太阳能热水集中供热系统设计实例分析

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　　摘要
　　 本文首先简要介绍了太阳能热水集中供热系统的应用现状及原理，指出了太阳能热水集中供热系统在供热效率和节能环保等方面的重要作用。通过某学校太阳能供热系统设计实例分析，对系统设计原则和集热器选型进行了总结和归纳，为相关工程设计实践提供了参考。
　　关键词
　　太阳能供热系统、电辅加热、集热循环、集热器
　　引言
　　太阳能作为一种安全、经济、方便、卫生的清洁能源，在当今世界的能源危机中，越来越受到重视，得到多种途径的开发利用。我国大力提倡环境保护和能源节约，使得太阳能技术得到长足的发展。本文通过某职业教育中心工程中太阳能热水集中供热系统的应用实例分析，对系统设计原则和集热器选型进行了总结，可以作为相关设计工作的参考。
　　
　　一、太阳能供热系统特点及组成
　　 太阳能热水供热系统是利用太阳能集热器收集太阳辐射能把水加热的一种装置，是目前太阳热能应用发展中极具经济价值、技术较为成熟的一项应用产品。供热系统一般主要由集热器、储水箱、循环水泵、连接管路和控制中心等部分组成。连续供水集中太阳能热水系统具有供水品质好、节能环保、便于管理、使用费用低等特点，值得广泛推广应用。
　　
　　工程设计实例分析
　　 某职教中心工程总建筑面积约12.5万平方米。一期建筑面积6.6万平方米，二期建筑面积5.9万平方米。其中，1#、2#宿舍楼均为地上六层，建筑高度23.6米，采用屋顶太阳能集热系统供各层公共浴室学生洗浴用水。
　　用水总量计算
　　 根据《民用建筑太阳能热水系统工程技术手册》相关用水规定，确定生活用水量。本工程中单体宿舍容纳在校学生3200人，每层设男女浴室各2间。取设计标准40升/人计算，供水模式为全天供水，太阳能系统日供热水100吨。
　　系统配置
　　 某职教中心工程，单体宿舍是以中部连廊为对称中心南北两侧功能对称的H型宿舍建筑。设计中于每侧公共浴室上方屋面处设一太阳能水箱间。单侧水箱间内设备配置如下：
　　不锈钢水箱，有效容积为25m3，2台（贮热水箱和保温水箱）。
　　太阳能集热循环泵，流量17.4t/h，扬程19.5m，2台，一用一备。
　　电辅加热器，180kw，一台。
　　电加热辅助循环泵，流量13.8t/h，扬程7.5m，2台，一用一备。
　　供水循环泵，流量17.4t/h，扬程19.5m，2台，一用一备。
　　运行状态分析
　　集热循环
　　 太阳辐射达到一定强度时，集热器温度开始上升，当温度达到控制器的设定温度时，集热器循环水泵开始启动，将储热水箱的水输送到集热器阵列，同时热水流入恒温水箱，这样可以保证在太阳能工作的第一时间系统就可以得到恒定的热水。当太阳能继续工作时，热水可以通过溢流的方式到达贮热水箱完成热循环。这样经过一天的循环，两水箱的水温都可达到正常的使用温度。
　　辅助热源及其控制系统
　　 太阳能属于不稳定、低密度热源，因此无论是局部热水还是集中供应系统均宜设置辅助热源及其加热设备。辅助热源及水加热设备应按太阳能供热的不稳定状态匹配，根据太阳能集热系统的不同供热工况投入运行，合理使用能源。
　　 在保证太阳能集热量充分利用的条件下，根据不同的热水供应方式采用合理的自动控制或手动控制。工程中控制系统为辅助热源提供了控制功能，使系统可以自动打开辅助加热循环泵和辅助加热电源，系统可以执行两项加热控制：A 、在每天两个定时加热时段，系统可以将水箱温度加热到设定的温度T1； B、在加热时段之外的时间，系统加热器可以维持设定的温度T2；一般T1-T2≥10℃，T2=42℃。
　　自动上水
　　 自动上水分为三种情况：A、每天设定两个上水时段，系统可以将水位维持在高水位；B、在上水时段之外的时间，如果水箱缺水（低于低水位），系统所有动作停止，同时会启动上水，并维持低水位，系统重新开始正常工作；C、在所有时间内，如果水箱温度高于设定温度T3，一般T3-T2≥5℃，这说明太阳能在高效工作，这是系统会启动上水并达到高水位。在设定的上水时段（大体为太阳能工作时段），系统处于温控上水过程，系统低于高水位而高于设定温度时开始上水，达到高水位或低于设定温度时上水停止；在设定的上水时段之外（基本上是用水高峰和电加热可能的工作时段），上水不受温度控制只维持低水位，这样可以减少电加热可开启时间，同时减少由于上水而引起的水温波动。
　　供水循环
　　 供水循环是保证供水管网内始终有恒定热水的间歇循环。系统的供水循环有三种选择方式：A、定时循环每天分8个时段定时循环，每个时段最多可达200分钟，整个循环可以覆盖24小时；B、定温循环可设定供水管道温度的上限和下限，低于下限时供水循环启动，达到上限时停止；C、定时定温循环系统可以将A、B两种方式复合起来，实现在规定的时段内定温循环。
　　系统原理图
　　
　　
　　
　　图1 太阳能热水集中供热系统原理图
　　集热器的类型及选用
　　 集热器类型分为平板型集热器、全玻璃真空管集热器、金属―玻璃真空管集热器等。本工程设计实例中采用金属―玻璃真空镀膜集热管。采用玻璃管外罩，将热管直接插入管内或应用U形金属管吸热板插入管内的集热管，抗冻、耐压和耐冷热冲击能力强。
　　集热器朝向
　　 集热器一般设置在屋面、阳台拦板、建筑外墙等部位，其布置不宜受建筑墙体、周围设施和树木遮挡，应满足一天不少于4小时日照时数的要求。
　　 集热器安装方位（集热器采光面法线）宜朝向正南，也可在南偏东、西30°以内布置，但应适当增加集热面积，增加集热面积的详细计算参见《太阳能集中热水系统选用与安装》中有关计算内容。
　　太阳能热水器与住宅建筑一体化
　　 实现太阳能热水系统与建筑的完美结合，应根据建筑外形的特点合理选择和摆放太阳能集热器，使太阳能集热器成为住宅建筑的一部分，实现二者在造型、质感、颜色上的协调与统一。
　　
　　三、总结
　　 太阳能综合利用在我国还处于稳步发展阶段，太阳能热水器技术的发展也十分迅速。随着新的产品技术的不断发展，如新型太阳能集热器、新型末端瞬时加热器及太阳热泵等技术的开发利用，必将推动系统设计应用水平不断提高。同时，太阳能热水设备品种繁多，集热方式和系统设计原理也多种多样，每种系统形式都有其自身特点和应用范围；另外我国幅员辽阔，各地区太阳能资源、气候环境、经济发展水平和生活习惯均存在较大差异，因此太阳能热水系统设计选型应因地制宜，具体工程具体分析，不能盲目套用，避免造成浪费。
　　
　　
　　 参考文献
　　 [1]《全国民用建筑工程设计技术措施―给水排水》，2009年；
　　 [2]郑瑞澄，民用建筑太阳能热水系统工程技术手册，化学工业出版社， 2011年；
　　 [3]中国建筑标准设计研究院，太阳能集中热水系统选用与安装，中国计划，2006；
　　 [4]陈伟，太阳能热水器集中供热系统设计实例， 《给水排水》，2001年06期；
　　 [5]李刚，济南某住宅连续供水集中太阳能热水系统设计，《给水排水》，2005年03期；
　　 [6]于国清，王小兵，小型太阳能复合供热系统的应用与设计，暖通空调，2007年03期。
　　
　　注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。

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