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(jié)能減排項目，在創(chuàng)建節(jié)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(huán)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(xiàn)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(tǒng)優(yōu)化前的供水水溫測試和分析，對太陽能熱水系統(tǒng)控制流程改造后，增大回水泵流量，改善水力不平衡狀態(tài)后再進行供水水溫的測試，對數(shù)據(jù)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(qū)為太陽能四類地區(qū)，2012年學院學生公寓太陽能改造項目作為創(chuàng)建節(jié)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(tǒng)，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(jié)約率達90.28%。

太陽能熱水系統(tǒng)，設計每棟樓學生人數(shù)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)運行的過程中出現(xiàn)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(tǒng)優(yōu)化前的供水水溫測試，太陽能熱水系統(tǒng)控制流程改造，增大回水泵流量，改善水力不平衡狀態(tài)后供水水溫的測試，進行數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)依據(jù)，從而確定是否對改善熱水供應系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(nèi)改善熱水供應情況，有數(shù)據(jù)表明通過改造能夠?qū)Σ煌瑯菍右约巴粯菍觾啥宋恢盟奚岬臒崴猱a(chǎn)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(jié)果，通過新的數(shù)據(jù)的統(tǒng)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(shù)據(jù)調(diào)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?；厥沼行д{(diào)查卷21份。（2015年1月）

從以上數(shù)據(jù)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(tǒng)的水溫第6、8、9、10棟樓屋面太陽能供水系統(tǒng)供水水溫（2015年1月）的情況如下表所示：

五個時間段內(nèi)太陽能熱水系統(tǒng)供水水溫圖表（2015年1月）

由以上數(shù)據(jù)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(diào)查

針對以上情況，學院組織人員對太陽能熱水系統(tǒng)控制流程優(yōu)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(diào)查卷60份，數(shù)據(jù)統(tǒng)計如下：

太陽能樓面供熱溫度調(diào)查（℃）

從以上數(shù)據(jù)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(tǒng)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(huán)式空氣源作為輔助熱源。現(xiàn)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(tǒng)設置的3臺空氣源熱泵運行12.8小時即能產(chǎn)生33噸60℃的熱水量，因此可以判斷系統(tǒng)熱水量不足不是由于設備制熱能力不足引起的。

2.系統(tǒng)自身的問題

系統(tǒng)設置的空氣源熱泵，直接對20噸熱水箱循環(huán)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(huán)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(xiàn)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(xiàn)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(nèi)出現(xiàn)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(nèi)出現(xiàn)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(nèi)，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(nèi)反復補水，在20∶00-23∶00時間段內(nèi)，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(wǎng)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(wǎng)水容量Q=Q1+Q2=2.58m3

（二）系統(tǒng)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(wǎng)的水循環(huán)一次需耗時近50分鐘。按照《建筑給水排水設計規(guī)范》GB50015-2003中5.5.6的要求，定時熱水供應系統(tǒng)的熱水循環(huán)流量要按循環(huán)管網(wǎng)中的水每小時循環(huán)2～4次計算?？梢娤到y(tǒng)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(tǒng)的供水管網(wǎng)為16根立管上送上回同程系統(tǒng)，但在系統(tǒng)實際使用中，由于水力調(diào)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(xù)研究工作設想和建議

（一）分時段供水將太陽能熱水系統(tǒng)改造為分時段供水，系統(tǒng)具體控制流程調(diào)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(huán)泵運行設置：由原來的定時循環(huán)更改為溫差循環(huán)。

6.2個7.5噸水箱熱水在晚上用水時間段結(jié)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(guī)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(jīng)架空層新設置的水平管，統(tǒng)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(wǎng)分成2個由8根立管組成的供水管網(wǎng)，減少單個供水管網(wǎng)的并聯(lián)立管數(shù)量。

3.在改造完成后，對供水管網(wǎng)進行水力平衡調(diào)試。

由于第1、2項改造項目相對簡單、工期短，學院已經(jīng)根據(jù)該調(diào)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(jù)調(diào)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(jié)果后再決定是否進行8棟宿舍樓太陽能供水系統(tǒng)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(yōu)缺點剖析[J].中國防偽報道，20（2）：106-109.