某賓館利用太陽(yáng)能集中熱水供應(yīng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

郭敬紅

（黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)工程學(xué)院，大慶163319）

當(dāng)煤、石油、天然氣等不可再生能源頻頻告急，能源問(wèn)題日益成為制約國(guó)際社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的瓶頸時(shí)，越來(lái)越多的國(guó)家開(kāi)始實(shí)行“陽(yáng)光計(jì)劃”，開(kāi)發(fā)太陽(yáng)能資源，尋求經(jīng)濟(jì)發(fā)展的“新動(dòng)力”。隨著人們生活水平的不斷提高，對(duì)生活熱水需求的激增促進(jìn)了太陽(yáng)能熱水器市場(chǎng)的迅速發(fā)展，成為產(chǎn)業(yè)發(fā)展的原動(dòng)力。按照國(guó)家《1999—2015年新能源和可再生能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》，到2015年，全國(guó)住宅用太陽(yáng)能熱水器設(shè)備約有2.32億m3的擁有量，普及率將達(dá)到20%～30%；到2020年，我國(guó)太陽(yáng)能熱水器設(shè)備的安裝將達(dá)到3億m3。

目前太陽(yáng)熱水器的應(yīng)用，主要還是以分戶獨(dú)立系統(tǒng)為主，隨著太陽(yáng)能應(yīng)用水平和技術(shù)的不斷提高，集中式太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)越來(lái)越受到人們的重視，集中式系統(tǒng)與分戶式系統(tǒng)相比，具有節(jié)省投資、集成化程度高、便于與建筑結(jié)合、用戶間用水可相互平衡、容易實(shí)現(xiàn)連續(xù)供水等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)具有統(tǒng)一設(shè)計(jì)、統(tǒng)一施工、統(tǒng)一管理的工程化特點(diǎn)，是未來(lái)太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)發(fā)展的主要方向。系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)考慮太陽(yáng)能受天氣等方面的影響，為系統(tǒng)配備輔助熱源，以使系統(tǒng)滿足全天候24 h提供熱水。

1 工程概況及設(shè)計(jì)原則

賓館四層：一層桑拿浴室一間，內(nèi)有10個(gè)通間淋浴器；3個(gè)單間，內(nèi)有帶淋浴器浴盆，低、中、高溫池各一個(gè)；雙人房間16間，設(shè)專(zhuān)用衛(wèi)生間，內(nèi)有帶淋浴器浴盆、臉盆各1件；公共廁所2個(gè)，內(nèi)有洗手盆2個(gè)。二層雙人房間16間，設(shè)專(zhuān)用衛(wèi)生間；開(kāi)水爐1個(gè)；公共廁所2個(gè)。三層雙人房間8間，設(shè)專(zhuān)用衛(wèi)生間；三人房間10間；開(kāi)水爐1個(gè)；公共廁所1個(gè)。四層不需要提供熱水。

太陽(yáng)能加熱熱水系統(tǒng)雖然具有節(jié)能優(yōu)勢(shì)，但自身也存在著缺點(diǎn)：一是太陽(yáng)能的密度很低，因此，要收集足夠量的太陽(yáng)能，必須有較大面積的高效集熱系統(tǒng)。二是太陽(yáng)能的強(qiáng)度受季節(jié)、天氣陰晴和晝夜的影響，是一個(gè)不穩(wěn)定的熱源。因此，太陽(yáng)能應(yīng)用必須有相應(yīng)的蓄熱設(shè)備或有輔助熱源。由于全玻璃真空管型集熱器可保證水永不結(jié)垢，集熱效率高，工作溫度范圍廣，經(jīng)濟(jì)效益好[1-4]，所以該系統(tǒng)選擇全玻璃真空管型集熱器，采用電加熱為輔。

2 集熱系統(tǒng)工作原理及特點(diǎn)

2.1 系統(tǒng)工作原理及組成

工程集熱系統(tǒng)由若干臺(tái)單元集熱器（串并聯(lián)）、水箱（可承壓或不承壓）、支架、循環(huán)管道、熱水泵及控制系統(tǒng)組成。采用二次換熱式真空管集熱器，利用專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的溫差控制儀自動(dòng)控制循環(huán)泵的開(kāi)啟，循環(huán)泵使水在集熱器和儲(chǔ)水箱之間進(jìn)行機(jī)械循環(huán)，從而使儲(chǔ)水箱的水逐漸升溫[5]。

2.2 系統(tǒng)工作方式

（1）當(dāng)T1-T2≥8℃（可設(shè)定），循環(huán)熱水泵P1自動(dòng)開(kāi)啟；T1-T2≤4℃ ，循環(huán)熱水泵P1自動(dòng)停止工作。

（2）陰雨天或陽(yáng)光不足時(shí)，啟動(dòng)電加熱器，當(dāng)儲(chǔ)水箱溫度T2達(dá)到設(shè)定值時(shí)，停止電加熱。

（3）T3溫度小于設(shè)定值時(shí)，熱水泵P2自行啟動(dòng)（1～5 min）保證管道內(nèi)始終為熱水。系統(tǒng)原理見(jiàn)圖1所示。

圖1 熱水系統(tǒng)原理圖（采用落水法用熱水）Fig.1 Schematic diagram of hotwater system（used in watermethod with hotwater）

2.3 系統(tǒng)特點(diǎn)

（1）集熱器組可應(yīng)用于高壓力熱水系統(tǒng)，因而系統(tǒng)集熱面積最大可達(dá)數(shù)千平方米。

（2）系統(tǒng)采用間接換熱原理，全玻璃真空太陽(yáng)集熱管可保證永不結(jié)水垢，集熱效率高。

（3）全玻璃太陽(yáng)真空集熱管及聯(lián)集器中介質(zhì)水若添加防凍劑，該系統(tǒng)可以在-50℃環(huán)境溫度下正常運(yùn)行。

（4）水箱可為承壓水箱，可以放置在任何位置，利用自來(lái)水的壓力自動(dòng)頂出熱水，隨開(kāi)隨用；水箱也可為非承壓式水箱，安裝于高處，采用落水法用熱水。若水箱只能安裝于低處，高處用熱水則采用熱水泵輸送。

（5）一年四季均可使用，經(jīng)濟(jì)性好。冬季為防止循環(huán)管道凍裂，系統(tǒng)設(shè)有低溫保護(hù)功能。與輔助能源配套使用，可實(shí)現(xiàn)全天候運(yùn)行。

（6）智能控制系統(tǒng)功能齊全、自動(dòng)運(yùn)行、操作簡(jiǎn)便，安全可靠。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的運(yùn)行方式應(yīng)根據(jù)用戶基本條件、用戶的使用需求及集熱器與儲(chǔ)水箱的相對(duì)安裝位置等因素綜合加以確定，根據(jù)賓館現(xiàn)場(chǎng)條件，該系統(tǒng)共分3個(gè)區(qū)，一、二、三區(qū)集熱循環(huán)采用機(jī)械強(qiáng)迫循環(huán)，一、二、三區(qū)熱水供水循環(huán)采用自然循環(huán)。

3.1 工程水量的計(jì)算

3.1.1 一區(qū)、二區(qū)熱水量

熱水量是根據(jù)用水定額[6]計(jì)算求得，具體用水定額見(jiàn)表1，表2所示。

表1 賓館（客房）熱水用水定額Table1 Quota of hotel（room）hotwater

表2 賓館（桑拿浴室）衛(wèi)生器具的一次和小時(shí)熱水用水定額Table2 Time and hours hotwater sanitary ware quota of hotel（sauna）

（1）賓館雙人客房用水量為

（2）賓館公共廁所的洗手盆和開(kāi)水爐用水量為

（3）賓館桑拿浴室單間淋浴用水量為

（4）賓館桑拿浴室通間淋浴用水量為

經(jīng)計(jì)算客房、浴室淋浴器、廁所洗手盆、開(kāi)水爐熱水量為

3.1.2 三區(qū)熱水量

考慮賓館桑拿浴室低、中、溫池的耗熱量包括水面蒸發(fā)損失的熱量Qz，水面?zhèn)鲗?dǎo)損失的熱量Qch，池底和池壁傳導(dǎo)損失的熱量Qdb，管道和設(shè)備損失的熱量Qgs，補(bǔ)充水加熱損失的熱量Qb[7]。

低溫池的水面蒸發(fā)損失的熱量

由于浴池比較小，而且三個(gè)浴池共用一根供回水管道，因此選擇耗損10%。

低溫池補(bǔ)充水加熱損失的熱量為

所以浴池所需熱水量為

整個(gè)工程所需熱水量V=V1+V2=16.34+4.4=20.74≈21 m3

3.2 集熱器設(shè)計(jì)計(jì)算

根據(jù)太陽(yáng)能熱水器的日產(chǎn)水量近似計(jì)算公式

按照θ=330、τ=0.85、α=0.96、UL=4W·m-2、（Te-Ti）=35℃、Δt=8 h、Ta=Ti，并假設(shè)水箱管路絕熱，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3所示。

表3 性能優(yōu)異的太陽(yáng)能熱水器的月平均產(chǎn)水量Table3 Monthly averagewater yield of solar water heaterwith outstanding properties

所以集熱器平均日產(chǎn)熱水量按65.1 kg·m-2，溫升33.8℃計(jì)算。

根據(jù)屋頂建筑面積，由此本太陽(yáng)熱水系統(tǒng)配置Ф70-1800-25集熱器100臺(tái)。聯(lián)接箱外殼為鍍鋁鋅、內(nèi)膽為不銹鋼，聚氨酯保溫層厚度為60mm。

3.3 儲(chǔ)水箱容積的確定

水箱容積一般與日均用水量相適應(yīng)，在設(shè)計(jì)熱水系統(tǒng)時(shí)應(yīng)合理配置儲(chǔ)水箱與集熱面積的比例，確保系統(tǒng)水溫處在60℃左右運(yùn)行，以防結(jié)垢。另外在選擇儲(chǔ)熱水箱時(shí)，為了考慮初投資，則選擇保溫水箱水溫為60℃?？紤]屋面受力荷載，本熱水系統(tǒng)設(shè)3個(gè)儲(chǔ)熱保溫水箱，2個(gè)8.2m3和一個(gè)4.4m3，內(nèi)膽選用厚度1.2mm食品級(jí)不銹鋼板制作，外殼體選用彩鋼板，保溫層選用聚氨酯整體發(fā)泡，進(jìn)出水管接口、溫度傳感器接口均選用不銹鋼材質(zhì)。

4 結(jié)語(yǔ)

太陽(yáng)能集中供應(yīng)熱水系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、智能、節(jié)能、清潔，可以減少不可再生能源的消耗，對(duì)于一些需要集中提供熱水的場(chǎng)所應(yīng)用會(huì)越來(lái)越廣泛。系統(tǒng)采用全玻璃真空管型集熱器，其相對(duì)低廉的造價(jià)和能源的高效利用必將在建筑中得到廣泛應(yīng)用。

[1]田琦.大型太陽(yáng)能熱水供應(yīng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的若干問(wèn)題[J].中國(guó)給水排水，2001（7）：33-35.

[2]郭敬紅.大慶油田利用太陽(yáng)能加熱輸送原油應(yīng)用分析[J].黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，22（5）：33-35.

[3]羅運(yùn)俊，何梓年，王長(zhǎng)貴，等.太陽(yáng)能利用技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

[4]歐云峰，楊金華.空氣源熱泵輔助加熱太陽(yáng)能集中熱水系統(tǒng)設(shè)計(jì)探討[J].給水排水，2009，35（9）：82-84.

[5]郭敬紅.某住宅樓利用太陽(yáng)能集中供應(yīng)熱水工程設(shè)計(jì)[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2010（15）：3719-3722.

[6]GB 50015-2009.建筑給水排水設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[7]王增長(zhǎng).建筑給水排水工程[M].5版.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2005.