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作者：張毅

  太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)是解決建筑節(jié)能、保障廣大城鎮(zhèn)居民生活熱水的有效途徑。按系統(tǒng)的集熱與供熱水方式進(jìn)行分類(lèi)，在民用建筑中應(yīng)用的太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)可分為：集中一集中供熱水系統(tǒng)、集中一分散供熱水系統(tǒng)和分散一分散供熱水系統(tǒng)等三大類(lèi)。

  所謂“集中一分散供熱水系統(tǒng)”，是指采用集中的太陽(yáng)能集熱器和分散的儲(chǔ)熱水箱供給各個(gè)用戶(hù)所需熱水的系統(tǒng)。我國(guó)大中型城市大多以高層住宅為主，針對(duì)這種特點(diǎn)，集中一分散供熱水系統(tǒng)是最適用的太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)之一。

  近年來(lái)，我國(guó)科技人員采用性能優(yōu)良的熱管式真空管集熱器，先后在天津頂秀欣園小區(qū)和北京美立方小區(qū)的高層住宅中，分別建成了太陽(yáng)能集中一分散供熱水系統(tǒng)，取得了良好的效果。

1  天津頂秀欣園項(xiàng)目

天津頂秀欣園經(jīng)濟(jì)適用房項(xiàng)目位于天津市東麗區(qū)華明鎮(zhèn)新家園居住區(qū)。該地塊包括4個(gè)居住團(tuán)，共有26棟樓，住戶(hù)2 424戶(hù)。其中，西側(cè)和北側(cè)為8棟20層，南側(cè)為6棟11層，中間部分為6棟16層和6棟18層，如圖1所示。

  天津頂秀欣園的太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)采用集中集熱、分散供熱水系統(tǒng)，于2009年建成并投入運(yùn)行。

  該系統(tǒng)采用北京市太陽(yáng)能研究所集團(tuán)有限公司研制、生產(chǎn)的熱管式真空管集熱器，共安裝了太陽(yáng)能集熱器1 492組，總采光面積2 984 m2，平均每戶(hù)1. 23m2。

1.1系統(tǒng)構(gòu)成

  整個(gè)系統(tǒng)包括32個(gè)子系統(tǒng)。每個(gè)子系統(tǒng)都分別采用集中集熱、分散供熱水系統(tǒng)，即太陽(yáng)能集熱器集中安裝在每棟樓的屋頂上，每戶(hù)安裝1臺(tái)換熱式水箱，通過(guò)熱媒換熱向住戶(hù)提供熱量，如圖2所示。

  每個(gè)子系統(tǒng)都分別采用兩套循環(huán)系統(tǒng)：一套是集熱循環(huán)系統(tǒng)，另一套是供熱循環(huán)系統(tǒng)。

集熱循環(huán)系統(tǒng)由太陽(yáng)能集熱器、緩沖水箱、太陽(yáng)能循環(huán)泵、循環(huán)管路等組成。太陽(yáng)能集熱器集中安裝在坡屋頂，緩沖水箱、太陽(yáng)能循環(huán)泵安裝在樓頂設(shè)備層內(nèi)。

  供熱循環(huán)系統(tǒng)由用戶(hù)換熱水箱、熱水循環(huán)泵、立管和支管等組成。用戶(hù)換熱水箱安裝在每戶(hù)的衛(wèi)生間內(nèi)，通過(guò)立管與緩沖水箱連接，構(gòu)成換熱回路。

1.2  系統(tǒng)運(yùn)行原理

集熱循環(huán)系統(tǒng)采用溫差循環(huán)原理控制，供熱循環(huán)系統(tǒng)采用溫差循環(huán)和定溫雙重原理控制，其運(yùn)行原理圖如圖3所示。集熱循環(huán)與供熱循環(huán)都使用可編程邏輯控制器( Programmable Logic Controller，PLC)控制器統(tǒng)一控制，并可根據(jù)實(shí)際情況調(diào)節(jié)運(yùn)行參數(shù)，以達(dá)到最佳的運(yùn)行效果。

  對(duì)于集熱循環(huán)系統(tǒng)，考慮到北方冬天的環(huán)境溫度較低，本系統(tǒng)采用排空回流和低溫循環(huán)的方式進(jìn)行防凍；另外，由于夏季太陽(yáng)輻照度較高，集熱器有可能出現(xiàn)過(guò)熱，因此可以調(diào)節(jié)控制器的運(yùn)行參數(shù)，以降低循環(huán)溫差來(lái)防止過(guò)熱問(wèn)題。

  對(duì)于供熱循環(huán)系統(tǒng)，需要在每個(gè)用戶(hù)換熱水箱中都配備1個(gè)1.5 kW水電隔離的電加熱器，當(dāng)太陽(yáng)能提供的熱量不足以滿(mǎn)足用戶(hù)需求時(shí)，用戶(hù)可以自行對(duì)換熱水箱進(jìn)行補(bǔ)熱。

1.3  系統(tǒng)供熱均勻性的測(cè)試

  根據(jù)對(duì)高層建筑太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)供水回路水力計(jì)算，表明建筑中間層的流動(dòng)阻力較大。

為了考察本集中一分散供熱水系統(tǒng)的供熱均勻性，已選取其中1棟樓的中間層（6層）和頂層( 11層)進(jìn)行了測(cè)試，其結(jié)果如圖4所示。

  從圖4可以看出，2個(gè)用戶(hù)水箱的初始水溫均在22℃左右；從9:00到13：00，水溫不斷升高，雖然兩者的升溫情況不同，但在15：30左右都趨于穩(wěn)定；而且，兩者的出水溫度相差不大，基本上都維持在45℃左右。

  由此可見(jiàn)，太陽(yáng)能集中一分散供熱水系統(tǒng)具有很好的供熱均勻性，是一種特別適宜在城市高層住宅建筑中推廣的新型太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)。

2北京美立方小區(qū)項(xiàng)目

2.1項(xiàng)目概況

  北京地區(qū)位于東經(jīng)116。26’，北緯39。56 7，水平面上的年平均日太陽(yáng)輻照量14.180 MJ/m2，當(dāng)?shù)鼐暥葍A角平面上的年平均日太陽(yáng)輻照量16. 014 MJ/m2。

  美立方小區(qū)位于北京市朝陽(yáng)區(qū)北苑路大羊坊，項(xiàng)目占地4.4萬(wàn)m2，總建筑面積16萬(wàn)m2；共有5棟建筑，樓層數(shù)最低為13層，最高為20層，屋頂均為平頂；住宅主力戶(hù)型分別為兩居室和三居室，共計(jì)2112戶(hù)。

小區(qū)的太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)采用集中集熱、分散供熱水系統(tǒng)，于2011年6月起陸續(xù)投入使用，如圖5所示。

  本太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)共安裝了熱管式真空管集熱器1 160組，總采光面積2 320m2，平均每戶(hù)1.10m2。

2.2  系統(tǒng)構(gòu)成

北京美立方小區(qū)整個(gè)太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)包括5套獨(dú)立的子系統(tǒng)，每套子系統(tǒng)都分別采用集中集熱、分散供熱水系統(tǒng)，如圖6所示。

  每套集中集熱一分散供熱水系統(tǒng)都由集熱器陣列、緩沖水箱、太陽(yáng)能循環(huán)泵、循環(huán)管路、控制柜、換熱水箱、供水管路、控制器等組成。

  集熱器陣列集中安裝在建筑物的屋頂上，緩沖水箱、太陽(yáng)能循環(huán)泵等安裝在樓頂設(shè)備層內(nèi)。集熱系統(tǒng)以水為傳熱介質(zhì)，采用溫差循環(huán)原理運(yùn)行。在冬季夜間將循環(huán)管路中的水排入緩沖水箱，以達(dá)到防凍目的。換熱水箱安裝在每戶(hù)衛(wèi)生間內(nèi)，通過(guò)供水管路與緩沖水箱連接。傳熱介質(zhì)經(jīng)由換熱水箱內(nèi)的換熱器，將熱量傳遞給生活熱水供用戶(hù)使用。每戶(hù)換熱水箱的進(jìn)水管處設(shè)置電磁閥，當(dāng)立管溫度低于戶(hù)內(nèi)水箱溫度時(shí)，電磁閥即自動(dòng)關(guān)閉，防止逃熱。

2.3  結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

  北京美立方小區(qū)的太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)除了一般集中一分散供熱水系統(tǒng)的共同優(yōu)點(diǎn)之外，還有兩個(gè)顯著的特點(diǎn)：

  1)采用熱管式真空管集熱器

  熱管式真空管集熱器是由北京市太陽(yáng)能研究所集團(tuán)有限公司自行研制、生產(chǎn)的，它是金屬吸熱體真空管中的一種，具有如下諸多優(yōu)點(diǎn)：

  a．啟動(dòng)快（熱管工質(zhì)的熱容量極�。�；b．耐冰凍（真空管內(nèi)無(wú)水且采用抗凍型熱管）；c．抗冰雹（采用高強(qiáng)度的硼硅玻璃）；d．保溫性能好（熱管具有“熱二極管效應(yīng)”）；e．壓能力強(qiáng)（采用金屬吸熱體）；f．耐熱沖擊性能好（采用金屬吸熱體）；g．運(yùn)行安全可靠（真空管與連集管之間采用“干性連接”）；h．易于安裝維修（采用“干性連接”）。

  經(jīng)國(guó)家太陽(yáng)能熱水器質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心（北京）檢測(cè)，熱管式真空管集熱器的瞬時(shí)效率曲線（基于集熱器采光面積、工質(zhì)進(jìn)口溫度）為：

式中：η。為集熱器瞬時(shí)效率，無(wú)因次；ti為工質(zhì)進(jìn)口溫度，℃；t。為環(huán)境溫度，℃；G為采光面上總太陽(yáng)輻照度，W／m2。

  2)采用帶翅片套筒式搪瓷內(nèi)膽換熱水箱

  用戶(hù)換熱水箱是集中一分散供熱水系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，其結(jié)構(gòu)如圖7所示。

  換熱水箱采用鋼板搪瓷內(nèi)膽，以提高水箱的承壓能力與防腐性能；采用聚氨酯整體發(fā)泡，以提高水箱的保溫性能；采用帶翅片套筒式換熱器，以提高換熱器的傳熱性能；采用鎂陽(yáng)極保護(hù)，以提高生活熱水的水質(zhì)；采用內(nèi)置電熱管作為輔助加熱，以確保全天候供應(yīng)熱水。

  為了滿(mǎn)足兩居室和三居室用戶(hù)的不同需求，設(shè)計(jì)了容積分別為60 L和80 L兩種換熱水箱。

2.4測(cè)試性能

  2012年2月16日—2月20日，對(duì)美立方小區(qū)中的一套太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)進(jìn)行了連續(xù)5d的測(cè)試，內(nèi)容包括系統(tǒng)的集熱性能和供熱性能。

集熱性能主要測(cè)量了太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)的日平均效率。每天從9:00到17：00，分別測(cè)量了全天的系統(tǒng)得熱量和太陽(yáng)輻照量，從而得出集熱系統(tǒng)的日平均效率，并同時(shí)測(cè)量了當(dāng)天的室外最高氣溫和最低氣溫，測(cè)試結(jié)果如表1所示。

供熱性能主要測(cè)量了各用戶(hù)在未啟動(dòng)輔助電加熱器情況下放熱水時(shí)的小時(shí)平均得熱量。以2月17日晴天為例，在17：00時(shí)，對(duì)低層（第2層的兩戶(hù)）、中層（第9層的一戶(hù)）、高層（第16層的兩戶(hù)）的五個(gè)用戶(hù)水箱，分別測(cè)量了它們的小時(shí)平均得熱量，同時(shí)測(cè)量了各戶(hù)水箱內(nèi)的最高溫度，測(cè)試結(jié)果如表2所示。

  由表1和表2的測(cè)試結(jié)果可見(jiàn)，本太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)具有如下性能：

  1)良好的集熱性能：即使在室外氣溫很低的冬天，集熱系統(tǒng)的日平均效率仍在35%~44%范圍內(nèi)，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

  2)卓越的換熱性能：即使在室外氣溫很低的冬天，低層、中層、高層各用戶(hù)水箱的最高溫度都達(dá)到53℃~ 56℃范圍，滿(mǎn)足使用要求。

  3)均衡的供熱性能：在同一套太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)內(nèi)，低層、中層、高層各用戶(hù)水箱的小時(shí)平均得熱量之間的不平衡率在±4.2%~±7.7%范圍內(nèi)，滿(mǎn)足用戶(hù)要求。

3  結(jié)語(yǔ)

  天津頂秀欣園和北京美立方小區(qū)兩個(gè)項(xiàng)目的建成再次說(shuō)明，在城市高層住宅中應(yīng)用太陽(yáng)能集中一分散供熱水系統(tǒng)具有如下多項(xiàng)明顯的優(yōu)點(diǎn)：

  1)使用經(jīng)濟(jì)性。用戶(hù)僅須支付水泵的電費(fèi)，只在陰雨天才需支付自家消耗的電費(fèi)，這對(duì)于入住率不高的住宅以及長(zhǎng)期外出的住戶(hù)更為合適。

  2)管理便捷性。集熱器及循環(huán)控制設(shè)備等均設(shè)置在公共空間，便于物業(yè)統(tǒng)一管理和維護(hù)，能夠更有效地保證系統(tǒng)長(zhǎng)期正常運(yùn)行。

  3)利益均衡性。在城市建設(shè)用地緊張的情況下，可最大限度地實(shí)現(xiàn)利益均衡，即使低層住戶(hù)也能享受到太陽(yáng)能所帶來(lái)的便利和實(shí)惠。

  4)安全可靠性。集熱器集中安置在樓頂，沒(méi)有墜落隱患，系統(tǒng)整體運(yùn)行平穩(wěn)，使用壽命長(zhǎng)。

5)建筑協(xié)調(diào)性。集熱器統(tǒng)一安裝在屋頂采光最好的位置，與各戶(hù)實(shí)際日照條件無(wú)直接關(guān)系，真正實(shí)現(xiàn)“建筑一體化”的理念。

4[摘要]本文以天津頂秀欣園小區(qū)項(xiàng)目和北京美立方小區(qū)項(xiàng)目為例，分別介紹了這兩套太陽(yáng)能集中一分散供熱水系統(tǒng)的基本組成、運(yùn)行原理、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及測(cè)試性能，從而說(shuō)明它們?cè)诟邔幼≌�中�?yīng)用時(shí)所具有的使用經(jīng)濟(jì)性、管理便捷性、利益均衡性、安全可靠性、建筑協(xié)調(diào)性等諸多優(yōu)點(diǎn)。