联集管太阳能热水工程质量管控与冰雹灾害防护研究

李彦华 陈国昌 印涛 孙业科

【摘要】太阳能热水系统因其结构简单技术专一，很多细节问题易被忽视，严重影响着用户的使用效果和太阳能行业的健康发展，本文就工程质量管控与冰雹灾害防护进行研究探讨以期与同行共勉。

【关键词】太阳能；热水工程；质量管控；冰雹灾害防护

Union of tube solar hot water project quality control and the hail disaster protection research

Li Yan-hua，Chen Guo-chang，Yin Tao，Sun Ye-ke

（Unit 96531LuoyangHenan471031）

【Abstract】Solar hot water system because of its simple structure technology is single-minded， details easily neglected， seriously affecting the use effect of the user and the healthy development of the solar industry， in this paper， the engineering quality control and research of hail disaster protection in order to share with colleagues.

【Key words】Solar energy；Hot water engineering；Quality control；The hail disaster protection

随着社会经济的高速发展，人们的生活水平得到了快速提高，社会生产和居民生活对热水的需求量亦与日俱增，加之不可再生能源储量有限和对环境的严重污染，太阳能作为新兴清洁能源更加得到人类的重视和青睐。太阳能热水系统的分类方式很多，仅以其集热部分的材料与结构不同大致可分为户（单元）式系统、板联式系统和联集管式系统等三大类，目前工程中又以联集管式太阳能热水系统最为常见。

1. 基本结构组成

联集管式太阳能热水系统主要由玻璃管集热模块组合、储热水箱、循环泵组、集中控制系统、支架及阀门管道连接而成（见图1太阳能热水系统结构及运行）。

2. 工作原理

安装在支架上的真空管集热模块组合以太阳辐射为主要能源，在冷水正常供应的条件下，通过一定强度和一定时间的日照，集热模块组合可以产生一定温度的热水，当集热模块的最低点和最高点的水温达到设定温差时，循环泵组在控制系统的作用下开始运行，直至温差消失，同时集热模块组合进入下一个加热循环。由此整个系统便能在集热模块组合持续加热和循环泵组根据温差间歇运行的共同作用下，达到使储热水箱内水温逐步提升的目的和效果。根据理论计算和工程实测证明：在环境温度达到15℃以上，日均太阳辐照量达到20MJ/m2以上（北方阳光资源较好的地区，夏季晴好天气），入口冷水温度15℃时，每平米产生45℃～50℃热水约60～80Kg；当环境温度在0℃左右时，日均太阳辐照量18MJ/m2（北方阳光资源较好地区，冬季晴好天气），同样入口冷水15℃，每平米产生45℃左右热水约40～60Kg。

3. 工程案例

3.1案例情况简介。

某小区位于河南中西部北临黄河，规划16层住宅楼数栋，顶层檐口高度49.5M。设计热水系统为：冬季利用市政高温热水自备换热机组不间断供水，各单元底部设单元循环泵一组，供水方式为上供减压模式；其他季节为屋面联集管太阳能集中供水，管道与冬季系统连接（见图2单元系统示意图）。项目划分三个标段由三个品牌的供应商供货并负责安装调试。

3.2存在质量问题。

经调试和初期使用证明三个品牌系统在安装质量及运行可靠性等方面有着较为明显的差距，经过两个年度的运行和维护，发现不少问题需要研究探索。

（1）整体布局不合理，系统边缘距女儿墙距离和系统底缘距屋面高度都太小，严重影响工程收尾施工和后期维护（见图3距女儿墙距离太小、图4距屋面距离太小）。

（2）基础支敦未座在结构层上而直接座在屋面面层上，会导致保温层局部受压收缩和防水层受损。基础支敦未用砼浇注而用砖或其他材料砌筑强度和寿命不能满足要求（见图5支敦直接座在屋面面层上、图6砖砌支敦材料强度不满足要求）。

（3）储热水箱形状结构选择不合理，安装高度不当，导致顶层供水压力不足；水箱管路接口位置设置不当，影响有效储水量；水箱内、外未设置人梯影响检修维护安全。

（4）支架不牢防风能力差导致真空管损坏；管路保温层厚度不足，保护层质量低劣，法兰及活接未作标示；管路坡度不合理，不能满足放空及排污要求。

（5）系统控制系统制作安装粗糙质量低劣，电磁阀、电动阀、循环泵选型与系统要求不匹配，导致温度过高噪声过大；防雷接地可靠性不够，未与建筑避雷网可靠连接。

（6）系统设计未考虑反冲洗和除垢功能，管路冲洗困难、结垢严重。

4. 质量管控与运行维护措施

为避免和有效减少质量问题的出现，保证太阳能系统的运行效果和使用年限，需在工程各阶段严格质量管控。

4.1招投标阶段。

（1）对竞标单位资质、企业信誉度及施工能力水平等方面进行严格审查，避免不良企业参与竞标。

（2）标段划分不宜太多，否则会给施工监管带来麻烦，同时增加运行维护的难度。

（3）招标文件的技术要求须详细具体全面，如水箱的结构、尺寸、材质规格，管道的材质，阀门、开关、仪表等部件的品牌等级，支架用料的材质型号及连接方式等均须明确。

4.2深化设计阶段。

4.2.1严格研究审查中标单位提供的深化设计方案及施工组织设计，通过仔细审阅平面图、立面图、系统图、效果图，确定设备管线的位置标高和相互关系，考察系统与建筑主体外观的协调性等。

4.2.2严格循环泵、储热水箱及重要阀部件等主要设备材料的选型定型：

（1）循环泵的品牌型号选择非常关键，功率过小不能满足使用需求；功率过大不仅造成投资成本运行费用增加，而且调试困难严重影响设备使用寿命。

（2）储热水箱应在现场条件允许时优先选择圆柱形。圆柱形水箱具有结构简单、用料经济、焊缝少、宜保温、好清理、使用寿命长等优点。根据底面积大小应在底部适当位置设集垢坑便于排垢维护。水箱顶部宜做成锥形，以防积水浸入保温层影响保温效果。水箱内、外部亦须设置人梯以便于维护时使用。

（3）电控元件及缆线不得选择低劣品牌产品，缆线保护及安装必须符合相关技术规范要求，所有电控阀门应优先选择电动阀而不宜选择电磁阀。

4.3施工阶段。

（1）现场质量监控人员必须学习和了解相关知识及标准规范，掌握施工程序和关键技术，认真组织工厂预制件的出厂验收和设备材料进场验收并注意现场成品保护。

（2）太阳能系统安装人员要积极做好与建筑施工的穿插配合，认真组织系统基础的定位与施工，应在屋面保温及防水施工前完成基础施工。放线定位时要结合现场情况全面考虑、合理布局，为下步施工作业及系统维护预留足够操作空间。

（3）支架安装前应检验基础的平整度，支架连接固定宜选择螺栓连接，若选择焊接时须做好焊缝防腐处理，所有交接点必须牢固可靠。

（4）管道及其阀门部件的安装必须符合相关技术规范和使用需求，其重量不应由联集箱承负。各管道安装时应保持一定坡度，确保系统检修和维护时管内积水可彻底排空。

（5）集热模块上连管上方应加装避雷网并与建筑避雷网可靠连接。真空管极易破碎，应在系统管道全部安装完毕后安装，然后再进行系统试水，真空管安装时应保证管尾端高于其插口端3MM，形成坡度以便于排垢。

（6）循环泵的安装位置应选在便于操作维护且不影响通行的地方，同时还应加装防雨棚并采取相应的减振措施（见图7循环泵防雨棚及减震）。水箱的安装高度也有一定要求，其顶部应低于集热模块的上连接管，底部应高于集热模块的下连接管（见图1）。

（7）在每组（串）联集箱的底部须顺联集箱安装外通阀，以备系统放空排污和反冲洗使用。反冲洗管可由水箱进（补）水管引出与集热模块上连管相连并用阀门断开，通过调节冲洗管及水箱补水管上两处阀门的启闭，来实现系统反冲洗与水箱补水两项功能的转换（见图1）。

4.4运行维护。

（1）运管人员应经过专业培训，熟悉系统结构原理，掌握各管路、阀门部件的位置、走向、功能及操控要领。

（2）管道保温层表面应设置水流方向标识，在阀门、法兰和活接等部位应单独保温并设明显标示以便检修。

（3）根据当地水质和使用频率等实际情况，定期检查维护，确保系统运行正常。整个系统每年应至少进行一次反冲洗排垢维护，有条件时还可在系统中安装永磁除垢器以缓解结垢现象。

5. 冰雹灾害防护

5.1冰雹灾害案例。

集热管的机械强度与集热管的原料、生产工艺、厚度、外径等内在因素有关，有的品牌承诺可抗击2.5CM的冰雹打击。2015年5月6日当地遭遇大风冰雹强对流天气，冰雹直径达3.5CM，有轿车天窗受损报道，该工程太阳能集热管受损260只，占总数的2.5%造成严重经济损失并影响工程使用。

5.2受损情况分析。

太阳能集热管竖置状态（家用式）比横置状态（联集管）的抗垂直打击能力强50%，但因其积污严重排污困难不适合家用以外的工程体系。通过理论分析，47是58集热管抗垂直打击能力的1.5倍，另外，集热管抗垂直打击能力与集热模块的设计安装角度有关（如图8集热管安装角度与受受冰雹打击面关系及护措施图）。

5.3预防措施。

（1）招标采购时优先选择直径47集热管。

（2）深化设计时选择大角度安装（如图8）。

（3）设计并安装30×30×3MM波型镀锌钢板网。