高層建筑集中集熱分戶供熱式太陽能系統應用實例分析

摘 要：對高層建筑集中集熱分戶供熱水太陽能系統應用實例分析，總結其實際使用的優缺點及應用注意事項。

關鍵詞：高層建筑；集中集熱分戶供熱；分戶循環控制；開式系統；換熱式

隨著社會的發展，能源的開發，能源緊缺日益凸顯。石油、煤炭等非可再生能源供給不但日益緊張，且帶來的環境污染問題也不容小覷。建筑領域對節能降耗，可再生能源的利用也日益重視，許多新建建筑在設計階段就已進行太陽能建筑一體化設計，全國已有北京、深圳、江蘇、山東等多個地市對12層以下的新建住宅建筑強制要求安裝太陽能系統。

對民用高層建筑來言，集中集熱分戶供熱式太陽能系統越來越受到設計單位及建筑單位的青睞。其有以下優點：（1）運行方式合理。相比集中集熱直接供熱水式太陽能系統，電加熱棒不再設置在大水箱內，而是設置在分戶水箱中由住戶各自管理，避免了直供系統不論用水量大小變化而加熱水量都是滿水箱水量造成的電量浪費。每戶各自收取電加熱費，取費合理。（2）占用樓頂空間小。集熱板集中設置；采用分戶水箱，因此樓頂大水箱也相應減小容積，特別適合樓頂安裝面積有限的小高層及高層建筑。（3）系統集成程度較高，便于物業管理維護。安裝整齊美觀，與建筑一體化程度高。

目前集中集熱分戶供熱式太陽能系統常用的有三種模式：（1）集中分戶換熱-設置集熱緩沖水箱式。（2）集中分戶換熱-戶內水箱儲熱式。（3）集中集熱儲熱-分戶加熱供水式。

三種供水模式各有特點，其中第一種模式具有開式系統，同程連接，分戶換熱控制的特點。其原理設計合理，較多為設計單位采用。

其系統原理圖如下：

原理特點：（1）支管換熱循環：若用戶儲水箱中的水溫Ta高于主管道水溫Ta+1，分戶電磁閥關閉，不參與系統換熱，若用戶儲水箱中的水溫Ta低于主管道水溫Ta+1 5℃時（可調），分戶電磁閥打開，參與系統換熱。（2）短路循環：若樓內主管遠端溫度T4≤設定溫度時，打開遠端短路電磁閥DCF2，循環主管至設定溫度停止。防止遠端主管溫度Ta+1降低使遠端用戶無法參與換熱，至T4達到設定溫度（45℃）關閉電磁閥。（3）輔助加熱：分戶水箱經過換熱后仍達不到洗浴溫度，則啟動分戶水箱內電加熱，達到設定溫度停止加熱。（4）選用承壓式戶內水箱，內置換熱盤管，頂水式用水。

運行模式特點及優缺點說明：系統在樓頂設置集熱緩沖水箱，熱量通過太陽能系統收集在集熱緩沖水箱中，再通過管路循環交換儲存在戶內水箱中，樓頂太陽能系統非承壓運行，管路循環及戶內水箱承壓式運行，以水作為集熱及換熱循環介質，設置分戶換熱控制。

優點：（1）換熱式運行，便于物業管理（電費每戶各自計量）。（2）以水作為循環換熱介質，運行成本低（補液費用可忽略）。（3）設置有分戶換熱控制電磁閥，當戶內水箱溫度高于換熱管路溫度時，戶內電磁閥關閉，戶內水箱不參與換熱，用戶自己加熱水后不會因換熱循環導致水溫下降，控制合理。（此功能配合主管短路循環使用。）

缺點：（1）系統復雜。（2）室內換熱循環開啟時間長，很大一部分熱量浪費在室內管路換熱循環上，管路及儲水箱熱損失率ηcd（含室內）達到0.5。

應用實例：

山東省濟寧市梁山縣某小區高層民用建筑樓高17層，每單元1梯2戶，在每單元樓頂安裝集中分戶換熱-設置集熱緩沖水箱式太陽能系統。

（1）室內水箱的換熱估算：

式中：F-換熱面積，m2；K-傳熱系數，容積換熱器380～410，W/（m2·℃）；ε-結垢影響系數，0.6～0.8；Cr-集熱系統的熱損失系數， 1.1～1.2；Δtj-計算溫差，℃。QZ-盤管換熱量，w。

水加熱器熱媒與被加熱水的計算溫度差按下列公式計算：

容積式水加熱器、導流型容積式水加熱器、半容積式水加熱器：

式中：△tj-計算溫度差，℃；tmc、tmz-熱媒的初溫和終溫，℃；tc、tz-被加熱介質的初溫和終溫，℃；

設計熱媒的入口初溫65℃，熱媒的出口中溫（平均溫度）45℃。

室內儲水箱內水的的初溫和終溫分別為15℃和45℃。

假定換熱面積為0.3m2。

則△tj=25℃

則換熱量

循環換熱時間：經計算循環換熱約2小時能達到換熱效果。

室內循環換熱管道損失估算：

室內循環流量：單戶的循環流量約為100l/h～180l/h；34戶循環主管道管徑為DN32；按照40mm厚聚乙烯保溫層，管道溫度為60℃；室內環境溫度為20℃；每米管道的熱損失為12w/m；平均循環時間按照8小時計算；則每個單元管道循環散熱及管道冷水熱損約為：80MJ/d。

（2）太陽能集熱面積及集熱水箱計算：

集熱面積經計算為114m2，計算過程略。

應用實際效果：此小區安裝集中分戶換熱-設置集熱緩沖水箱式太陽能系統在夏季大部分時間溫度能達到50℃左右，在光照最好的天氣，水溫能達到70℃左右。冬季正常光照的情況下水溫能達到30℃左右。

安裝注意問題：（1）同程水管3路若采用“1供2回”溫度探頭T4必須設置在最高層處檢測最遠點循環管路溫度，反之若供水管路為“2供1回”則溫度探頭T4須設置在最底層。（2）戶內控制器的溫度設置、水箱的設計溫度要合理。根據現場的調試，換熱上限8℃，下限2℃最為合適。（3）戶內控制電磁閥為常啟閉的易損件，選用可靠、靈敏的高質量電磁閥非常重要。

參考文獻

[1]王靖華，王寧.高層住宅集中熱水系統設計探討[J].中國給水排水，2002.

[2]潘雷.集中集熱-分戶儲熱太陽能熱水系統的實例分析[J].建筑熱能通風空調，2013.

作者簡介：石中秋（1980，9-），男，籍貫：山東省德州市，學歷：本科，職稱：助理工程師，研究方向：建設工程（建筑工程給排水）。