公共建筑太阳能热水系统及其应用研究

张昌瑞

安徽省建筑设计研究总院股份有限公司 安徽 合肥 230000

引言

公共建筑主要包括商场写字楼、政府部门、酒店等商业建筑、办公建筑和旅游建筑，为了进一步落实创新、绿色、协调、开放、共享的发展理念，需要在建筑工程中设计和应用太阳能热水系统，由此打造能源节约和生态保护的产业结构。根据当前的行业设计标准与技术要求，所在地年日照时数超过1400h、年极端最低气温高于零下45℃，适宜将太阳能作为集中生活热水供应系统能源。太阳能是一种不会对环境造成污染的清洁能源，然而在实际应用中会受到天气因素影响，导致太阳能热水器向建筑内部提供生活热水稳定性不足，所以需要继续对公共建筑太阳能热水系统的应用加以分析。

1 公共建筑中太阳能热水系统

当前我国满足太阳能集热器应用的省市都颁布了相关政策，倡导把太阳能转换成热能和加热水的系统（如图1），这一系统中包括了太阳能集热器、控制系统、热水供应系统、注热水箱、连接管道、辅助能源、配电设施、防雷设施。通常情况下，公共建筑中的太阳能热水系统为集中供热水、太阳能热水系统、集热器的布置、储热供水箱以及辅助加热装置的合理选择。具体如下：

图1 太阳能热水系统图示

1.1 太阳能集热器的类型

1.1.1 真空管型太阳能集热器。真空集热器主要包括以下2种类型，对于全玻璃真空管型集热器来讲，其工作原理是水流过玻璃管的过程中被加热，具有结构简单、抗压、耐热能力强、价格合理的特点。金属玻璃真空管主要是把热管插入管内，水流过时金属管被加热，尽管耐热、耐压、抗冻能力好，但是造价较高[1]。

1.1.2 平板型太阳能集热器。这种太阳能集热器的主要特征在于接收太阳辐射然后向传热工质传输热量，具有结构简单、抗压、耐热能力好的特点，不过抗冻能力偏弱。

1.2 太阳能集热器的选用

集热器类型的选择主要考虑经济条件、水质条件、最低环境温度、维护管理等相关因素，要点如下：其一，运行过程中最低环境温度至少达到0℃，否则不能采用平板型太阳能集热器；其二，对于太阳能热水系统来讲，将承压系统作为热媒系统，不得利用全玻璃真空管型太阳能集热器；其三，在建筑外观和太阳能集热器结合程度较好情况下可以应用。此外，要求太阳能集热器使用寿命达到15年。

1.3 太阳能集热器布置

其一，太阳能集热器和建筑专业进行一体化设计要求达到美观、实用、安全、经济、卫生等要求，并且便于后续的安装与维护；其二，在建筑屋顶进行太阳能集热器的设置过程中不得对相邻建筑的光照产生影响；其三，避免周边相关设施对太阳能集热器遮挡[2]。

1.4 集热系统的防冻防过热安全措施

某市写字楼屋顶安装了太阳能集热器，具体应用要点如下：其一，在设置间接换热太阳能热水系统时将乙二醇和丙三醇加入到循环工质当中，由此起到防冻效果，之后结合气候条件以及系统防腐蚀性能进行工质的配比；其二，太阳能热水系统当中的管件、阀门、管材、密封件以及集热水箱箱体的全部材质要求耐温效果好，可承受150℃的高温，还要达到卫生要求；其三，在集中供热热水太阳能系统当中设置散热风机，可以把太阳能集热器运行期间的多余热量通过散热风机排除，防过热系统通过启动散热器当中的冷媒循环散热达到冷却系统热水的效果，能够降低水温，并且对太阳能热水系统加以保护。在太阳能集热器出口温度大于90℃的情况下可以自动切换为防过热模式，散热器启动之后可以降低温度使出口温度低于80℃；其四，太阳能集热器上方设置了自动移动式隔热罩，结合系统要求加以安装，可避免系统处于过热状态，不过当前市场中还未推出太阳能集热器隔热罩的相关配套产品。

1.5 合理配置储热供热水箱

其一，在集中供热太阳能热水系统当中，对冷水供水水质的硬度以及冰冻因素都有较高要求，还要分析用户对热水压力稳定性的要求，所以采用了间接加热太阳能热水系统；其二，在太阳能热水系统全天满足生活热水供应时，储热水箱以及供热水箱要分开设置，并且实现水箱的连接。太阳能集热器当中的热媒通过换热器或者换热盘管媒行换热，由此达到预热水箱当中的存水效果，注热水箱当中的预热水源进入使得供热水箱在预热水源水温达到一定温度时满足人们使用，在预热水源温度未达到水温时启动热水箱配套辅助加热装置；其三，在当前的太阳能集中热水系统应用过程中，部分安装人员将贮热水箱以及供热水箱共同安装，尽管简化了系统，但还会影响太阳能集热器效能的发挥。比如日出之前为了确保生活用水温度，辅助加热装置将助热供热水箱的存水加热到需要的水温，而太阳升起之后热煤无法达到贮水效果[3]。

1.6 正确选用辅助加热装置

其一，太阳能热水供应系统对辅助热源的选择要坚持因地制宜的原则，主要包括燃气、热泵、燃油、公共建筑当中不得将直接电加热当作集中热水供应系统的辅助热源；其二，辅助加热系统所用的热源需要结合当地常规能源的种类，并且考虑成本以及环境影响因素，通过综合比对加以选择；其三，辅助加热系统选用空气源热泵热水供应系统前提是在夏季炎热、冬季温暖的区域，而夏季炎热、冬季寒冷地区主要采用燃气热水炉热水供应系统，相较于普通电制备生活热水热效值更高。

2 公共建筑中太阳能热水系统具体应用

2.1 双贮水装置的直接加热系统

2.1.1 系统概述。直接加热系统借助水泵让水在太阳能集热器当中直接循环加热，可将全玻璃真空管集热器以及平板集热器作为直接加热系统集热器。通过对比分析可以发现，平板集热器热损失率较高，并且内部金属通道容易由于污垢而堵塞。相比之下，真空管集热器保温性能好，并且对水质要求不高，所以应用更多。整体来看，直接加热系统具有结构简单、热水加热效率高、维护方便、造价低廉等优势。随着当前建筑对太阳能应用的增多以及人们对太阳能热水系统用水舒适度要求的提升，也需要解决直接加热系统存在的问题，比如开式保温水箱储存热水利用变频水泵直接供水存在热水用水末端压力不稳的情况，并且开式保温水箱连接大气，一些粉尘与杂质可能进入保温水箱，由此影响水质[4]。

2.1.2 案例分析。安徽省某市购物中心集商业、休闲、娱乐为一体，建筑总面积30万㎡，包括四层综合宿舍楼，其中一层和二层作为员工餐厅，三层和四层作为员工宿舍。为了确保热水压力平衡，在建筑屋顶设置冷水箱，其中1～2层冷热水用水可以满足水箱重力供给，3～4层由于压力不足设置了变频恒压泵组，选用直接加热双水箱热水系统作为热水系统。集热器选用全玻璃真空管型集热器，每天可满足热水最大用量20m³，集热面积能够满足全天用水量，大楼最大小时热水量为10m³/h，其中热水箱1进行了注热量和耗热量分析，确定容积为10m³，热水箱2的容积选择当天最高热水用量扣除热水箱1容积之后的容量，控制系统原理如下：

其一，集热循环采取温差循环，也就是集热器出口温度热水箱的温度大于8℃情况下集热循环泵开始启动，在集热器出口温度热水箱温度低于3℃的情况下集热循环泵停止运行。在往复循环的过程中把热水箱中的低温水加热成为高温水，热水箱温度达到60℃，即热循环泵开始高温保护并不再运行；其二，其中一个热水箱的水位不足设定水位时要求打开进水电磁阀，冷水开始从太阳能水箱的底部补水，把太阳能水箱顶部的热水补充到恒温水箱内部，达到水位后停止补水[5]。系统也可以在两个水箱内部设计水泵，在水箱达到45℃时水泵将温度升高到热水箱2，由此对太阳能能源充分利用，不过依旧需要增加压力泵；其三，为了确保24小时供水，热水箱2利用热泵随时加热，确保热水使用需求，在太阳能补充的水温不足情况下开启热泵加热，达到使用条件后自动关闭热泵机组；其四，为了避免极端天气的影响，在室外温度不足4℃情况下，太阳能集热循环泵自动开启，可以让热媒在集热系统当中循环运行。

2.2 承压集热器及双贮水装置的间接加热系统

2.2.1 系统概述。对于间接加热系统来说，其作为太阳能集热器加热传热工质主要是利用热交换器加热满足使用，在资金允许条件下间接加热系统利用玻璃金属管集热器，也可以应用平板集热器储热水箱。储热水箱分包括开式和闭式，通常间接加热系统当中主要选用闭式承压水箱，要求承压水箱的供水冷热水压力相同，由此提升用水舒适性，通过闭式系统还能够达到节能效果。间接加热方式的效率低于直接加热系统，具有施工和维护费用高的问题，并且在太阳能资源丰富的地区间接加热系统能够使用至少10年，而直接加热系统最多能够正常运行5年[6]。

2.2.2 案例分析。安徽省某事市酒店共3层，该酒店对水质、水压要求较高，其中冷水设置了变频给水系统，热水选择太阳能集中热水系统，将热水锅炉作为辅助热源，整个系统通过间接加热，双水箱热水系统能够让太阳能发挥预热效果。利用平板集热器之后当天最高热水用量可达到24m³，集热面积受到屋顶绿化影响只能满足每天10m³的用水需要，所以容积式换热器1注热量按照存储全天太阳能热量计算，另一个容积式换热器注热量设定为5m³，系统控制原理如下：

其一，集热循环采取温差循环方法，也就是集热器出口温度超过8℃情况下集热循环泵开始运行，在集热器出口温度低于3℃的情况下集热循环泵1停止运行，容积式换热器温度满足60℃集热循环泵也会停止运行，容积式换热器2温度不足55℃的情况下提供锅炉高温热水，在温度超过60℃的情况下停止太阳能供给[7]。

3 结束语

综上所述，公共建筑应用集中供热水太阳能热水系统过程中需要重点关注选用布置防过热安全措施、加热装置的选用以及储热供热水水箱问题，在太阳能集中热水系统全天满足热水供应的情况下，需要分开设置供热水箱以及贮热水箱。此外，在资金有限、对用水舒适度要求偏低并且用水相对稳定的地区，一般选择太阳能直接加热系统，如果冷水需要采取变频泵组供水或者对用水舒适度偏高的地区一般选用太阳能间接加热系统，通过全方位考虑确保太阳能热水系统的长期、稳定运行。