北方高寒地區太陽能集中供熱水系統的應用

佟 輝

(大慶油田電力集團宏偉熱電廠，黑龍江 大慶 163411)

隨著社會環保要求的不斷提高，常規燃料鍋爐提供的生活熱水，很難做到能源合理利用和環境保護達標。為了節約能源，減少建筑能耗對一次能源的巨大消耗，目前，在太陽能資源比較豐富的地區，很多企事業單位開始利用太陽能來集中供應熱水。然而在使用中發現該系統存在一些問題，如介質熱媒流程長，集熱、儲熱、補熱轉換環節多，控制過程復雜，受建筑物質量及天氣因素影響較大等。特別在北方高寒地區應用時還出現管路凍堵、集熱管炸裂等現象。所以，為了避免這些問題的發生，更好地利用太陽能，2013年，在大慶油田某賓館屋頂安裝的一套大型太陽能集中供熱水系統，據此分析太陽能集中供熱水系統在高寒地區應用中出現的問題及應采取的解決措施。

1 集中供熱水系統運行情況

在大慶油田某賓館屋頂安裝的一套大型太陽能集中供熱水系統，共有太陽能集熱器45組，集熱面積342 m2，設計日產熱水量26 t。太陽能集中供熱水系統運行原理如圖1所示。

圖1 太陽能集中供熱水系統運行原理示意圖Fig．1 Operational principle schematic diagram of solar energy central heating water system

在圖1中，太陽光照射到集熱器上將水加熱，當集熱器水溫高于集熱水箱水溫10℃時，集熱循環泵啟動自動將熱水打入集熱水箱中，當集熱水箱水溫高于供熱水箱水溫10℃時，水箱間循環泵啟動自動將熱水打入供熱水箱中，如此反復循環保證供熱水箱溫度始終在50℃以上。當高寒地區陽光不充足無法滿足供熱水箱溫度要求時，水箱內輔助電加熱自動進行加熱升溫。為了減少不必要的用電浪費，根據賓館熱水需求，一天設定了5次定時電加熱供熱水箱，當到達設定時間段且供熱水箱溫度小于設定溫度時，供熱水箱電加熱自動啟動，對水箱中的水進行了加熱，當供熱水箱溫度大于50℃時，供熱水箱電加熱自動停止。當供熱水箱水溫高于45℃時，1號—3號電動三通閥自動打開，經變頻循環泵為賓館提供太陽能產生的熱水。如果供熱水箱水溫低于45℃時，1號—3號電動三通閥自動關閉，由原有賓館熱水系統為賓館提供熱水。為保證賓館用水即開即熱，對賓館末端回水水溫進行了實時監測，當末端回水水溫在35℃以下時，回水電磁閥自動打開，直到末端回水水溫達到45℃時，回水電磁閥自動關閉。另外，本項目建立了遠程監控系統，實現了數據智能采集、存儲、統計分析和告警提醒等功能，便于對集中供熱水系統運行情況進行實時監測管理。

2 高寒地區使用該系統出現的問題及解決措施

2．1 管路防凍溫控技術

冬季北方高寒地區氣溫很低，太陽能集熱系統管路內的水會結冰，影響水循環，導致管路凍堵，造成整個太陽能集中供熱水系統癱瘓［1］。以往在管路防凍方面采取的措施是加裝普通電熱帶，但會增加能耗，而且電熱帶長期運行也會增加新的安全隱患。為更好解決這一問題，本項目實施時研究了管路防凍溫控技術，即采用管路防凍循環和電熱帶防凍相結合方式，根據管道溫度，自動控制啟動防凍系統，確保管路冬季無凍堵。

在管路防凍循環方面，對集熱器管路和水箱間管道，利用了自動化溫控技術，進行管路循環，防止管路凍堵。當集熱器管道溫度≤5℃時，集熱循環泵開啟進行管路循環，將水箱內熱水打進集熱器;當集熱器管道溫度≥10℃時，控制系統關閉循環泵;當水箱間管道傳感器溫度≤5℃時，水箱循環泵啟動;當水箱間管道傳感器溫度≥10℃時，水箱循環泵關閉(具體管路溫度測點位置見圖1)。

在電熱帶防凍措施上，采用自限溫電熱帶控制伴熱。自限溫電熱帶是由熱塑性樹脂與導電碳黑經過分散復合而形成的導電性復合材料，具有電熱轉換及自動調節限制溫升雙重功能。在加熱過程中，這種高分子材料的內部半導體通道數量(即電阻)發生了正溫度系數的變化(PTC效應)，實現了自限式控制，即防凍帶溫度越高，電阻越大，電熱功率自動減少，當電熱功率趨于極小值時，溫度便升到了高限，以保證防凍帶始終穩定在恒定的最佳溫區正常運行。另外，自限溫電熱帶腐蝕速度慢、耐老化、抗電擊，能有效減少火災隱患。當集熱器管道溫度≤防凍電熱帶啟動溫度(3℃)時，防凍電熱帶啟動;集熱器管道溫度≥防凍電熱帶停止溫度(15℃)時，防凍電熱帶關閉(自限溫電熱帶的安設位置見圖1)。

2．2 防炸管及炸管報警技術

本項工程集中供熱水系統太陽能集熱器是由全玻璃真空太陽集熱管組成。集熱系統在晴天運行時，如果長時間空曬，系統內部及全玻璃真空太陽集熱管內會因缺水出現高溫，溫度可高達450℃左右，這時如果突然給系統內部加入冷水，就會造成系統部分或者全部玻璃真空太陽集熱管炸管或者破損，管內熱水流出使屋頂積水，不但造成系統癱瘓無法使用，而且在氣溫較低的高寒地區漏出的水會在樓頂結冰，存在很大的安全隱患［2］。因此，有效預防或及時發現和處理炸管問題，對大型太陽能集中供熱水系統來說，是重要的安全使用和技術保障。

1)防空曬炸管高溫斷續循環技術措施。當集熱器溫度≥高溫斷續循環啟動溫度(85℃)，且集熱器溫度僅高于集熱水箱溫度2～10℃范圍內時，集熱循環泵每循環10 min，停20 min;當集熱器溫度≤高溫斷續循環停止溫度(80℃)，且集熱器溫度－集熱水箱溫度≤2℃，或集熱器溫度－集熱水箱溫度≥10℃時，停止高溫斷續循環;當集熱器溫度≥防炸管啟動溫度(90℃)且集熱器與集熱水箱的溫差≥防炸管啟動溫差(30℃)時，停止集熱溫差循環功能;當集熱器溫度≤防炸管停止溫度(85℃)或集熱器與集熱水箱的溫差≤防炸管停止溫差(25℃)時，恢復集熱溫差循環功能。

2)炸管報警技術措施。在集熱系統的集熱循環供水和回水管道分別安裝一個電磁流量計，系統自動巡檢。當集熱管炸管時，系統檢測到供回水流量差突然增加，或集熱水箱水位急劇下降而達到報警值時，系統自動以手機短信形式和監控系統中的警笛形式及時通知維護人員進行處理維修。

報警內容:

流量計供回管路偏差值報警。當集熱系統供水管路流量－回水管路流量≥報警啟動流量(20 m3/h)時，系統報警。

集熱水箱水位報警。雙水箱系統，集熱水箱應為常滿，當出現炸管后會使集熱水箱水位迅速下降。集熱水箱水位降到報警啟動水位后(L=75%)，系統報警。

2．3 建筑物的安全保障

太陽能集中供熱水系統一般安裝在建筑物的屋頂，而集熱器安裝需要鋼結構支架的支撐，在北方高寒地區屋頂安裝集中供熱水系統不僅要考慮防雷和承重等問題［3－4］，而且要考慮施工中破壞屋頂防水層而引發的滲漏問題。因此，為有效避免因雷擊造成設備的損壞，本項工程將屋頂光熱系統鋼結構支架與限流型避雷針相連接，并與原有建筑物避雷帶相連，經檢測滿足防雷接地的要求。屋頂承重載荷方面，原有建筑屋面板為空心板結構，屋面板上部在原設計之初并未考慮后期需新增荷載需求，因此，受屋面板結構及承載力等因素影響，給設備安裝增加了限制和約束。為解決這一問題，設計采用多點橫豎布局形成點陣式鋼結構基礎形式代替常用的鋼筋混凝土結構，如圖2所示。

同時，對基礎與屋面板結構的連接采用“避讓”與“補缺”兩原則進行設計。“避讓”即避開空心板結構受力筋，防止對屋面結構承載造成損傷，“補缺”即為在空心板需固定膨脹螺栓孔洞部位填充細石混凝土對膨脹螺栓進行錨固，有效地解決了錨板的固定問題。

屋面防水是施工中的重點和難點問題，即要考慮雨季施工防水問題又要考慮如何解決原防水層破壞后的恢復及結合問題。因此，在施工中采取分段施工的方式，做好對施工區的防雨遮蓋，對破壞處采取局部用防水膠密封防水的措施，基礎做完后用自粘卷材再對屋頂全面進行防水保護處理，較好地解決了與原防水層結合及整體防水保護等問題。另外，在屋頂集熱器支架間設計了專用安全檢查通道，敷設了能起保護作用的紅膠版，在人員參觀和巡視檢查時既不破壞防水層，又保證了人員巡檢和維修的方便。

3 結語

該項系統于2013年1月正式投入運行，至今，經過1 a多的實踐證明，該系統運行安全穩定，且取得了客觀的經濟效益。

圖2 太陽能集熱器常規基礎與本項目基礎設計的對比Fig．2 Comparison of conventional solar energy heat collector and the project of foundation design

［1］鄭瑞澄．民用建筑太陽能熱水系統工程技術手冊［M］．北京:化學工業出版社，2006．ZHENG Ruicheng．Engineering handbook for solar energy water heating system of civil building［M］．Beijing:Chemical Industry Press，2006．

［2］羅運俊，李元哲，趙承龍．太陽熱水器原理、制造與施工［M］．北京:化學工業出版社，2006．LUO Yunjun，LI Yuanzhe，ZHAO Chenglong．Principle of solar water heaters，manufacturing and construction ［M］．Beijing:Chemical Industry Press，2006．

［3］民用建筑太陽能熱水系統應用技術規范［M］．北京:中國建筑工業出版社，2005．Technical specification for solar energy water heating system of civil buildings［M］．Beijing:Chinese Architecture Industry Press，2005．

［4］魏斯勝，郎仲杰．非承壓集熱器熱水工程中炸管原因及預防措施的探討［J］．太陽能，2009(3):59-50．WEI Sisheng，LANG Zhongjie．Discussion of causes and preventive measures on tube explosion of non pressure heat collector in the hot water engineering［J］．Solar Energy，2009(3):59-50．