太阳能热水系统在民用建筑中的应用

张元芳 张杰 龚欣欣

摘 要：文章主要分析了应用于民用建筑中的几种太阳能热水系统：满足少量热水负荷的家庭型热水系统；满足大量热水负荷的宾馆型热水系统；同时满足热水负荷和采暖负荷的热水系统。简单分析了太阳能集热器面积确定和辅助热源的选择。

关键词：太阳能热水系统；集热面积；辅助热源

引言

近些年，由于常规能源的减少和环境日益恶化，开发可再生清洁能源已经成了世界各国的焦点。为了鼓励可再生能源的利用，各国政府出台了不同的补贴政策。在这样的时代背景推动下，我国各地应用太阳能热水系统工程急剧增加。

1 太阳能热水系统集热面积

太阳能热水系统包括太阳能集热系统和热水供应系统[2]。在此我们只对太阳能直接加热集热系统进行分析。

贮热水箱容积大小是太阳能集热系统的热性能指标，当小于600L时，此太阳能系统为家用太阳能热水器，当大于等于600L时，常常被用于公共建筑热水供应系统中。所以只研究后者。

集热器总面积计算公式[1]：

其中：AC：集热器总面积，m2；QW：日平均用热水量，L，一般取最高日用水定额的50%～60%；c：为水的定压比热容，4.187kJ/（kg℃）；ρ：水的密度，kg/L；te：贮水箱内水的终止设计温度，℃；ti：水的初始温度℃；JT：当地集热器总面积上年平均日太阳辐照量，KJ/m2；f：太阳能保证率，一般在0.30～0.80内。η：集热器的年平均集热效率，经验取0.25～0.50。ηL：管道及贮水箱热损失率，经验取值0.20～0.30。

由公式可知集热器总面积受各因素影响，但是通过多次的实际工程计算得出经验结论：家用热水器集热面积一般为每人1m2设定。而商业洗浴或学校就按每人1.3～1.8m2来设定。此经验可以帮助设计者在系统设计初期对集热器的面积进行预估，对方案的选择有参考意义。

2 辅助热源

2.1 太阳能属于不稳定能源，受环境气候影响大，所以太阳能热水系统必然存在能稳定作业的辅助热源，目前用于辅助能源就是常规能源：燃煤（气、油）锅炉、电、热泵。对于辅助能源的选择主要原则与单独使用常规能源一样：从可行性、经济性、环保性考虑。

2.2 太阳能热水系统中由太阳能部分提供的能量占系统总负荷的百分比就是此系统的太阳能保证率[1]。由定义可以看出太阳能并不能独自提供建筑所需的热水负荷。按理论来说，辅助热源所提供的热水负荷等于日用水量的（1-f）倍。但一方面可能由于天气气候原因致使太阳能集热系统不能产生理论热水，此时辅助热源提供热水负荷随着太阳能提供负荷变化。另一方面，就像上面计算的集热面积超出了建筑可以布置面积，此时应该使太阳能最大限度地提供负荷，剩余部分由辅助热源满足。

3 不同类型的太阳能热水系统

3.1 提供家庭生活热水的太阳能系统

家用太阳能热水系统由太阳能集热器（光感应器）、保温水箱（内设电加热器、水位和水温感应器）和智能控制器以及管道系统组成。

工作原理：当太阳辐射量充足的情况下，光感应器感应光强度符合设定要求（在一定时间内集热器可以将水温提升到设定值），并且贮热水箱内温度感应器感应水温达到要求值50℃时，智能控制系统开启自来水管路上的电磁阀，依靠自来水的压力将贮热水箱的热水压入保温水箱内储存待用。当水温达不到要求50℃时，集热器继续加热，当光感应器感应光强度不符合设定要求，则智能系统控制器控制自来水直接向保温水箱注水，由水箱中的电加热器加热到50℃，供用户使用。值得注意的是，随着季节的变化，对于光感应器和温度感应器的适应条件都应该降低，这样可以提高集热器的效率，也可以充分利用太阳能。

3.2 提供集中生活热水供应的太阳能系统

集中供应热水在时间上又可以分为：分时间段的热水供应（学校水房供水）、一段时间内连续热水供应（学校洗浴中心，如14：00-20：00开门）、全天热水供应（高档宾馆）。先只对全天热水供应系统进行分析，以此可以类推其他系统。

工作原理：太阳辐射强度满足要求时（晴天白天）。早上有太阳前集热系统的贮热水箱是装满冷水的，当有太阳光的时候，贮热水箱内的冷水经集热器开始循环加热，当温度感应器感应温度达到50℃时停止循环加热，直接将贮热水箱的水存储到恒温水箱内供用户使用。以此循环，当恒温水箱达到限制水位时停止向其内放水。同时，贮热水箱也在相应的注入冷水直到限制水位。

太阳辐射强度不满足要求时（阴天）。此时集热器上的光感应器感应光强度满足不了设定值（即光的强度不能在规定的时间内将水加热到50℃），此时自动控制系统将贮热水箱的水放入保温水箱进行加热。当加热到50℃时进入保温水箱待用户使用。

太阳光强度特别弱，如晚上或者连续阴雨天气。此时自来水直接被送入保温水箱直接加热到50℃待用户使用。

3.3 复合式太阳能热水系统

复合式太阳能热水系统就是太阳能和辅助热源一起承担冬季采暖和全年生活热水负荷。在太阳能水箱中上层的水温高，下层水温较低。一般高度每下降100mm，水温下降5℃左右。一个普通太阳能热水器水箱上部和下部温差相差15℃左右。下面根据以上所述水的热分层原理[3]分析一下在工程中常常见到的采暖和生活热水一起供应的符合太阳能系统的工作原理。

工作原理：一般采暖供回水温度95/70℃，而生活用热水一般在50℃左右。由此可见采暖和生活用水对温度的需求存在层次差别。又据上文可知水箱的水存在温度分层现象，此系统就是利用两者之间温度关系将水箱上部温度高的水承担需要温度较高的采暖而温度较低的水满足要求水温较低的生活用水。这样的设计也充分体现了能量梯级利用原理。

本系统有四个回路分别为：太阳能和采暖储水箱形成用板式换热器来进行热量传递的回路；生活热水与采暖储水箱也形成了有中间换热设备的换热回路；采暖负荷直接由采暖储水箱中热水进行循环提供；辅助热源在采暖水箱的水不满足要求时直接对其进行加热。

集热器吸收热量使得其内的工作介质温度升高，开启了集热器侧的循环泵。当太阳能集热器连接的换热器出口温度高于采暖水箱温度时，开启换热器回路循环泵，使集热器中介质加热采暖储水箱的水。当换热温度较高时，热水通过三通阀4流向b上水管（储水箱上部）供采暖取热。当换热温度较低时，热水通过三通阀4流向a管供生活热水取热。如果温度感应装置感应采暖水箱上部的水温不能满足要求，辅助热源回路开启对采暖水箱水进行加热。值得注意的是，系统生活需热水的热是取自采暖回水，两者需要热水温度存在温差因此此中设计更加合理。

4 结束语

在太阳能设计阶段，太阳能集热面积的计算一定要结合实际建筑情况，避免系统布置困难问题；系统的设计辅助热源的选择也应该考虑经济性环保性，也理论分析了辅助热源在系统中提供的负荷大小；系统的介绍了太阳能与建筑结合的典型系统，有利于以后系统设计参考。

參考文献

[1]郑瑞澄.民用建筑太阳能热水系统工程技术手册[M].北京：化学工业出版社，2006.

[2]陈仕泉，黄夏东，谢竹雯，等.太阳能空气源热泵集成热水系统[J].暖通空调，2011，41（8）.

[3]高援朝，沙永玲，王建新.太阳能热利用技术与施工[M].北京：人民邮电出版社，2012.

作者简介：张元芳（1988，8-），女，在读硕士研究生，主要研究方向：可再生能源利用与集中供热新技术。