太阳能与集中供热热网联供系统的探讨研究

摘 要：基于建筑结构及热用户需求不同，所采用的太阳能供暖系统类型不同，研究分析了三种典型的太阳能与集中供热热网联供系统，即单水箱分散集热-分散供热系统、双水箱集中集热-集中供热系统、多水箱集中集热-分散供热系统；通过对三种联供系统的原理、特点、适用范围进行分析研究，提出了系统性能优化的措施，为联供系统的后期深入研究提供参考。

关键词：太阳能；集中供热热网；联供系统；性能优化；水箱

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.24.067

0 引言

随着社会经济的增长，建筑能耗占社会总能耗比例不断增大，解决能源问题及环境问题已成为我国发展的新方向。在新技术及新设备的发展与应用日新月异的情形下，必须重视建筑领域节能技术，尽可能充分利用清洁环保可再生能源，让节能技术步入低碳时代的绿色建筑中，以实现能源、环境及整个人类社会的可持续发展。太阳能作为绿色可再生能源，在太阳能资源较丰富的地区得到了一定的应用，其中地源热泵、水源热泵、空气源热泵辅助太阳能供热系统都是高效节能的新型供热系统，在我国得到大力推广。而太阳能与集中供热热网联供系统作为一种新型供暖系统，有必要深入探讨研究联供系统的性能、原理及特点，这对我国发展太阳能事业有重要的意义。

1 单水箱分散集热-分散供热系统

单水箱分散集热-分散供热系统的原理图如图1、图2所示，图1采用强制循环运行方式，图2采用自然循环运行方式。单水箱分散集热-分散供热系统热源包括两部分，即太阳能集热器和集中供热热网。太阳能集热器可分散设置在各热用户南阳台栏板处或卧室窗间向阳墙体处，储供热水箱则分散设置在各热用户南阳台上，水箱容积根据太阳能集热器面积和用户热需求确定。在系统运行过程中，储供热水箱中的水经过太阳能集热器循环加热，同时水箱的部分水与热网发生热交换。考虑到系统的节能效果，在热网安装控制部件以减少对热网的依赖，当太阳能集热器吸收太阳辐射所加热的热水能够满足热用户要求时，直接利用太阳能集热器给用户供热；当热水不满足用户要求时，利用太阳能与集中供热热网给用户联合供热，并通过控制元件调节热网供回水流量，使水箱热水温度达到用户要求。

这种系统由于只有一个具有蓄热功能储供热水箱，太阳能集热器和水箱均分散设置在热用户家中，因此该系统管路简单，管理维护简单，容易与建筑结构相结合，各热用户系统在运行过程中相互独立，便于调节控制，不易相互影响，造价低；但该系统容易受集热面积限制，出现热水供不应求等问题，导致整个联供系统中太阳能集热器效率的降低，对热网的依赖程度增大，节能效果不显著。尤其在高层建筑中，低层用户存在遮光等问题，在一定程度上阻碍了该系统的推广。

2 双水箱集中集热-集中供热系统

双水箱集中集热-集中供热系统的原理图如图3所示，该系统中包括蓄热水箱和供热水箱，其中大水箱功能为蓄热水箱，小水箱为供热水箱。太阳能集热器、蓄热水箱和供热水箱均集中安置在建筑平屋面上，两水箱容积根据太阳能集热器面积和用户热需求确定。在系统运行过程中，供热水箱中的水经过太阳能集热器循环加热，蓄热水箱则储存太阳能集热器多余热量和集中供热热网的热量。为了减少对热网的依赖，提高系统的节能效果，在管路安装监测控制系统，当太阳能集热器吸收太阳辐射所加热的热水能够满足热用户要求時，只利用太阳能集热器给用户供热，并将多余的热量储存到蓄热水箱中；当热水不满足用户要求时，供热水箱中的热量一部分由太阳能提供，另一部分由蓄热水箱提供，利用监测控制系统调节集中供热热网流量和太能能集热器流量，使供热水箱热水温度达到用户要求。

该系统将蓄热水箱与供热水箱分开，一方面可使蓄、供热水箱相互独立，水温互不影响，另一方面可以储存多余热量，增强系统能量分配的灵活性。因此整个系统对集中供热热网的依赖程度比单水箱小。在该系统中采用集中集热-集中供热方式，管理维护方便，并且该系统不易受楼层高低的限制，可以实现太阳能热能资源共享。然而该系统蓄、供热水箱体积大，建筑结构承载要求高；随着建筑楼层和热用户的增加，热用户对热水的总需求量增大，则太阳能集热器面积也相应增大，可能出现集热器面积远大于建筑设计安装位置面积。

3 多水箱集中集热-分散供热系统

多水箱集中集热-分散供热系统的原理图如图4所示，该系统与双水箱集中集热-集中供热系统相似，包括蓄热水箱和多个供热水箱，其中大水箱为蓄热水箱，小水箱为供热水箱。太阳能集热器、蓄热水箱均集中安置在建筑平屋面上，而供热水箱安置在各热用户阳台（大户型）或厨房（小户型），大户型采用立式落地安装，小户型采用卧式挂墙半嵌入吊顶内安装，且两水箱容积根据太阳能集热器面积和用户热需求确定。在系统运行过程中，蓄热水箱可以储存太阳能集热器多余热量和集中供热热网的热量。当太阳能集热器吸收太阳辐射所加热的热水能够满足热用户要求时，停止热网供给系统热量，直接利用太阳能集热器给用户供热，同时将多余的热量储存到蓄热水箱中；当热水不满足用户要求时，太阳能集热器与集中供热热网联合给热水加热，利用监测控制系统调节两部分流量混合比例，提高系统的节能效果，使供热水箱热水温度达到用户要求。

该系统采用分开式的供热水箱，对热用户而言使用方便，安全可靠，不易受楼层高低的限制，并可以实现太阳能热能资源共享，同时供热水箱相互独立，互不影响；但该系统在安装过程中需根据建筑结构进行布置，实现与建筑相协调，尤其是各热用户的供热水箱应合理的安装在用户能够接受的位置；且该系统管路复杂，水箱成本高，导致整个系统成本较高。

4 联供系统的适用范围和优化措施

考虑到成本和后期的维护管理，系统管路应尽可能简单化，使系统运行更加安全可靠，维护管理更加方便简单。在实际工程中，单水箱分散集热-分散供热系统与其他联供系统相比，该系统适用于采光充足的低层建筑、高层建筑的高层及别墅等建筑中，而对于高层建筑的低层以及采光面积受限制的建筑不宜大规模推用。对于热用户较少的高层建筑，采用双水箱集中集热-集中供热系统或多水箱集中集热-分散供热系统更合理，但供热水箱的长期使用存在水垢问题，且增加水箱数量将增大系统的成本，因此后两种系统也将受到一定的限制。对于三种系统的特点，提出以下几点优化措施：

（1）根据建筑结构选择合理的联供系统。在实际工程中，在经济节能基础上解决高层建筑的供热问题是关键，在设计时可以考虑高层建筑的低层采用集中式系统，高层采用分散式系统，充分利用太阳辐射区域，联供系统的合理搭配是未来的研究方向之一。

（2）优化系统的监测控制系统。在整个联供系统中，时刻准确地监测并控制管路的温度、流量、热量等参数对系统节能效果、性能评估有直接影响，包括太阳能集热器供回水管路、集中供热热网供回水管路、水箱、进出热用户管路等，使系统及时反馈室内外环境变化信息，以控制阀门来调整各管路流量，达到能量的合理配比。

（3）提高太阳能集热器效益。在太阳能集热器面积设计过程中，由于集热器面积设计过大导致无法安装，若减小集热器面积，将影响整个系统的节能效果。因此，在设计过程中，可以采用合理的集热材料，选择集热效率高的太能能集热器，以最小的集热面积获取最大的集熱效益。

（4）改善水箱储水保温性能。由于供热水箱存在缺陷，工程中通常减小供热水箱体积，增大蓄热水箱的体积，容积的增大使得水箱外表面积增大，从而增大了水箱的热损失。因此，采用合理的保温材料，设计合理水箱结构，有利于提高水箱保温性能。

（5）优化管路结构。在系统中，管路的阻力和热损失是系统能耗的主要来源之一。因此，简化管路结构，缩短管路，减小管路热损失和水利失衡，这对系统性能的提高有重要的意义。

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作者简介：杨志伟（1990-），男，江西安福人，硕士研究生，暖通助理工程师，从事地铁环控系统设计、隧道防灾通风设计及流体力学模拟仿真等。