新一代高層居住（C區）太陽能熱水系統設計示例
新一代高層居住（C區）太陽能熱水系統設計示例
河北建新建筑集團公司 張雅冬 何愛云
引言：保定市新一代高層居住（C區）（以下簡稱“新一代C區”）占地362.492畝，規劃總建筑面積約為63萬 m2，其中高層住宅約50萬m2，住宅以板式為主。堅持“合理利用能源，降低能耗”的理念設計，嚴格按照當地節能政策標準要求執行，并采用新型節能墻體材料和屋面保溫隔熱技術與材料、節能門窗的保溫隔熱和密閉技術、廣泛采用可再生能源應用技術及設備等主要節能措施，其中采用屋頂太陽能集中24小時供應生活熱水，開創本地太陽能應用的先例。
新一代C區三期工程太陽能集中供熱水系統 由保定新一代房地產開發有限公司、河北建新建筑集團股份有限公司、保定市新一代沃爾達商貿有限公司聯合設計，該工程已于2008年10月交付業主并取得了良好的效果。
現以16#樓為例分析太陽能集中供熱水系統的設計。
一、設計基本要求：
新一代C區16#樓為兩個單元，一梯兩戶板式住宅樓，共十九層，76戶，總建筑面積8375㎡。以每戶日均需水量按60kg計算，系統日均產水量4.5 噸。晴好天氣以太陽能為主，輔助熱源為電加熱。供水方式為全天 24 小時恒溫 50 ℃供應熱水，市政供水溫度以春秋季節平均取10℃。
二、設計依據：
GB/T18713-2002 《太陽能熱水系統設計、安裝及工程驗收技術規范》；
GB/T4272-1992 《設備及管道保溫技術通則》；
GB/T6424-1997 《太陽能集熱器技術條件》；
GB/T93-86 《工業自動化儀表工程及驗收規范》；
GB5042 《建筑給水排水采暖工程施工質量驗收規范》；
NY/T651-2002《家用太陽能熱水系統安裝、運行維護技術規范》；
國家氣象局發布的參考氣象數據。
保定市地處我國華北中部地區，屬溫帶季風氣候區，年平均氣溫為 11.5 ℃。以春秋季節計算，年平均日太陽輻射量水平面為14.18MJ/㎡，其中太陽能傾角表面為16.014 MJ/㎡，晴天平均日照時間為 8.5 小時。
三、設計原理：
1、太陽能集熱水箱系統工作原理：
集熱溫差循環：在集熱水箱內，當集熱器出口溫度T1與集熱水箱溫度差T1-T2>Tm（設定為5℃），循環熱水泵P1自動開啟，通過強制循環把集熱器內的熱水置換到集熱水箱內，當T1-T2<Tn（設定為2℃）℃，循環泵P1自動停止工作。循環加熱集熱水箱的熱水。
集熱器定溫放水：當集熱器出口溫度T1>46℃，且集熱水箱水位未達到L3高液位時，電磁閥DF1打開，冷水不斷把集熱器的熱水頂入集熱水箱，當T1<41℃時，關閉電磁閥DF1。
如此往復太陽能加熱和補水，集熱水箱水位逐漸上升，當集熱水箱水位達到L3高液位后電磁閥DF1關閉。
2、恒溫水箱工作原理：
恒溫水箱溫差循環：恒溫水箱一直保持50℃-55℃的熱水，當恒溫水箱溫度T4降至48℃，而集熱水箱溫度T2>50℃時，電磁閥DF4打開，循環泵P4自動開啟，通過強制循環把集熱水箱的熱水置換到恒溫水箱內，當恒溫水箱溫度T4>50℃時，電磁閥DF4和循環泵P4自動停止工作。
集熱水箱定溫放水：當集熱水箱溫度T2>50℃，且恒溫熱水箱水位未達到L4高液位時，電磁閥DF4打開，循環泵P4自動開啟，把集熱水箱的熱水打入恒溫集水箱，當T2<50℃或恒溫水箱補水至最高水位L4時，關閉電磁閥DF4和循環泵P4。
恒溫水箱高溫補水：當恒溫水箱溫度T4>55℃時，上水電磁閥DF2開啟，將冷水注入恒溫水箱，當溫度T4降到50℃或水位升至L4時電磁閥DF2關閉。
如此往復太陽能加熱和補水，恒溫水箱水位逐漸上升，當恒溫水箱水位達到L4高液位后電磁閥DF4和循環泵P4關閉。
3、水箱低水位補水工作原理：
在太陽能充足的時間內，兩熱水箱通過上述的定溫放水即可完成補水。相反，當T1、T2溫度低于定溫放水設定溫度，水箱水位又降到最低水位（集熱水箱L1、恒溫水箱L2）時，兩水箱將強制補水，但是系統將處于低水位運行模式。
集熱水箱低水位運行：集熱水箱補水至L5停止，集熱器溫度T1達到定溫放水要求后繼續補水，相反，水位下降至L1時重復補水至L5。
恒溫水箱低水位運行：恒溫水箱補水至L6停止，集熱水箱溫度T2達到定溫放水要求后繼續補水，相反，水位下降至L2時重復補水至L6。
*水箱低水位運行時不會影響各溫差循環功能。
4、供熱水管網工作原理：
供水管網采用恒壓變頻控制，供水管路采用主管路回路循環保證由于管網長和長時間不用水，主管路水溫下降的缺點。在恒溫水箱供水管路口安裝變頻控制和增壓水泵，保證供水管路一定的壓力，當用戶用水時，管路壓力下降，控制水泵啟動增加，達到一定壓力自動停止。當管路內長時間不用水時，管路末端回水溫度傳感器T5低于40℃時，打開電磁閥3，管路壓力下降水泵啟動，循環供水管路的水，當T5達到45℃時，關閉電磁閥3，供水泵停止。
5、太陽能系統的輔助加熱系統：
采用電加熱和恒溫水箱分離，用循環泵使水箱內的水和加熱裝置進行循環，即可以提高電加熱的使用壽命，維修也方便。
只要恒溫水箱溫度T4低于設定溫度45℃，輔助電加熱循環泵P3自動啟動，將水注入電加熱水箱，電加熱裝置開啟。當T4>50℃時循環泵P3和電加熱裝置停止。
6、電器保護：
集熱水箱低水位時，循環泵P4和電磁閥DF4停止工作。
恒溫水箱低水位時，電加熱和循環泵P2停止工作。
電加熱系統每次最長運行40分鐘，與二次啟動相隔5分鐘。
集熱器出口溫度高于85℃時，自來水補水電磁閥DF1和集熱循環泵P1不啟動。
7、太陽能系統另配定時供水、定時電加熱功能。
四、系統設計：
主要由集熱器、儲熱水箱、輔助熱源、循環管道、自動控制、阻垢除垢、恒溫供水系統等七部分組成。
（一）集熱器 ：
1、熱負荷：需水量4500kg ，Q=4500kg×(50 ℃-10 ℃)×4.18=752.4MJ；
2、集熱面積：太陽能熱水系統的產水量與太陽輻射強度和日照時間及集熱器受光面積密切相關，一年四季變化很大。因此本方案按年平均輻射量進行設計。太陽能熱水系統集熱效率為 51%，管路及儲熱水箱熱損失率為0.2，則集熱面積為：A=752.4MJ/[16.014MJ/㎡×51%×（1-0.2）]=115㎡。
3、集熱器選型及鋪放安裝：
選用力諾瑞特LPC47-1550型集熱器；真空管規格Ф47×1500mm；進口0.6mmSUS304-2B不銹鋼內芯；每組集熱單元采光面積6.25㎡，單元總容水量82L。
集熱器聯箱。內膽用0.6mmSUS304-2B食品級不銹鋼；外皮用0.5mm不銹鋼；尾托架用1.2mm不銹鋼尾托、PBT尾架；聯箱保溫用聚氨脂 ,閉孔率≥95% 。
集熱器安裝在屋頂，按單組并串聯方式鋪放；集熱管水平角度2度，對地傾角15～30度；每個系統組成一個集熱器陣列，所產熱水直接進入儲水箱備用。
（二）儲熱水箱 設計儲熱水箱和恒溫水箱各一臺，儲熱水箱的有效容積按照產水量進行設計，實際規格按大于有效容積的 10% 進行生產。恒溫水箱的容積為1.5噸。水箱內膽采用 1.2mm 厚的 SUS304-2B 進口食品級不銹鋼板材，氬弧焊接技術成型，保溫層采用70mm 進口聚氨酯整體發泡,閉孔率95%；外殼采用0.5mm不銹鋼板拉鉚工藝制作；水箱整體現場組裝完成。
（三）輔助加熱 考慮全年陰雨天氣為100天，按時陰雨天完全靠電加熱計算，設計電輔助加熱功率為36KW。
（四）管道循環系統 管路采用標準飲用水熱鍍鋅管道；樓面以上管道采用70mm聚氨酯保溫；安裝供水泵、集熱循環泵 、加熱循環泵各二臺（一備一用）。
（五）自動控制系統 控制系統采用 PLC控制器與優質電器組合而成。所有電器元件均采用國內優質產品，實現自動化智能操作，同時具備手動強制啟停功能，維修更方便，功能更齊全。
（六）阻垢防垢 在冷水進水口安裝阻垢器(硅磷精)是一種經濟有效的環保型產品，是由對人體有益的聚磷酸鹽（牛奶、大豆中富含）和硅酸鹽（礦泉水中富含）組成，能防止鈣鎂離子、碳酸鹽垢和鐵垢的形成，其中的P-P成分隔絕水中溶解氧與金屬離子的反應。通過阻垢防垢，提高系統各部件的使用壽命。
（七）恒溫供水系統 按照全天候恒溫50℃供水要求，設恒溫水箱1臺，無論在任何狀態下，使恒溫水箱的溫度始終保持在 50℃，偏差不超過± 2℃。■
