本文選自省級期刊《能源與節(jié)能》，《能源與節(jié)能》創(chuàng)刊于1996年，本刊堅持科學(xué)發(fā)展觀，關(guān)注我國能源經(jīng)濟現(xiàn)象，報道能源與節(jié)能領(lǐng)域最新科研成果，探求我國該領(lǐng)域的方針、政策和發(fā)展戰(zhàn)略， 積極普及節(jié)能知識。同時為從事教學(xué)、管理、科研、以及廣大一線工作的技術(shù)人員就能源、環(huán)保及節(jié)能等相關(guān)問題提供了一個政策研討、理論交流及節(jié)能和環(huán)保等新 技術(shù)推廣的平臺。

　　摘要：隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展和對環(huán)境保護的重視，太陽能作為一種環(huán)保新能源，一種簡單、經(jīng)濟、環(huán)保、可靠的改善建筑環(huán)境的方法，很適合我國經(jīng)濟現(xiàn)狀的采暖及供熱方式，在建筑施工中得到了大力的推廣和廣泛的使用。

　　關(guān)鍵詞：新能源,太陽能采暖,太陽能建筑

　　1項目概況

　　本項目位于石家莊開發(fā)區(qū)，其中的3號綜合樓總建筑面積3256m2,采用集中式太陽能熱水系統(tǒng)，要求24小時提供熱水，通過供水干管循環(huán)方式保證用戶用水即可即熱。該項目集中熱水供水系統(tǒng)采用太陽能熱水機械循環(huán)直接供水系統(tǒng)，供水溫度為55℃，回水溫度為50℃。由于綜合樓內(nèi)設(shè)有數(shù)據(jù)機房，夏季機房空調(diào)制冷量較大，設(shè)燃氣制冷機組及燃氣鍋爐房，故此集中熱水供水夏季以太陽能集熱為主，以燃氣熱水鍋爐作為輔助熱源（該項目不具備市政供熱條件）生活水補水溫度按15℃計；冬季則以燃氣熱水鍋爐作為主要熱源，生活水補水水溫度以５℃計。

　　因本市具有較豐富的太陽能資源，太陽直接輻射的利用時數(shù)較多，每天平均能達到6小時左右，在冬季及夏季長陰雨天，太陽能集熱器收集到的熱能不足，故需要設(shè)置輔助加熱系統(tǒng)補熱。

　　２工程設(shè)計

　　2.１設(shè)計依據(jù)。《民用建筑太陽能熱水系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》GB50364-2005。《太陽能熱水系統(tǒng)施工技術(shù)規(guī)程》BD11/T461-2007。《建筑給水排水設(shè)計規(guī)范》BG50015-2003(2009版)。《全國民用建筑工程設(shè)計技術(shù)措施•給水排水》2009版

　　2.2太陽能熱水機械循環(huán)直接供水系統(tǒng)及輔助加熱系統(tǒng)。

　　太陽能熱水機械循環(huán)直接供水系統(tǒng)及輔助加熱系統(tǒng)包括“Ｕ”型真空管集熱器組、太陽能熱水貯水箱、集熱器至貯熱水箱間集熱循環(huán)泵、兩貯熱水箱間熱水循環(huán)泵、熱水供水系統(tǒng)循環(huán)泵、輔助熱源及導(dǎo)流型容積式換熱器、膨脹罐、溫度、壓力及水位等信號取源部件、電動執(zhí)行閥、電控柜或PLC、DDC等。

　　2.3集中熱水供水系統(tǒng)設(shè)計。

　　集中熱水供水采用機械循環(huán)系統(tǒng)。熱水供水管與回水管同程布置，并采用支管循環(huán)。淋浴熱水供水管在淋淋浴間內(nèi)環(huán)形布置。供水溫度為55℃，回水溫度為50℃。熱水經(jīng)導(dǎo)流型容積式換熱器由熱水管道系統(tǒng)輸送至地下一層餐廳／廚房、衛(wèi)生間、淋浴室、后勤服務(wù)區(qū)、員工宿舍等用水點。

　　2.4太陽能集中熱水系統(tǒng)運行控制。太陽能集中熱水系統(tǒng)中有兩個熱水貯水箱（Ａ和Ｂ），Ａ水箱通過集熱循環(huán)泵P1-a、P1-b（一用一備）與集熱器組相連；A、B水箱間通過換熱循環(huán)泵及高位連通管相連；Ｂ水箱通過熱水供水管道與換熱器相連；熱水供水系統(tǒng)循環(huán)泵為P2-ab（一用一備）；太陽能集熱器取源溫度為T1，貯熱水箱Ａ取源溫度為T2，貯熱水箱Ｂ取源溫度為T3,A、B水箱由低到高依次設(shè)有1、2、3、4四個水位。

　　2.4.1自動補水：白天當(dāng)Ｂ水箱水溫≤60℃且水位至３水位及以上時，自動補水閥停止補水；當(dāng)Ｂ水箱水溫≥63℃時，自動補水閥開始補水（至４水位時停止），超４水位溢流并報警；當(dāng)Ｂ水箱水位低于２水位時，自動補水閥開啟并補水至３水位時停止；當(dāng)Ｂ水箱水位低于１水位時，自動補水閥強制開啟并報警；夜間定時（如凌晨２點，可調(diào)）補水至４水位。（注：自動補水設(shè)有旁通閥，在自動閥出現(xiàn)故障狀態(tài)下，可切換為手動操作）

　　2.4.2集熱板與Ａ水箱之間的溫差循環(huán)：T1—T2≥5℃（可調(diào)）時，P1-a或P1-b啟動；T1－T2≤2℃（可調(diào)）時，P1-a或P1-b停止。

　　2.4.3冬季運行模式的切換。①當(dāng)連續(xù)５天Ａ水箱內(nèi)最高溫度T2＜30℃（可調(diào)）時，進入冬季運行模式，Ｂ水箱的出水、回水、自動補水管切斷；②當(dāng)T1≤5℃（可調(diào)）時，P1-a或P1-b開啟進行循環(huán)，當(dāng)T1≥15℃（可調(diào)）時，Ｂ水箱出水、補水管啟用，回水管切斷，出水作為預(yù)熱水使用。

　　2.4.4夏季高溫斷續(xù)循環(huán)模式：當(dāng)T1≥90℃（可調(diào)）且僅高于Ａ水箱水溫度2～10℃（可調(diào)）范圍內(nèi)時，P1-a或P1-b每循環(huán)運行10分鐘，停止運行20分鐘，以防炸管。

　　2.4.5Ａ、Ｂ水箱間循環(huán)泵的溫差循環(huán)：當(dāng)Ｂ水箱水溫≤60℃（可調(diào)）且T2－T3≥5℃（可調(diào)）時，換熱循環(huán)泵開啟；當(dāng)Ｂ水箱水溫≥63℃時，換熱循環(huán)泵強制停止循環(huán)，T2－T3≤2℃（可調(diào)）時，換熱循環(huán)泵停止循環(huán)。

　　2.4.6導(dǎo)流型容積式換熱器輔助熱源的運行。①當(dāng)Ｂ水箱出水溫度≤55℃（可調(diào)）時，熱媒供水電動閥開啟（并可調(diào)節(jié)開度），當(dāng)Ｂ水箱出水溫度≥63℃（可調(diào)）時，熱媒供水管電動閥關(guān)閉。②Ｂ水箱內(nèi)水溫≥55℃（可調(diào)）時，供至Ｂ水箱的回水管電動閥開啟，供至換熱器的回水管電動閥關(guān)閉。③Ｂ水箱內(nèi)水溫＜55℃（可調(diào)）時，供至Ｂ水箱的回水管電動閥并閉，供至換熱器的回水管電動閥開啟。④供至換熱器的補水管控制：當(dāng)處于冬季運行模式①或Ａ、Ｂ水箱故障檢修時開啟，其余條件下關(guān)閉。

　　2.4.7Ａ或Ｂ水箱故障檢修（備用模式）：當(dāng)Ａ或Ｂ水箱處于故障檢修時，可通過其備用管道實現(xiàn)與集熱板的連接，水箱間的循環(huán)泵停止運行，運行中水箱的水溫在30～63℃（可調(diào)）范圍內(nèi)時，可按正常狀態(tài)運行，當(dāng)水箱的水溫＜30℃（可調(diào)）時，進入冬季運行模式；當(dāng)水箱中水溫≥63℃（可調(diào)）且水位已至４水位時，其出水管、回水管切斷；當(dāng)T1≥90℃（可調(diào)）且僅高于水箱水溫度2～10℃（可調(diào)）范圍內(nèi)時，進入夏季運行模式。

　　2.5太陽能集熱器設(shè)計參數(shù)。

　　2.5.1用水溫度：由于太陽能集熱器效率隨產(chǎn)熱水溫度升高而降低，且熱水用途為主要為廚房洗滌和洗浴，確定太陽能熱水供水溫度為55℃。

　　2.5.2用水水質(zhì)：對于普通太陽能熱水系統(tǒng)，熱水水質(zhì)是考慮熱水是否結(jié)垢和對管道、設(shè)備是否腐蝕的重要因素，由于水加熱后，溫度升高使鈣、鎂鹽類溶解度降低，易形成水垢而附在管壁和設(shè)備內(nèi)壁上，降低管道輸送能力和設(shè)備的導(dǎo)熱系數(shù)，同時水溫升高，會使溶解氧逸出，增加水的腐蝕性。關(guān)于水質(zhì)對管材的影響設(shè)計時予以考慮。

　　2.5.3產(chǎn)水量：根據(jù)《建筑給水排水設(shè)計規(guī)范》GB50015-2003（2009版）的規(guī)定，各項生活熱水用水定額均按規(guī)范中規(guī)定的生活熱水用水定額的下限值選取。以此計算平均日生活熱水用量約為10m3/d（60℃），折合成55℃的熱水為11m3/d。

　　2.5.4單位集熱器日產(chǎn)水量：根據(jù)GB/T50364-2005《民用建筑太陽能熱水系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》中列出的直接加熱集熱器面積計算公式計算:

　　Ac=Qrd×C×ρr(tr-tL)f/(Jt×η×(1-ηL))

　　式中：

　　Ac：直接加熱集熱器總面積，(m2)；

　　Qrd：日產(chǎn)水量(L/d)；

　　C：水的比熱容，4.187kJ/(kg•℃)；

　　ρr：對應(yīng)熱水溫度tr下的熱水密度(kg/L)

　　tr：集、貯熱水箱內(nèi)熱水設(shè)計溫度，℃；

　　tL：冷水溫度，℃；

　　f：太陽能保證率，無量綱，根據(jù)系統(tǒng)使用期內(nèi)的太陽輻照量、系統(tǒng)經(jīng)濟性及用戶要求等因素綜合考慮后確定，宜為0.3~0.8，北京地區(qū)屬太陽能資源較富區(qū)，設(shè)計選取0.5；

　　Jt：當(dāng)?shù)丶療崞鞑晒饷嫔系哪昶骄�日太陽輻照量[kJ/(m2•d)，設(shè)計集熱器按50°傾角安裝，采光面上設(shè)計取值為14188.37kJ/(m2•d)；

　　η：集熱器年平均集熱效率，按集熱器產(chǎn)品實測數(shù)據(jù)確定，經(jīng)驗值為45~50%，設(shè)計取值為50%；

　　ηL：貯水箱和管路熱損失率，取15~30%，設(shè)計取值為20%。

　　根據(jù)上述公式，計算得出本項目產(chǎn)生1m3/d生活熱水（55℃），太陽能系統(tǒng)需配置14.8m2集熱器。

　　2.5.5系統(tǒng)配置集熱器面積：太陽能熱水系統(tǒng)產(chǎn)水量為11m3/d（55℃），太陽能系統(tǒng)需配置14.8×11=163m2集熱器。該工程采用真空管集熱器，真空管中走“U”型管，“U”型管內(nèi)走水，而真空管中不走水，當(dāng)真空管破裂時，可單獨對其進行更換，系統(tǒng)其它部分不受影響。U型管的進出水管串接，再將所有組件并聯(lián)連接在供回水管路上，通過水泵強制循環(huán)將經(jīng)太陽能加熱后的熱水輸送到機房貯熱水箱中。

　　2.5.6太陽能集熱器屋面占地面積：為滿足太陽輻照量要求，該項目太陽能集熱器的安裝傾角為50°(側(cè)重冬季使用時，安裝角度=當(dāng)?shù)鼐暥?10)，共163/5.4=30組（依據(jù)某品牌太陽能單組集熱器面積），占用屋面積約為320m2（含太陽能換熱機房面積）。

　　2.5.7太陽能貯水箱容積：為充分利用太陽能的熱量，設(shè)置有效容積為11m3的不銹鋼貯熱水箱兩個，貯存全天生活熱水用水量。

　　2.5.8輔助熱源及容積式換熱器：為保證在陰雨、低溫等太陽能資源不足的氣候條件下，生活熱水系統(tǒng)能夠滿足使用要求，在太陽能系統(tǒng)供水管路上串聯(lián)導(dǎo)流型容積式換熱器，以生活-采暖兩用燃氣熱水鍋爐作為輔助熱源，加熱生活熱水。輔助熱源及容積式換熱器均按全日供應(yīng)生活熱水配置，設(shè)計小時耗熱量為146.5kW，設(shè)計小時熱水量為2.33m3，采用導(dǎo)流型容積式換熱器兩臺，總貯水量為3m3。

　　3設(shè)計總結(jié)

　　3.1在太陽能資源豐富地區(qū)有效地利用太陽能可達到建筑物綠色節(jié)能的目的。

　　3.2集中式太陽能熱水系統(tǒng)的設(shè)計難點在運行模式的控制，運行模式的合理分配可保證對太陽能的充分利用，以達到節(jié)能減排的目的。

　　3.3太陽能集熱系統(tǒng)的冬季防凍和夏季防過熱問題的解決，可保證太陽能集熱系統(tǒng)的安全可靠運行。

　　3.4輔助熱源的合理設(shè)置是熱水供水系統(tǒng)可靠運行的保證。

　　參考文獻:

　　[1]《建筑節(jié)能》楊善勤，郎四維，涂逢祥編著.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2011

　　[2]《新型太陽能吸附式制冷系統(tǒng)研究》李云蒼，Eric,J.Hu等.新能源，2000,22(11):1一5,15

　　[3]《新型太陽能連續(xù)型固體吸附制冷及供熱復(fù)合機設(shè)計及性能模擬》張學(xué)軍，王知竹.太陽能學(xué)報