集中光电太阳能热水建筑一体化施工技术

徐怀华

摘要：住宅小区集中光电太阳能热水建筑一体化技术，是在屋面设置太阳能集热器，在设备间设置储热水箱、电加热锅炉、自动控制系统等，太阳能系统运行时采用温差循环(强制循环)与定温出水的工作方式对太阳能水箱中的水不断加热，当太阳能水箱需要补水时，系统自动启动电磁阀进行补水，将水补充到设定水位时停止；当太阳能水温不足时，系统自动启动电辅助加热，将水温加热到设定温度时停止。系统供水方式采用变频供水方式进行供水。该技术节能、低碳环保，投资回收年限预评估（相对于电锅炉）为1.34年，寿命期内减排CO2为3315.5吨。

关键词：太阳能 建筑一体化

中图分类号： TK511文献标识码：A 文章编号：

Abstract: the residential area concentrated photovoltaic solar hot water building integrated technology that is set in roof solar energy collector, the equipment room set in hot water, electric heating reservoir boiler, automatic control system, the solar energy system is running the temperature difference cycle (forced circulation) and fixed temperature water way of working for solar water tank of water heating constantly, when the solar water tank need filling water, the system automatically start electromagnetic valve, the water, the water level will water added set stopped; When the solar energy water temperature is insufficient, the system automatically activated electric auxiliary heat, water will be heated to set temperature to stop. The water supply system way way by frequency conversion water supply water supply. The technology energy saving, low carbon environmental protection, investment recovery period the assessment (relative to the electric boilers) is 1.34 years, life period for 3315.5 tons of CO2 emissions.

Keywords: solar building integration

1、前言

太陽能与建筑一体化是在建筑上的一个新的领域，林萃公寓住宅小区集中光电太阳能热水建筑一体化技术从规划、设计到施工及交付使用等流程严格按照太阳能与建筑一体化的要求进行，使民用建筑太阳能热水系统安全可靠、性能稳定、与建筑和周围环境协调统一，严格规范太阳能热水系统的设计、安装和工程验收，保证了工程质量。太阳能与建筑一体化从视觉方面主要体现在美观性上，林萃公寓太阳能集热器与屋面结合紧密牢固，在外观上有整体美感，太阳能集热器与屋面基本为一个整体，且颜色保持一致，实现两者的协调与统一。

2、工程概况

北京林翠公寓工程由5栋11～15层住宅楼和1栋配套公建楼组成，小区建筑面积79139㎡，总住户268户，小区成“回”字形布置，其中5幢东西向条形布置的住宅楼屋面采用斜顶、水泥瓦屋面。住宅生活热水采用集中光电太阳能热水建筑一体化技术，热水温度为55℃,总热水用量为60T，利用太阳能和辅助能源，实行了住宅小区集中热水供应，提高了住宅档次和生活品味及再生资源的利用，大大节约了能源，降低了二氧化碳的排放。

小区平面布置图

屋面太阳能布置图

3、运行原理

3.1、系统概况

采用清华阳光 SLL 型集热器， 1台90吨保温水箱，1台450KW电锅炉辅助热源，电伴热带与防冻循环相结合冬季防冻，清华阳光自主研发的PLC液晶触摸屏控制器自动控制，无线远传，热水远程计量，变频式供水加装管路循环系统即开即热。

3.2运行原理概述：

斜屋面布置太阳能集热器阵列，设备房放置保温水箱。太阳能系统运行采用温差循环(强制循环)与定温出水的工作方式,对太阳能水箱中的水不断加热。当太阳能水箱需要补水时，系统启动电磁阀进行补水，将水补充到设定水位时停止；当太阳能水温不足时，系统启动电辅助加热，将水温加热到设定温度时停止。

3.3、太阳能系统运行原理详细流程：

3.3.1、太阳能水箱水位达不到6格（水箱满水）并且水箱内温度传感器T13达不到60度时，当T1(T1~T6)大于水箱实际水温7摄氏度(可调)时打开水泵P1a(P1a~P6a)，对储热水箱内水循环加热，进行温差循环,当T1小于水箱实际水温水温3摄氏度时水泵停止，进行温差循环工作方式;直到水箱中的水加热到60度后停止。

3.3.2、当集热器顶部的温度传感器T1(T1~T6)处温度达到67度,储热水箱内温度传感器T13处温度达到60度并且水箱水位达不到6格时,打开电磁阀E1(E1~E6)，利用自来水的压力把集热器内的热水顶入储热水箱内,到T1(T1~T6)到达59度时关闭电磁阀E1(E1~E6),此时控制方式为定温出水工作方式,通过这样一个不断重复的过程将太阳能水箱水位达到6格;

3.3.3、太阳能储热水箱内水位达到6格时，太阳能系统启动温差循环工作方式，将水箱中的水不断加热。

3.3.4、当水箱水位低于4格水位(由水位传感器W1测定)时,电磁阀E7打开,自来水直接向水箱进行补水,补充到满格水位时停止.

3.3.5、当集热器底部的温度传感器T7(T7~T12)低于5度时，启动循环水泵，进行防冻循环，当T7(T7~T12)达到10度时停止；当室外温度低于5摄氏度时,电伴热带开始工作,对室外管路加温，到室外温度到10度时停止，保证管道防冻安全。

3.3.6、当水箱温度低于50度时,P-7a（P-7b）与P-8a（P8b）同时开启,通过板式换热器对水箱进行加热,将水箱中的水加热到60摄氏度时停止。设备运行原理图：

太阳能系统运行原理图

4、重要参数确定

4.1、太阳能集热面积计算：根据国家现行标准《太阳热水系统设计、安装及工程验收技术规范》GB/T 18713-2002中的计算公式，计算过程如下：

4.1.1、集热面积计算公式：

4.1.2、系数含义:

◆：系统集热器采光面积，m²；

◆：日平均用水量，kg；

◆：水的定压比热容，kJ /（kg •℃）；

◆ ：贮热水箱内水的终止温度，℃；

◆： 水的初始温度，℃；

◆：当地春分或秋分所在月集热器受热面上当月日平均太阳辐照量，kJ/m2；

◆：太阳能保证率，无量纲

◆：集热器全日集热效率，无量纲；

:管路及贮水箱热损失率，无量纲；

4.1.3、系数取值：

◆：待计算；

◆：根据工程概况，设计用水总计 60 吨，合 60000 kg；

◆：4.18kJ /（kg •℃）；

◆： 15℃；（环境温度15℃以上）

◆： 55℃；

◆：按照晴好天气下平均每天17000kJ/m²取值；

◆与 ： 综合后即为系统效率，清华阳光热水系统平均效率在45%以上，在此按照45%计算；

4.1.4、计算结果

太阳能系统的集热面积为 1049m²。

4.2、储热水箱容积的计算

按每平方米太阳集热器采光面积需要的贮热水箱容积为40－100L的原则，本工程按常规考虑为每平方米太阳集热器采光面积对应75L贮热水箱容积，考虑到水箱容积的取整与水箱造价等因素，另外需要为部级干部预留一部分富裕水量，经选择，水箱容积应为 90 吨。

4.3、辅助加热能量计算

4.3.1、一般太阳能采用电辅助加热，蓄热式系统加热功率（节能运行）计算如下：

4.3.2、参数含义与参数选择

◆：每加热一吨水的耗电量（KW），待计算；

◆：小时耗热量（W），太阳能系统经验参数为8550；

◆ 1000：换算系数

◆：水加热设备效率：一般按95%计算。

4.3.3、计算结果：根据蓄热式系统进行计算，经综合考虑，设计一台450KW的电锅炉作为辅助热源。

5、一体化施工技术

5.1、屋面集热器的施工

根据楼面情况，采用不同型号的SLL集热器做阵列，基本型号为SLL1500/50、SLL1200/50、SLL1500/40、SLL1200/40，共计216 块集热器，分为 3层摆放，共计 72 列。集热器安装屋面预留基础上，根据屋面倾角，集热器与水平面夹角约为30º。

集热器基础采用混凝土浇筑制成，与楼板牢固连接，内置预埋铁。集热器安装在牢固焊接的钢结构支架上。此种安装方式确保建筑物的承重、防水等功能不受影响，另外充分考虑太阳集热器抵御强风、暴雪、冰雹等的能力。设计图纸如下所示：

集热器基础制作安装图

集热器采用嵌入式安装，安装完成后集热器与屋面瓦齐平。集热器与基础牢固结合，并且便于维修拆卸。如下图所示：

1＃楼屋面集热器安装图

5.2、太阳能系统设备的施工

太阳能系统各型设备均置于太阳能设备间，设备间位于4＃地下1层，由太阳能水系统设备间与电控系统设备间组成。系统中的储热水箱、水泵、电磁阀、电锅炉（炉体）、换热器等均在水系统设备间。太阳能智能控制器、强电柜、配电箱及电锅炉强电柜均置于电控系统设备间。设备间各型设备如下图所示：

储热水箱 电加热锅炉

热水稳压罐 板式换热器

5.3、储热水箱的施工

5.3.1、储热水箱用于储存生活热水，同时也是太阳能系统的热媒水。生活热水由太阳能水箱直接提供。

5.3.2、水箱材质严格按照食品级内胆进行选材，采用304不锈钢整体结构水箱，保温性能好、足够的容积、能安装水位和温度传感器、能安装辅助电加热装置、具有排污口和人孔。

一体式水箱

5.4、管路系统的施工

5.4.1、管路系统施工包括冷水管路、太阳能循环管路与供水管路（回水管路）及相应的保温与防冻。

5.4.2、安装建筑预留好的自来水接头与太阳能系统连接的冷水管路；安装太阳能循环管路即太阳能集热器与太阳能储水箱之间的内循环管路和从集热器到储热水箱之间的管道。安装太阳能水箱连接到建筑主供水管道与回水管道。

5.4.3、安装电伴热带。

5.5、辅助能源的施工

5.5.1、辅助热源系统是指太阳能和其他水加热设备联合使用提供热水，在没有太阳能或者太阳辐照强度不足时，仅依靠系统配备的其他能源的水加热设备也能提供建筑物所需热水的系统。在需要保证生活热水供应质量的场合，辅助热源是必不可少的。

5.5.2、太阳能系统可与电辅助、燃气锅炉或者燃油锅炉进行结合；也可与市政热水、采暖热水、蒸汽等能源通过换热器换热。本工程为保证清洁、方便与减少初期投资的方面考虑，太阳能系统辅助能源采用电辅助加热。

5.6、控制系统的施工

5.6.1、采用北京清华阳光公司开发的具有自主知识产权的一体式TH-SLL系列智能控制器，采用进口压力传感器作为核心传感元件。控制系统采用PVC控制器与无线远传，物业在办公室进行操作，数据自动输入电脑。

5.6.2、控制器主要功能

◆手动上水功能：储热水箱水位低于设定上限值时，按手动上水键上水到设定值后停止，在上水过程中再按一次该键停止上水。（该功能只在调试阶段有用）。

◆定时上水功能：储热水箱水位低于设定下限值时，到达设定时间，控制器打开电磁阀上水 ，达到设定上限值后停止。

◆循环上水功能：只要储热水箱水位低于下限水位，控制器打开电磁阀上水，达到设定上限水位后自动停止。

◆手动加热功能：储热水箱水温低于设定温度时，按手动加热键启动电加热，加热到设定温度后停止，在加热过程中再按一次手动加热键停止加热，（该功能只在调试阶段有用，当水箱水温高于设定温度时，该功能无效。）

◆定时加热功能：当时间达到设定的定时加热时间，（且水箱温度低于设定温度时）自动启动辅助电加热，加热到设定温度后自动停止。

◆循环加热功能：只要水箱水温低于设定值5℃时，电加热自动启动，当水箱温度高于设定温度1℃后自动停止，如此往复循环，保证水箱水温恒定在设定温度。

◆温差循环功能：储热水箱水位低于设定上限水位且水箱温度低于设定值，或水箱水位已满（6格）时，执行该功能。

◆定温出水功能：储热水箱水位不满，水箱水温高于或等于设定温度时执行该功能。

◆防冻循环功能：在北方寒冷地區的冬季，当集热器底部温度小于5℃时，如果储热水箱内有热水时，控制系统启动循环泵，把水箱中热水循环到管路中，当集热器底部温度高于10℃时关闭循环泵，停止循环；若储热水箱无水，控制器打开电磁阀E1顶水，同时启动循环泵循环水箱中的水，当集热热器底部温度高于10℃同时关闭电磁阀和循环泵。

◆泵循环功能：按“泵循环”键，启动循环泵，循环管路中的水，防冻和升高水箱中的水温。（该功能只在调试系统时单独使用）

◆管路循环功能：当供水管路中的水温低于使用温度（用水最远点温度）时，控制系统启动循环泵P2,将供水管路中的低温水循环到水箱中，保证供水干管中始终有热水，从而用户一开笼头就有热水，同时防止供水水管在冬季冻裂。

◆伴热带功能：冬天气温较低时，通过启动伴热带防止上下水水管冻裂。当上水管路中水温低于设定温度时，启动伴热带，加热上水管路，直到管路中的水温高于设定值5℃时停止，如此循环往复。或者手动按伴热带键启动伴热带功能，到管路中的水温高于设定值5℃时停止。

◆停电保持功能：停电时，保存设定12小时，来电照常运行。

◆故障报警功能：将可能发生的故障显示出来，以便维修。

◆宽电压工作功能：可承受较宽电压波动，耐高压、低压幅度大。

◆安全防护功能：系统设有短路、过流、漏电和过热断电四种防护。

一体式工程控制器线路图

PLC液晶触摸屏控制器

6、结束语

林萃公寓从规划、设计到施工及交付使用等流程严格按照太阳能与建筑一体化的要求进行，实现了与建筑同步规划、同步设计、同步施工与同步验收。

太阳能与建筑一体化使民用建筑太阳能热水系统安全可靠、性能稳定、与建筑和周围环境协调统一，规范太阳能热水系统的设计、安装和工程验收，保证了工程质量，同时太阳能集热器与屋面结合紧密牢固，在外观上有整体美感，太阳能集热器与屋面基本为一个整体，且颜色保持一致，实现两者的协调与统一。

太阳能与建筑一体化技术节能、低碳环保，寿命期内节约费用（相对于电锅炉）819.5万元，投资回收年限预评估（相对于电锅炉）为1.34年，寿命期内减排CO2为3315.5吨。

注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。