太阳能热水系统在皖西地区城镇建筑中的应用初探

2011-01-31余才锐张双喜沈冬梅

中国建筑金属结构 2011年5期

余才锐张双喜沈冬梅

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随着城市生活低碳化，节能环保已经成为城镇建筑发展一个重要因素，因此太阳能利用就成为一个不可或缺的节能措施。本文介绍了太阳能集中热水系统的原理，提出一种适合皖西地区使用的太阳能热水系统，并将该系统投入建设、使用，经经济测算得出，该系统不仅取得很大的经济效益，并且还将取得良好的社会效应。

皖西地区；太阳能集中热水系统；节能

随着城市化水平的提高，住宅建筑数量逐年递增，质量也日益提高。新建住宅配套生活热水供应设施已经成为房地产开发商提高楼盘品质的有效手段之一。皖西地区夏热冬冷，绝大部分住宅没有集中生活热水供应。这是因为集中热水供应系统一般按小区规模设计，且一次建成，设备投资大。又受小区居民用水的不均匀性和不确定性的影响，常使系统低负荷运行，系统供热效率低。室外管网一般采用镀锌钢管向用户直接供水，由于间歇供水，系统反复进行充水、充气的循环，腐蚀严重，供水初期会有黄水出现，这些限制着集中供应生活热水系统的应用。但是，绝大部分住宅设有燃气热水器和电热水器等局部热水供应系统，由于该类热水供应能耗较高，预计不会成为今后住宅热水供应的主流。随着热水供应技术的发展，人们开始把目光投向太阳能热水供应系统。太阳能作为无污染的绿色能源，近几年在住宅建筑热水供应中得到快速发展，它能提供满足人们生活需要的热水。

一、区域特征

图1 热管真空管太阳能热水器工作原理

皖西地区地处北纬31.76°，东经116.50°。总体来说，皖西地区年辐射总量水平大约在4580MJ/ (m2.a)，年平均辐射量总量12.5MJ/(m2.a)，属于我国第三类太阳能资源带 [4200～5400MJ/(m2.a)]，可以实施太阳能资源利用，为太阳能集中热水系统创造了条件。

从2009年3月1日起，安徽省地方标准《太阳能利用与建筑一体化技术标准》（DB34854-2008）开始实施，强制要求新建12层及以下住宅和新建、改建和扩建的宾馆、酒店、商住楼等有热水需求的公共建筑，应统一设计和安装太阳能热水系统；城镇区域内12层以上新建住宅应用太阳能热水系统，必须进行统一设计、安装。同时，对该标准出台的强制性规定要确保落实到位。

二、太阳能集中热水系统的原理

太阳能热水系统一般由集热器、储热水箱、管道系统和控制系统四大部分组成，见图1。集热器有全玻璃真空管式、热管式等形式。全玻璃真空集热管热水器制取热水原理是：全玻璃真空集热管是双层玻璃结构，外管是透明的玻璃管，内管内部走水，内外层玻璃之间为真空，在内玻璃管的表面上利用特种工艺涂有光谱选择性吸收涂层，用来最大限度的吸收太阳辐射能。经阳光照射，光子撞击涂层，太阳能转化成热能，水从涂层外吸热，水温升高，密度减小，热水向上运动，而比重大的冷水下降。热水始终位于上部，即储热水箱中。通过在真空集热器内形成冷水由上而下、热水由下而上的水流循环，使保温水箱内的水温逐渐升高。太阳能热水器中热水的升温情况与外界温度关系不大，主要取决于光照。阴雨天时使用辅助电加热装置，即能实现全天候使用热水。在实际的工程中，见图2所示的原理图。太阳能热水器配备水温﹑水位显示能够自动断电及多种保护功能的控制器，保证用户在长时间阴天或水温偏低的情况下也能得到满意的热水。

图2 太阳能集中热水系统示意图

三、太阳能集中热水系统运行分析

1.太阳能加热

对于太阳能热水器定时用水系统，采用循环加热的方式比较合适。由于使用已有的储热水箱，且水箱位置不高于太阳能集热器，因此该系统不能采用自然循环的方式，而采用强制循环的方式。在光照条件下，当集热器内水温高于储水箱内水温时，温差控制器使循环水泵自动通电循环；当集热器内水温不高于储水箱水温时，温差控制器使循环水泵自动停止；如此不断地将储热水箱内的水加热。

2.电、蒸汽辅助加热

若太阳能加热的水温低于要求的45℃时，电加热或蒸汽辅助加热自动启动，以保证洗浴热水水温。在设定的时间内（可任意设定，一般应设定在用水前2小时内），温控仪自动检测储热水箱水温，若温度高于设定值，辅助加热不启动，若温度低于设定值，辅助加热自动启动，当水箱水温达到设定温度时，辅助加热自动停止。在冬季用蒸汽辅助加热，其它季节使用电辅助加热。

3.自动上水和定时用水

在设定用水时间内，储热水箱上水电磁阀自动关闭，用水电磁阀自动打开；在其它时间上水电磁阀自动打开，用水电磁阀自动关闭，水箱上满冷水后，浮球阀自动关闭。

四、太阳能系统的实际应用

该工程为皖西地区的某住宅楼，采用太阳能集中热水系统，该住宅楼层为6层，4个单元，供给48户，按每户用水人数3～5人考虑，热水用量160升/户。该系统总水量为160升/户×48户=7680升。

1.系统配置

本系统采用光热转换设备—集热器是配有50支直径47mm，长度1500mm的全玻璃真空管组成的联集管式集热器，见图3。为了保证系统能24小时连续供应热水，我们将水箱设计成两个部分。一个是恒温水箱，可以直接向用户供应热水；另一个是储热水箱，用于存储热水，并随时给水箱补水，本系统设计水箱的容量为8吨，将恒温水箱和储热水箱的容量配比设定3：2，以达到保证热水24小时连续供应的使用目的。系统的辅助加热应保证在规定的时间内（用水高峰期）提供足够的热水，辅助热源在水温低于设计值（一般为50℃）的开始加热恒热水箱内的水，辅助加热至少应提升30的温差，根据住宅楼用户的情况，采用电加热器为辅助热源。我们设想在用水高峰的4个小时内提供最大热量，则电加热器的理论最大功率为85千瓦。