集中供熱太陽能熱水系統(tǒng)工程技術(shù)分析

太陽能熱水系統(tǒng)是利用太陽能集熱器采集太陽熱量，在陽光的照射下使太陽的光能充分轉(zhuǎn)化為熱能，通過控制系統(tǒng)自動控制循環(huán)泵或電磁閥等功能部件將系統(tǒng)采集到的熱量傳輸?shù)酱笮蛢λ厮渲校谄ヅ洚?dāng)量的電力、燃?xì)?、燃油等能源，把儲水保溫水箱中的水加熱并成為比較穩(wěn)定的定量能源設(shè)備。該系統(tǒng)既可提供生產(chǎn)和生活用熱水，又可作為其他太陽能利用形式的冷熱源，是目前太陽熱能應(yīng)用發(fā)展中最具經(jīng)濟(jì)價值、技術(shù)最成熟且已商業(yè)化的一項應(yīng)用產(chǎn)品。

上海交谷太陽能科技有限公司技術(shù)工程師根據(jù)過往的施工經(jīng)驗和技術(shù)方案，對集中供熱太陽能熱水系統(tǒng)工程技術(shù)做如下分析：

01  太陽能集中供熱水系統(tǒng)組成 太陽能熱水系統(tǒng)主要由以下四部分組成：

1.1集熱器：主要由集熱管和聯(lián)集器組成。根據(jù)其形式、特點及使用范圍，分為池式、袋式、筒式、管板式、真空管式及熱管真空管式，其中真空管式應(yīng)用最廣泛。集熱器間可以并聯(lián)、串聯(lián)或混聯(lián)。震哥哥集熱器固定在平屋頂?shù)幕炷粱A(chǔ)上。

1.2 集熱水箱：集熱水箱是儲存熱水袋額儲熱設(shè)備，以保證熱水供應(yīng)的穩(wěn)定。其要求與普通熱水箱基本相同，并根據(jù)不同地區(qū)采用不同 的保溫處理。集熱水箱根據(jù)系統(tǒng)要求設(shè)置于平屋頂上。

1.3 鏈接管道：連接集熱器于集熱水箱以便形成一個完整的循環(huán)系統(tǒng)，管道布置分為等程式。連接管道應(yīng)根據(jù)不同地區(qū)采用不同的保溫處理。

1.4 輔助部件：太陽能熱水系統(tǒng)的輔助部件包括水位計、溫控儀表閥門、過濾器、循環(huán)水泵及輔助加熱器等，應(yīng)根據(jù)不同情況選用。

02  太陽能集中供熱水系統(tǒng)原理

2.1自然循環(huán)

自然循環(huán)太陽能熱水系統(tǒng)是依靠集熱器和儲水箱中的溫差，形成系統(tǒng)的熱虹吸壓頭，使水在系統(tǒng)中循環(huán)；與此同時，將集熱器的有用能量收益通過加熱水，不斷儲存在儲水箱內(nèi)。

系統(tǒng)運行過程中，集熱器內(nèi)的水受太陽能輻射能加熱，溫度升高，密度降低，加熱后的水在集熱器內(nèi)逐步上升，從集熱器的上循環(huán)管進(jìn)入儲水箱的上部；與此同時，儲水箱底部的冷水由下循環(huán)管流入集熱器的底部；這樣經(jīng)過一段時間后，儲水箱中的水形成明顯的溫度分層，上層水首先達(dá)到可使用的溫度，直至整個儲水箱的水都可以使用。

用熱水時，有兩種取熱水的方法。一種是有補水箱，由補水箱向儲水箱底部補充冷水，將儲水箱上層熱水頂出使用，其水位由補水箱內(nèi)的浮球閥控制，有時稱這種方法為頂水法；另一種是無補水箱，熱水依靠本身重力從儲水箱底部落下使用，有時稱這種方法為落水法。

2.2強制循環(huán)

強制循環(huán)太陽能熱水系統(tǒng)是在集熱器和儲水箱之間管路上設(shè)置水泵，作為系統(tǒng)中水的循環(huán)動力；與此同時，集熱器的有用能量收益通過加熱水，不斷儲存在儲水箱內(nèi)。

系統(tǒng)運行過程中，循環(huán)泵的啟動和關(guān)閉必須要有控制，否則既浪費電能又損失熱能。通常溫差控制較為普及，有時還同時應(yīng)用溫差控制和光電控制兩種。

溫差控制是利用集熱器出口處水溫和貯水箱底部水溫之間的溫差來控制循環(huán)泵的運行。

強制循環(huán)系統(tǒng)可適用于大、中、小型各種規(guī)模的太陽能熱水系統(tǒng)。在雙回路的強制循環(huán)系統(tǒng)中，換熱器既可以是置于貯水箱內(nèi)的浸沒式換熱器，也可以是置于貯水箱外的板式換熱器。板式換熱器與浸沒式換熱器相比，有許多優(yōu)點：其一，板式換熱器的換熱面積大，傳熱溫差小，對系統(tǒng)效率影響少；其二，板式換熱器設(shè)置在系統(tǒng)管路之中，靈活性較大，便于系統(tǒng)設(shè)計布置；其三，板式換熱器已商品化、標(biāo)準(zhǔn)化，質(zhì)量容易保證，可靠性好。

03  太陽能集中供熱水系統(tǒng)應(yīng)用

3.1工程概況 

職工住宅樓建筑面積3900㎡，3單元，12戶/單元，每戶設(shè)計用熱水量120L/日，設(shè)計日平均45℃熱水4.4噸，采用集中式太陽能熱水系統(tǒng)，分戶計量，熱水箱置于各單元頂層樓梯間內(nèi)，管道內(nèi)熱水恒溫循環(huán)，保證用水即開即熱。 

3.2系統(tǒng)設(shè)計要求

3.2.1太陽能集熱系統(tǒng)供水溫度45℃，自來水溫度按照15℃考慮，太陽能集熱系統(tǒng)溫升ΔT=45℃-15℃ =30℃。

3.2.2集熱器面積以某地區(qū)全年日平均輻射量14550KJ/㎡·d為計算依據(jù)，太陽能集熱器總面積計算公式為

A=Q×C×(t2-t1)×p×f/J×?1×(1-?2)

式中：A—太陽能集熱器面積，m²；

Q—設(shè)計日均熱水用量，4.4t/d；

C—水的定壓比熱容，取4.187KJ/(kg·℃）；

t1—水的初始溫度，取15℃；

t2—儲水箱內(nèi)水的設(shè)計溫度，取45℃；

P—水的密度，取1000kg/m³；

f—太陽能保證率，取60%；

J—集熱器采光面上的平局日輻照量，取14550KJ/m²·d；

?1—集熱器的年平均集熱效率，根據(jù)廠家數(shù)據(jù)，取0.5；

?2—儲水箱及管路熱損失率，取20%。

計算得所需太陽能集熱器面積為18.99m²/單元；本工程選用銅鋁復(fù)合系列平板太陽能集熱器，每片有效集熱面積2.22m²，實際宮采用11片。

3.2.3儲熱水箱容積V=B2As

式中：V—儲熱水箱溶劑，L；

B2—每m²集熱器所需的有效儲水容積，取65L/m²；

As—集熱器總面積，取24.5m²。

計算得儲熱水箱容積1.593T,實際選用容積為1.6T的儲熱水箱；內(nèi)膽采用304不銹鋼焊接，外用50mm厚聚氨酯保溫。輔助電加熱18KW/單元，效率90%。 

3.2.4循環(huán)泵選型 

集熱系統(tǒng)循環(huán)泵選擇PH-101E,全揚程H=5米，最大流量Q=7.2噸，輸入功率為100W；供水系統(tǒng)循環(huán)泵選擇PW-101E,全揚程H=5米，最大流量Q=7.2噸，輸入功率為100W。 

3.2.5防凍措施 

采用管道循環(huán)防凍，為預(yù)防冬季停電現(xiàn)象，在管路底部設(shè)置手動排空裝置，當(dāng)停電致防凍循環(huán)不能啟動時，打開閥門將管路中的水排空，達(dá)到防凍的效果。 

04   結(jié)語 

住宅建筑的多樣化、太陽能集熱器與建筑一體化技術(shù)的發(fā)展水平、輔助熱源的選擇、各地氣象條件及能源價格差異等因素，令系統(tǒng)應(yīng)用形式多樣化；同時，系統(tǒng)設(shè)計中的儲熱水箱選擇、水溫設(shè)定、冷熱水平衡、熱水立管布置等將直接影響系統(tǒng)的節(jié)能性與舒適性；不同項目應(yīng)具體分析、精心設(shè)計，方能令太陽能集中熱水供應(yīng)系統(tǒng)發(fā)揮最大效益。 交大光谷太陽能是上海市建筑節(jié)能協(xié)會推薦的地產(chǎn)配套和酒店節(jié)能改造項目的優(yōu)秀品牌，交大光谷太陽能應(yīng)用范圍涵蓋了工商業(yè)和民用項目，如學(xué)校、醫(yī)院、工廠、機關(guān)、敬老院、游泳館、浴場等。