集中式太陽能熱水系統設計與探討

［摘 要］文章介紹了太陽能集中式熱水的設計和計算過程，以及太陽能熱水系統的自動控制，探討了宿舍建筑的太陽能熱水系統的方案選擇，并闡述了太陽能熱水系統和各組件的工作原理與選用條件。

［關鍵詞］太陽能集中式熱水系統；系統計算；運行原理

［中圖分類號］TK519 ［文獻標志碼］A ［文章編號］2095–6487（2024）02–0044–03

1 項目概況

本項目位于大廠回族自治縣，屬于太陽能條件等級二級（較豐富區）。本項目建筑物共7 層，3 層及以上為宿舍，1 層和2 層為宿舍的配套房間。建筑高度為26.35 m，屬于二類高層公共建筑，總面積為14 507.94 m2，用水規模為454 人。本項目采用直接式強制循環太陽能熱水系統，地下室鍋爐房高溫熱水作為輔助熱媒，當氣象條件導致太陽能系統產生的熱水不滿足使用要求時啟動。

2 太陽能熱水系統計算

2.1 生活熱水熱負荷計算

參考GB 50015—2019《建筑給水排水設計標準》第6.4.1 中相關條款的規定：全日供應熱水的宿舍（Ⅰ、Ⅱ類）集中熱水供應系統的設計小時耗熱量應按以下公式計算：

Qh=Khmqr（tr–tl）ρrC/T=1 053 （1）

式中，Qh為設計小時耗熱量，kJ/h；m為用水計算單位數，人或床，本項目為454；qr為熱水用水定額，L/（人·d）或L/（床·d），本項目取70；C為水的比熱，kJ/（kg·℃），本項目取4.187；tr為熱水溫度，℃，本項目取60；t1為冷水溫度，℃，本項目取5；ρr為熱水密度，kg/L，本項目取0.981；T為每日使用時間，h，本項目取10；Kh為小時變化系數，本項目取4.8。

2.2 集熱器總面積計算

（1）平均日耗熱量計算：

Qmd=qmrmb1cρr（tr-tML）（1）

式中，Qmd為平均日耗熱量，kJ/d；qmr為平均日熱水用水定額，L/（人·d）或L/（床·d），本項目取50；b1為同時使用率，%，本項目取0.85；c為水的比熱，kJ/kg，本項目取4.187；tML為年平均冷水溫度，℃，本項目取10。

（2）直接太陽能熱水系統集熱器總面積計算：

Ajz=Qmdf/bjJtηj（1-0.25）（3）

式中，Ajz為直接太陽能熱水系統集熱器總面積，m2；Qmd為平均日耗熱量，kJ/d，；f為太陽能保證率，%，本項目取0.45；bj為集熱器總面積補償系數，本項目取1；Jt為集熱器總面積的平均日太陽輻照量，kJ/（m2·d），本項目取14 180；ηj為集熱器總面積的年平均集熱效率，%，本項目取0.45。

3 太陽能熱水系統及組件選用

3.1 太陽能熱水系統的方案比較

太陽能熱水系統分為直接式和間接式。直接式是熱水直接流經太陽能面板進行熱交換，升溫到使用溫度直接使用。間接式則是使用熱水作為換熱介質，一般用于易冰凍地區和大規模的熱水系統，太陽能面板效能低于直接式。考慮到建設成本，本項目使用直接式系統，利用熱水溫差控制的循環方式。

3.2 太陽能集熱面板選擇

目前常用的是平板型太陽能集熱面板和真空管太陽能集熱面板。

（1）平板型太陽能集熱面板的特點是耐承壓，可產生中低溫熱水，經濟性好，質量可靠。缺點是不抗凍，僅適用于南方地區。

（2）真空管太陽能集熱面板的特點是耐承壓，可產生中高溫熱水，抗凍，適用于寒冷地區。缺點是價格較高。因本項目體量較小，集熱面板價格對系統價格影響較小，故采用適合北方地區的真空管太陽能集熱面板。

3.3 太陽能熱水管道選擇

目前市場上常用的太陽能熱水管材有PB 塑料管、PEX 交聯管、PPR 管、不銹鋼波紋管、鋁塑復合熱水管。不銹鋼波紋管價格較高，管道熱膨脹系數大，常用于對衛生標準要求較高的飲用水管道。鋁塑復合熱水管可用作95℃的高溫熱水管，膨脹系數小，可熱熔連接。PEX 交聯管可用作90℃的高溫熱水管，使用金屬管件壓接，成本較高，且連接處因溫度變化易出現變形問題。故經綜合比較，選用鋁塑復合熱水管作為本項目熱水管。

3.4 熱水儲水設備選擇

本項目的太陽能儲水罐選用浮動盤管導流型容積式熱水器1 套，容積式熱水器具有對熱媒條件（溫度與負荷）變化適應能力強的特點，故可作為太陽能熱水的儲熱水罐。

3.5 系統概述

熱水系統采用太陽能集熱器直接加熱和鍋爐房熱水作為熱媒聯合供熱，太陽能集熱面板采用真空管太陽能集熱面板，集中布置在第3 層屋面，集熱面積為130 m2。本項目設計小時耗熱量為1 053 MJ/h，太陽能熱水系統設計承擔20% 的小時耗熱量為210.6 MJ/h，設置1 臺有效容積為5 m3 的容積式熱水器（集熱水罐）儲存太陽能集熱器制備熱水。太陽能面板放置在第3層屋面，鍋爐房熱水器熱媒水輔助加熱，鍋爐房熱媒出水溫度80℃，回水溫度60℃，地下層泵房設置兩臺半容積式熱水器儲存并加熱熱水，每臺儲水容積為1.5 m3，水溫到達60℃后供至各用水點。系統型式參見《太陽能熱水系統安裝》中的“強制循環雙水罐直接加熱系統”。

熱水系統采用太陽能與半容積熱水器聯合供水，鍋爐房高溫熱水作為輔助供熱熱源，采用半容積式熱水器可減小儲熱容積，可充分利用太陽能蓄熱，不會導致熱量散失。當熱水溫度低于60℃時，由鍋爐房熱媒加熱，此系統優點是可保證熱水系統的恒溫恒壓，減小機房面積，適用于熱水儲水總容積在10 m3 以下、全日集中供水、對建筑外觀要求高、屋頂不允許設置水箱間的建筑。本項目位于寒冷地區，故采取相應的防凍措施。

4 太陽能熱水系統運行原理

太陽能熱水系統運行原理如圖1 所示。

4.1 熱水制備原理

集熱循環采用溫差循環，太陽能集熱器出口和容積式熱水器設置溫度傳感器T1（集熱器出口水溫）、T2（太陽能儲熱水罐水溫），當T1–T2≥ 10℃時，系統集熱循環泵P1啟動。當T1–T2≤ 3℃時，系統集熱循環泵P1 停止。當集熱水罐熱水的水溫提高到60℃時，送至半容積式熱水器供用戶使用。當半容積式熱水器內的溫度T3在設定時間內低于50℃時，啟動鍋爐房熱水泵提供熱媒，將半容積式熱水器熱水水溫提高至60℃，供用戶使用，同時關閉鍋爐熱媒熱水泵，輔助熱媒系統設置手動控制輔助熱源開閉的閥門。

4.2 補水控制

集熱水罐補水由水箱的液位開關與水罐內部溫度開關聯合控制。當低液位信號和水箱內部高溫信號同時送至電動閥時，電動閥打開進行補水；當高液位信號和水罐內部溫度開關低溫信號任一送至電動閥時，電動閥關閉停止補水。

4.3 防過熱保護

當T2＞ 70℃時，集熱循環泵關閉，集熱循環停止；當T2＜ 60℃時，集熱循環泵開啟，集熱循環開始。當T1經常大于介質氣化溫度時，可設置空氣冷卻器散熱或采用遮蔽太陽能集熱器等措施，防止太陽能集熱器過熱。

4.4 回水系統

根據設于熱水回水管末端的T4電接點溫度計運行控制，45℃開啟，50℃關閉。

4.5 管道保溫防凍措施

當室外溫度低于4℃時，集熱泵P1開始啟動，管內水溫高于10℃時，自動關泵。屋面明敷的太陽能熱水循環管道采用電伴熱措施，電伴熱功率為30 W/m，當環境溫度低于4℃時，由溫控儀控制啟動。熱水供回水橫干管、立管保溫，采用40 mm 厚的聚乙烯橡塑管殼進行保溫，外設玻璃布保護層。

4.6 聯動控制

太陽能集熱器、鍋爐房熱媒水系統及容積式、半容積式熱水器等制熱設備與控制系統須聯動控制運行。

5 太陽能集熱水罐容積計算

（1）集熱水加熱或水箱（罐）的有效容積計算如下。

Vrx=qrjdAJ （4）

式中，Vrx為儲熱水罐有效容積，L；AJ為集熱器總面積，m2，本項目取5；qrjd為集熱器單位輪廓面積平均日產60℃熱水量，L/（cm2·d），范圍為40～80，本項目取40。

6 集熱循環泵計算

（1）集熱循環泵流量計算：

qx=qgzAJ （5）

式中，qx為集熱系統循環流量，L/s；qgz為單位面積集熱器對應的工質流量，L/（s·m2），本項目取0.02。

（2）閉式間接加熱太陽能集熱系統循環泵的揚程取系統的沿程阻力和局部阻力損失之和。本項目太陽能系統集熱水管采用鋁塑復合熱水管，熱水管設計工作壓力為1.0 MPa，采用熱熔連接和卡環式連接。經計算循環泵取揚程為20 m。

7 運行管理

（1）集中式太陽能熱水系統初次運行前應先沖洗儲水箱、集熱器及系統管路內部，再向系統內充填傳熱工質，真空管熱水系統應在無陽光照射的條件下充填傳熱工質，以防炸管。

（2）集熱系統日常運行要避免集熱器空曬運行和避免集熱工質不流動而引起悶曬。

（3）對于排空和排回的集熱系統，要保證集熱器中不能有存水死角，以防系統產生氣堵或積水，造成管道等部件凍裂。

（4）真空管集熱器應定期清掃或者沖洗集熱器表面的灰塵，條件允許時可0.5～1 a 擦洗一次真空管，真空管內水溫較高，容易形成水垢，需要定期除垢。

8 結論

（1）通過本項目太陽能系統計算過程可知，本項目熱水耗熱量為3 963 MJ/d，計算直接式熱水系統所需太陽能面板面積約為373 m2，若采用間接式系統則約410 m2，每1 m2 的太陽能面板可產生約9.5～11 MJ/d的熱量，可作為今后此類項目的方案參考，用以判斷屋面面積是否足夠布置太陽能面板。

（2）集中式太陽能熱水系統有多種布置及選型方式，應結合建筑實際情況選用合適的形式，本項目地處北方地區，冬季易冰凍，故太陽能集熱面板選用真空管太陽能集熱面板。因屋面不適合放置開式水箱且系統用熱水量小于10 m3，故選用閉式熱水系統。在安裝太陽能系統前，應做好與其他專業的配合，太陽能集熱器架空屋面安裝時，應將集熱器固定在預埋或預留在屋面的建筑連接構件上，并應做好防凍、防過熱等安全措施。

參考文獻

[1] 中國建筑標準設計研究院. 太陽能集中熱水系統選用與安裝[M]. 北京：中國計劃出版社，2015.

[2] 中國建筑設計院有限公司，中國建筑標準設計研究院有限公司. 太陽能熱水系統選用與安裝[M]. 北京：中國計劃出版社，2016.

[3] 建筑給水排水設計標準：GB 50015—2009[S].

[4] 中國建筑設計院有限公司，中國建筑標準設計研究院有限公司. 水加熱器選用及安裝[M]. 北京：中國計劃出版社，2016.

[5] 李志磊，王靖華，趙剛，等. 淺談太陽能熱水系統與建筑一體化設計[J]. 綠色建筑，2011，3（5）：32-36，40.