開設置供熱水箱以及貯熱水箱。此外，在資金有限、對用水舒適度要求偏低并且用水相對穩定的地區，一般選擇太陽能直接加熱系統，如果冷水需要采取變頻泵組供水或者對用水舒適度偏高的地區一般選用太陽能間接加熱系統，通過全方位考慮確保太陽能熱水系統的長期、穩定運行。