论太阳能集中热水系统设计
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摘 要:本文结合某高层建筑住宅群太阳能集中热水系统工程实例，论述了太阳能集中热水供水系统在高层建筑群的设计特点，其中有集热器的选型及布置，辅助加热方式和热源的选择，热水供水方式，以期给大家在太阳能集中热水系统设计中提供指导。
关键词:高层建筑群太阳能热水系统集热器节能效益
１工程概况
某高层建筑住宅群，总建筑面积约17万ｍ２，分两期施工建造，其供热系统均采用太阳能集中供热。一期建设第1～15栋，均为13层，建筑高度40.1ｍ，集热器集中放置在屋面能有效利用太阳光能的位置。二期建设第16～18栋，其中第16栋为30层，建筑高度87ｍ，第17、18栋为32层，建筑高度92.6ｍ，集热器除放置在屋面可有效利用太阳能位置外，还布置在女儿墙和侧立面及阳台上，以保证足够的热源。
2本工程太阳能热水供水系统的主要特点
建设方要求本项目全部18栋高层建筑群均采用太阳能集中热水系统，供应全部住户热水，要求投资省、运行费用低、管理简单，对热水供应的质量未作过高的要求。针对甲方要求，设计在太阳能利用上具有以下几个特点。
2.1集热器的布置
太阳能集热器在中高层住宅中，首先考虑安装在建筑物顶部，在建筑外观上不会影响建筑景观；同时，集热器的安装排列不受建筑物走向的限制，可以达到系统最佳的集热效果。中高层住宅太阳能热水系统的设计，应满足太阳能集热器面积使所有的住户都有权利使用上太阳能热水。本项目采用太阳能集中供热系统，以单栋为一个小系统，相对独立。一期工程的15栋13层住宅，在屋面安装平板式集热器已能满足整栋热水需要的热量，与12层以下民用建筑的太阳能集热系统相同。二期的3栋高层建筑，楼层数均超过30层，单靠屋面安装集热器，不能满足供热需求，设计中利用了女儿墙和侧立面阳台安装集热器，以达到足够的集热面积从而满足用户的供热需求。第16栋住宅30层，分为Ａ 座和Ｂ座两个完全对称结构，共有290户。设计所需集热面积为313ｍ２，屋面面积为330ｍ２，能安放集热器的有效面积约为250ｍ２，按一块集热板的集热面积约为2ｍ２ 考虑，光靠屋面面积显然不能满足设计需要，因此利用女儿墙和南侧立面阳台安装集热器来补足。第17、18栋住宅32层，每栋的设计集热面积都超过1000ｍ２，单纯依靠屋顶安装集热器根本无法满足要求，因此设计中在每栋建筑的女儿墙，东、南、西三个侧立面阳台都安装了集热器，侧面集热器的面积综合折减率约为55％。
2．2集热器分组
由上述的集热器布置设计可以发现，高层住宅所需的集热器数量、面积比较庞大，常用的集热器串联连接会造成大量能量损耗，因此本项目对集热器进行分组，分组后热媒采用并联方式接入集水器，再进入储热设备。因设计中集热器数量较多，特别是第16、17、18栋楼中既有设于屋顶的平板型集热器，又有设于外墙和阳台的金属Ｕ 型管式真空管集热器。以第16栋Ａ座为例，共设置5组集热器，其中屋面集热器分成2组，每组集热器数量分别为４3块和44块；女儿墙部分集热器分成2组，每组集热器数量均为36块；南侧立面阳台集热器为1组，集热器数量为58块；由于每组集热器的面积、热媒在管道中的输送距离、流量、集热器的类型都有差距，故设计根据每组集热器的流量、阻力损失的不同，配置流量、扬程相匹配的强制循环泵，并在回水管路上设置平衡阀调节，使得进入集热水箱的热媒符合设计要求。
3集热器的选型
本项目中侧立面和阳台的集热效果对保证整体供热有着极其重要的作用，设计在女儿墙侧立面及阳台部分的集热器采用金属Ｕ 型管式真空管集热器。因侧立面的集热器对安装角度有一定的要求，采用平板集热器会大大降低其集热效果，集热器布置在立面必须具有抗台风的性能。
4辅助加热方式和热源的选择
为满足建设方节省初期投资、减少运行管理成本的要求，本项目的太阳能热水系统采用太阳能集中集热―集中储热―分散辅助加热的形式，表１给出了太阳能集中辅助加热和分户辅助加热方式的优缺点比较，住宅集中式太阳能热水系统，若采用集中辅助加热，会因为在用户入住率低的情况下每户实际分担加热费用很大，即便用户满住，如使用不足也会造成浪费。采用分户辅助加热有利于节能节费，当阴雨天气太阳能与热水温度不够时，分户使用多少热水就加热多少热水，如此能够更为有效利用太阳能。辅助能源作为太阳能系统的有效补充，应该根据用户自身具备的条件，综合考虑其运行成本、初期投资等因素进行选择。目前的燃气、电等常规能源中，燃气辅助为第一选择，其设备投资不高，安装简单、运行费用相对最低，设备选择广泛。本项目采用分户天然气辅助加热。
5热水供水方式
太阳能系统的合理应用除太阳能集热系统优化运行外，合理的供水系统设计也至关重要，本项目供热水箱采用屋顶容积式压力罐形式，充分利用给水系统的供水压力，供水方式为上行下给式，采用分区减压的方式，分区楼层同生活给水系统，2～5层为１区，6～14层为2区，16～24层为3区，25～32层为4区；每区设减压阀减压，对供水压力超过0.35ＭＰａ的楼层设支管减压，阀后设定压力0.2ＭＰａ，立管干管回水，每区回水泵设在首层，4区回水共用一根管道将降温后的热水压力输送到供热水箱。由于每区的减压数值不同，各区的加压循环泵的扬程除了克服循环流量的阻力损失外还要加上被减掉的水头，选择水泵性能参数的偏差会导致各区回水压力不平衡，设计在回水管道上设置平衡阀，以调节平衡各区回水流量满足设计要求。此供水方式的优点为冷热水压力相对平衡，用户能获得稳定的热水供应，节能节水，满足了规范减压装置的设置要求；缺点是供水立管较多，管路复杂，回水循环泵也多，各区回水循环泵由于提升的压力不同而共用回水管，增大了维护运行管理的复杂性。
设计中对每户的热水供水管路也进行过探讨。由于集热系统未设置集中辅热系统，系统供给用户的热水水温并不稳定，何时启用热水器进行辅热用户难以把握。解决方式一是用户采用温度自动设定的热水器，设定热水器出口温度后，热水器会根据进水水温自动无极调整燃气供应量，确保出水水温在要求的范围。此方式管理简便，易于实施，最充分地利用了太阳能，但该类热水器造价稍高，由于热水器为用户自理，所以存在着用户入住时安装何种热水器的变数。
方式二是采用在空调系统中经常使用的温控三通阀，设定热水进水温度（如35℃），当进水水温大于设定温度时，热水管连接卫生间、厨房的管路端打开，热水直接供用户使用，当进水水温小于设定温度时，三通阀连接卫生间、厨房的管路端关闭，与连接燃气热水器的管路端打开，水进入用户燃气热水器，由燃气热水器加热水到设定温度供用户使用。此方式系统简单，对用户热水器无特殊要求，运行可靠，但要增加价格较高的温控三通阀，且要设置控制线路，对管理使用的要求较高。
根据与建设方商榷，认为方式一更能满足本项目的使用要求，故设计采用用户自备温度自动设定的燃气热水器辅热方式供水。
6小结
太阳能集中热水供应系统设计是对高层建筑特别是30多层高层建筑应用太阳能集中供热的一次探索，在设计过程中就屋顶集热面积不足，集热器布置、选择、分组，冷热水供水方式及压力平衡，辅热方式，设备安装管理等一系列问题进行了初步探讨分析，虽然设计尚存在一些问题，但是太阳能供热系统在高层民用建筑中应用所带来的节能潜力是无可置疑的，其在高层建筑中应用也将越来越广泛。
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