本文選自省級期刊《能源與節能》，《能源與節能》創刊于1996年，本刊堅持科學發展觀，關注我國能源經濟現象，報道能源與節能領域最新科研成果，探求我國該領域的方針、政策和發展戰略， 積極普及節能知識。同時為從事教學、管理、科研、以及廣大一線工作的技術人員就能源、環保及節能等相關問題提供了一個政策研討、理論交流及節能和環保等新 技術推廣的平臺。

　　摘要：隨著我國經濟的快速發展和對環境保護的重視，太陽能作為一種環保新能源，一種簡單、經濟、環保、可靠的改善建筑環境的方法，很適合我國經濟現狀的采暖及供熱方式，在建筑施工中得到了大力的推廣和廣泛的使用。

　　關鍵詞：新能源,太陽能采暖,太陽能建筑

　　1項目概況

　　本項目位于石家莊開發區，其中的3號綜合樓總建筑面積3256m2,采用集中式太陽能熱水系統，要求24小時提供熱水，通過供水干管循環方式保證用戶用水即可即熱。該項目集中熱水供水系統采用太陽能熱水機械循環直接供水系統，供水溫度為55℃，回水溫度為50℃。由于綜合樓內設有數據機房，夏季機房空調制冷量較大，設燃氣制冷機組及燃氣鍋爐房，故此集中熱水供水夏季以太陽能集熱為主，以燃氣熱水鍋爐作為輔助熱源（該項目不具備市政供熱條件）生活水補水溫度按15℃計；冬季則以燃氣熱水鍋爐作為主要熱源，生活水補水水溫度以５℃計。

　　因本市具有較豐富的太陽能資源，太陽直接輻射的利用時數較多，每天平均能達到6小時左右，在冬季及夏季長陰雨天，太陽能集熱器收集到的熱能不足，故需要設置輔助加熱系統補熱。

　　２工程設計

　　2.１設計依據。《民用建筑太陽能熱水系統應用技術規范》GB50364-2005。《太陽能熱水系統施工技術規程》BD11/T461-2007。《建筑給水排水設計規范》BG50015-2003(2009版)。《全國民用建筑工程設計技術措施•給水排水》2009版

　　2.2太陽能熱水機械循環直接供水系統及輔助加熱系統。

　　太陽能熱水機械循環直接供水系統及輔助加熱系統包括“Ｕ”型真空管集熱器組、太陽能熱水貯水箱、集熱器至貯熱水箱間集熱循環泵、兩貯熱水箱間熱水循環泵、熱水供水系統循環泵、輔助熱源及導流型容積式換熱器、膨脹罐、溫度、壓力及水位等信號取源部件、電動執行閥、電控柜或PLC、DDC等。

　　2.3集中熱水供水系統設計。

　　集中熱水供水采用機械循環系統。熱水供水管與回水管同程布置，并采用支管循環。淋浴熱水供水管在淋淋浴間內環形布置。供水溫度為55℃，回水溫度為50℃。熱水經導流型容積式換熱器由熱水管道系統輸送至地下一層餐廳／廚房、衛生間、淋浴室、后勤服務區、員工宿舍等用水點。

　　2.4太陽能集中熱水系統運行控制。太陽能集中熱水系統中有兩個熱水貯水箱（Ａ和Ｂ），Ａ水箱通過集熱循環泵P1-a、P1-b（一用一備）與集熱器組相連；A、B水箱間通過換熱循環泵及高位連通管相連；Ｂ水箱通過熱水供水管道與換熱器相連；熱水供水系統循環泵為P2-ab（一用一備）；太陽能集熱器取源溫度為T1，貯熱水箱Ａ取源溫度為T2，貯熱水箱Ｂ取源溫度為T3,A、B水箱由低到高依次設有1、2、3、4四個水位。

　　2.4.1自動補水：白天當Ｂ水箱水溫≤60℃且水位至３水位及以上時，自動補水閥停止補水；當Ｂ水箱水溫≥63℃時，自動補水閥開始補水（至４水位時停止），超４水位溢流并報警；當Ｂ水箱水位低于２水位時，自動補水閥開啟并補水至３水位時停止；當Ｂ水箱水位低于１水位時，自動補水閥強制開啟并報警；夜間定時（如凌晨２點，可調）補水至４水位。（注：自動補水設有旁通閥，在自動閥出現故障狀態下，可切換為手動操作）

　　2.4.2集熱板與Ａ水箱之間的溫差循環：T1—T2≥5℃（可調）時，P1-a或P1-b啟動；T1－T2≤2℃（可調）時，P1-a或P1-b停止。

　　2.4.3冬季運行模式的切換。①當連續５天Ａ水箱內最高溫度T2＜30℃（可調）時，進入冬季運行模式，Ｂ水箱的出水、回水、自動補水管切斷；②當T1≤5℃（可調）時，P1-a或P1-b開啟進行循環，當T1≥15℃（可調）時，Ｂ水箱出水、補水管啟用，回水管切斷，出水作為預熱水使用。

　　2.4.4夏季高溫斷續循環模式：當T1≥90℃（可調）且僅高于Ａ水箱水溫度2～10℃（可調）范圍內時，P1-a或P1-b每循環運行10分鐘，停止運行20分鐘，以防炸管。

　　2.4.5Ａ、Ｂ水箱間循環泵的溫差循環：當Ｂ水箱水溫≤60℃（可調）且T2－T3≥5℃（可調）時，換熱循環泵開啟；當Ｂ水箱水溫≥63℃時，換熱循環泵強制停止循環，T2－T3≤2℃（可調）時，換熱循環泵停止循環。

　　2.4.6導流型容積式換熱器輔助熱源的運行。①當Ｂ水箱出水溫度≤55℃（可調）時，熱媒供水電動閥開啟（并可調節開度），當Ｂ水箱出水溫度≥63℃（可調）時，熱媒供水管電動閥關閉。②Ｂ水箱內水溫≥55℃（可調）時，供至Ｂ水箱的回水管電動閥開啟，供至換熱器的回水管電動閥關閉。③Ｂ水箱內水溫＜55℃（可調）時，供至Ｂ水箱的回水管電動閥并閉，供至換熱器的回水管電動閥開啟。④供至換熱器的補水管控制：當處于冬季運行模式①或Ａ、Ｂ水箱故障檢修時開啟，其余條件下關閉。

　　2.4.7Ａ或Ｂ水箱故障檢修（備用模式）：當Ａ或Ｂ水箱處于故障檢修時，可通過其備用管道實現與集熱板的連接，水箱間的循環泵停止運行，運行中水箱的水溫在30～63℃（可調）范圍內時，可按正常狀態運行，當水箱的水溫＜30℃（可調）時，進入冬季運行模式；當水箱中水溫≥63℃（可調）且水位已至４水位時，其出水管、回水管切斷；當T1≥90℃（可調）且僅高于水箱水溫度2～10℃（可調）范圍內時，進入夏季運行模式。

　　2.5太陽能集熱器設計參數。

　　2.5.1用水溫度：由于太陽能集熱器效率隨產熱水溫度升高而降低，且熱水用途為主要為廚房洗滌和洗浴，確定太陽能熱水供水溫度為55℃。

　　2.5.2用水水質：對于普通太陽能熱水系統，熱水水質是考慮熱水是否結垢和對管道、設備是否腐蝕的重要因素，由于水加熱后，溫度升高使鈣、鎂鹽類溶解度降低，易形成水垢而附在管壁和設備內壁上，降低管道輸送能力和設備的導熱系數，同時水溫升高，會使溶解氧逸出，增加水的腐蝕性。關于水質對管材的影響設計時予以考慮。

　　2.5.3產水量：根據《建筑給水排水設計規范》GB50015-2003（2009版）的規定，各項生活熱水用水定額均按規范中規定的生活熱水用水定額的下限值選取。以此計算平均日生活熱水用量約為10m3/d（60℃），折合成55℃的熱水為11m3/d。

　　2.5.4單位集熱器日產水量：根據GB/T50364-2005《民用建筑太陽能熱水系統應用技術規范》中列出的直接加熱集熱器面積計算公式計算:

　　Ac=Qrd×C×ρr(tr-tL)f/(Jt×η×(1-ηL))

　　式中：

　　Ac：直接加熱集熱器總面積，(m2)；

　　Qrd：日產水量(L/d)；

　　C：水的比熱容，4.187kJ/(kg•℃)；

　　ρr：對應熱水溫度tr下的熱水密度(kg/L)

　　tr：集、貯熱水箱內熱水設計溫度，℃；

　　tL：冷水溫度，℃；

　　f：太陽能保證率，無量綱，根據系統使用期內的太陽輻照量、系統經濟性及用戶要求等因素綜合考慮后確定，宜為0.3~0.8，北京地區屬太陽能資源較富區，設計選取0.5；

　　Jt：當地集熱器采光面上的年平均日太陽輻照量[kJ/(m2•d)，設計集熱器按50°傾角安裝，采光面上設計取值為14188.37kJ/(m2•d)；

　　η：集熱器年平均集熱效率，按集熱器產品實測數據確定，經驗值為45~50%，設計取值為50%；

　　ηL：貯水箱和管路熱損失率，取15~30%，設計取值為20%。

　　根據上述公式，計算得出本項目產生1m3/d生活熱水（55℃），太陽能系統需配置14.8m2集熱器。

　　2.5.5系統配置集熱器面積：太陽能熱水系統產水量為11m3/d（55℃），太陽能系統需配置14.8×11=163m2集熱器。該工程采用真空管集熱器，真空管中走“U”型管，“U”型管內走水，而真空管中不走水，當真空管破裂時，可單獨對其進行更換，系統其它部分不受影響。U型管的進出水管串接，再將所有組件并聯連接在供回水管路上，通過水泵強制循環將經太陽能加熱后的熱水輸送到機房貯熱水箱中。

　　2.5.6太陽能集熱器屋面占地面積：為滿足太陽輻照量要求，該項目太陽能集熱器的安裝傾角為50°(側重冬季使用時，安裝角度=當地緯度+10)，共163/5.4=30組（依據某品牌太陽能單組集熱器面積），占用屋面積約為320m2（含太陽能換熱機房面積）。

　　2.5.7太陽能貯水箱容積：為充分利用太陽能的熱量，設置有效容積為11m3的不銹鋼貯熱水箱兩個，貯存全天生活熱水用水量。

　　2.5.8輔助熱源及容積式換熱器：為保證在陰雨、低溫等太陽能資源不足的氣候條件下，生活熱水系統能夠滿足使用要求，在太陽能系統供水管路上串聯導流型容積式換熱器，以生活-采暖兩用燃氣熱水鍋爐作為輔助熱源，加熱生活熱水。輔助熱源及容積式換熱器均按全日供應生活熱水配置，設計小時耗熱量為146.5kW，設計小時熱水量為2.33m3，采用導流型容積式換熱器兩臺，總貯水量為3m3。

　　3設計總結

　　3.1在太陽能資源豐富地區有效地利用太陽能可達到建筑物綠色節能的目的。

　　3.2集中式太陽能熱水系統的設計難點在運行模式的控制，運行模式的合理分配可保證對太陽能的充分利用，以達到節能減排的目的。

　　3.3太陽能集熱系統的冬季防凍和夏季防過熱問題的解決，可保證太陽能集熱系統的安全可靠運行。

　　3.4輔助熱源的合理設置是熱水供水系統可靠運行的保證。

　　參考文獻:

　　[1]《建筑節能》楊善勤，郎四維，涂逢祥編著.北京:中國建筑工業出版社，2011

　　[2]《新型太陽能吸附式制冷系統研究》李云蒼，Eric,J.Hu等.新能源，2000,22(11):1一5,15

　　[3]《新型太陽能連續型固體吸附制冷及供熱復合機設計及性能模擬》張學軍，王知竹.太陽能學報