太陽能熱水系統(tǒng)的設(shè)計方案實例討論

葛恢棄

(山西省建筑設(shè)計研究院，山西太原 030013)

1 概述

隨著我國經(jīng)濟生活水平的提高，國民對能源的需求越來越大，對環(huán)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(tǒng)為其中一項，自2013年太原市住房和城鄉(xiāng)建設(shè)委員會發(fā)布并住建字［2013］249號《關(guān)于大力推進太陽能光熱建筑應(yīng)用的通知》以來，太陽能熱水系統(tǒng)已經(jīng)蓬勃發(fā)展，各類建筑中切實使用太陽能的比數(shù)也越來越多。作為一名建筑給排水工程設(shè)計師，現(xiàn)以國家規(guī)范為基礎(chǔ)，結(jié)合具體工程實例，對太陽熱水系統(tǒng)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(qū)緯度37°47'，當(dāng)?shù)鼐暥葍A角平面年平均日輻照量15.815 MJ/(m2/d)，當(dāng)?shù)鼐暥葍A角平面年總?cè)蛰椪樟? 774.81 MJ/(m2/d)，年平均環(huán)境溫度10℃，年平均日照小時數(shù)7.1 h，年總?cè)照招r數(shù)2 587.7 h，年太陽能保證率推薦值40%～50%。

本工程為廠區(qū)員工宿舍，地上2層，地下1層，建筑高度8.55 m，樓內(nèi)有男女公共浴室各一間(共計15個淋浴頭)，雙人帶單立衛(wèi)生間宿舍10間，四人不帶衛(wèi)生間三班倒宿舍20間。太陽能換熱間及集熱板設(shè)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(guī)范》，最高日熱水用水定額取100 L/d，按全日制供應(yīng)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(guī)范》，最高日熱水用水定額取80 L/d，按全日制供應(yīng)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(dāng)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(yīng)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(tǒng)選則

就目前現(xiàn)狀而言，太陽能系統(tǒng)形式可謂多種多樣而且各有千秋，沒有完美無缺的系統(tǒng)，只有適合工程現(xiàn)狀的系統(tǒng)，下面我們結(jié)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(yōu)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(yōu)點在于水壓穩(wěn)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(zhì)報告，其所處地區(qū)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(yōu)點顯而是有規(guī)模化效應(yīng)，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(tǒng)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(tǒng)可分為開式系統(tǒng)和閉式系統(tǒng)兩種。

這兩種系統(tǒng)核心區(qū)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(lián)或并聯(lián)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(shè)備等使用，較多的設(shè)備數(shù)量降低了系統(tǒng)安全性。優(yōu)點在于由于是閉式系統(tǒng)，其水質(zhì)不容易受到污染，無熱蒸發(fā)，比較節(jié)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(shè)備，因此系統(tǒng)簡單安全。缺點在于由于是開式系統(tǒng)，其水質(zhì)有被污染的可能需人員定期檢查，有一定熱蒸發(fā)。

該工程互熱機房設(shè)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(tǒng)。

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(tǒng)流程。

最后該工程做出的系統(tǒng)原理如圖1所示。

圖1 太陽能換熱系統(tǒng)原理圖

5 系統(tǒng)運行分析

按照循環(huán)系統(tǒng)來分，該樓生活熱水系統(tǒng)包含三條循環(huán)系統(tǒng):太陽能集熱系統(tǒng)、太陽能供熱系統(tǒng)、生活熱水循環(huán)系統(tǒng)。

5.1 太陽能集熱系統(tǒng)

該系統(tǒng)采用機械循環(huán)的開式水箱系統(tǒng)，具體流程為冷水補水經(jīng)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(huán)泵供給太陽能集熱板，冷水經(jīng)集熱板加熱后供回集熱水箱內(nèi)。

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(yōu)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(yōu)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(yōu)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(qū)(A)區(qū)，為系統(tǒng)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(guī)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(guī)》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(guī)》5.4.2A-4式，水泵的流量為:

太陽能及熱水泵為集熱循環(huán)中的控制單元，其啟停可分為三種情況:

溫差循環(huán):當(dāng)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(huán)泵。

當(dāng)太陽能集熱板出水溫度－集熱水箱溫度小于2℃時，關(guān)閉太陽能集熱循環(huán)泵。

防凍循環(huán):在夜間，當(dāng)太陽能集熱板出水溫度小于5℃時，開啟太陽能集熱循環(huán)泵，當(dāng)太陽能集熱板出水溫度大于8℃時，關(guān)閉太陽能集熱循環(huán)泵。

管理循環(huán):在需要的時候人工啟停循環(huán)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(nèi)升溫過快每組內(nèi)串聯(lián)的太陽能集熱板數(shù)為3片。

5.2 太陽能供熱系統(tǒng)

該條系統(tǒng)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(huán)泵從太陽能集熱水箱抽取高溫?zé)崴┙o水水換熱器再輸回集熱水箱。

其系統(tǒng)流量為:

5.3 生活熱水循環(huán)系統(tǒng)

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

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

1)當(dāng)太陽能集熱水箱內(nèi)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(dāng)集熱水箱溫度達到55℃以上時先開啟1號電動閥再關(guān)閉2號電動閥，此時太陽能水水換熱器可正常工作。

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

2)當(dāng)冷水初次經(jīng)過太陽能水水換熱器后，如果其溫度已經(jīng)達到使用溫度60℃，此時再流經(jīng)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(fēng)險，因此:

當(dāng)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(guān)閉4號閥門，此時初步換熱后的水經(jīng)過電熱水器升溫到60℃。

當(dāng)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(guān)閉3號閥門，此時電熱水器被跳過。

6 結(jié)語

太陽能熱水系統(tǒng)是一種清潔能源，他提高了我們的生活品質(zhì)。本文結(jié)合實際工程對筆者遇到的太陽能熱水系統(tǒng)進行了較為詳細的討論，文中所述系統(tǒng)各有優(yōu)缺點，但應(yīng)已較為完善的完成了系統(tǒng)設(shè)計，希望此文可為各同行設(shè)計師參照學(xué)習(xí)共同進步，為我省的建筑設(shè)計貢獻一份力量。