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4006-360-390
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發(fā)布時(shí)間：2017-07-22 09:47:39
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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，介紹了這兩套太陽能集中-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)及運(yùn)行性能，從而說明它們?cè)诟邔幼≌袘?yīng)用時(shí)所具有的使用經(jīng)濟(jì)、管理便捷、利益均衡、安全可靠、建筑協(xié)調(diào)等諸多優(yōu)點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：高層住宅，太陽能熱水，集中-分散供熱水系統(tǒng)
1前言
太陽能熱水系統(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，可分為：集中供熱水系統(tǒng)、集中- 分散供熱水系統(tǒng)、分散供熱水系統(tǒng)。
所謂集中- 分散供熱水系統(tǒng)，是指采用集中的太陽能集熱器和分散的供熱水箱供給各個(gè)用戶所需熱水的系統(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- 分散供熱水系統(tǒng)是最適用的太陽能熱水系統(tǒng)之一。
我國(guó)科技人員近年來采用性能優(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，分別建成了太陽能集中- 分散供熱水系統(tǒng)，取得良好效果。
2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2424 戶。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，天津頂秀欣園太陽能集中- 分散供熱水系統(tǒng)效果圖如圖1所示。
天津頂秀欣園的太陽能熱水系統(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，共安裝太陽能集熱器1492 組，總采光面積2984m2，平均每戶1.23m2。
圖1天津頂秀欣園太陽能集中- 分散供熱水系統(tǒng)
2.1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)，即太陽能集熱器集中安裝在每棟樓的屋頂上，每戶安裝一臺(tái)換熱式水箱，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)由太陽能集熱器、儲(chǔ)熱水箱、太陽能循環(huán)泵、循環(huán)管路等組成。集熱器集中安裝在坡屋頂，儲(chǔ)熱水箱、太陽能循環(huán)泵安裝在樓頂設(shè)備層內(nèi)。供熱循環(huán)系統(tǒng)由用戶換熱水箱、熱水循環(huán)泵、立管和支管等組成。用戶換熱水箱安裝在每戶的衛(wèi)生間內(nèi)，通過立管與儲(chǔ)熱水箱連接，構(gòu)成換熱回路。天津頂秀欣園太陽能工程如圖2所示。
圖2天津頂秀欣園太陽能工程
2.2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，供熱水循環(huán)系統(tǒng)采用溫差循環(huán)和定溫雙重原理控制，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。
圖3 天津頂秀欣園太陽能熱水系統(tǒng)運(yùn)行原理圖
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，由于夏季太陽輻照度較高，集熱器有可能出現(xiàn)過熱問題，因此可以調(diào)節(jié)控制器的運(yùn)行參數(shù)，以降低循環(huán)溫差來防止過熱問題。
對(duì)于供熱循環(huán)系統(tǒng)，需要在每個(gè)用戶換熱水箱中都配備一個(gè)1.5kW 水電隔離的電加熱器，當(dāng)太陽能提供的熱量不足以滿足用戶需求時(shí)，用戶可以自行對(duì)換熱水箱進(jìn)行補(bǔ)熱。
2.3系統(tǒng)供熱均勻性測(cè)試
根據(jù)對(duì)中高層建筑太陽能熱水系統(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- 分散供熱水系統(tǒng)的供熱均勻性，已選取其中一棟樓的中間層（6層）和頂層（11層）進(jìn)行了測(cè)試，其結(jié)果如圖4所示。
圖4第6層和第11層用戶水箱出水溫度變化曲線圖（時(shí)間：2009.10.14）
3北京美立方小區(qū)項(xiàng)目
3.1項(xiàng)目概況
北京地區(qū)位于東經(jīng)116°26'，北緯39°56'，水平面上年平均日太陽輻照量為14.180MJ/m2，當(dāng)?shù)鼐暥葍A角平面上為16.014MJ/m2。美立方小區(qū)位于北京市朝陽區(qū)北苑路大羊坊，占地4.4萬m2，總建筑面積16萬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；住宅主力戶型為兩居室和三居室，共計(jì)2112戶。
小區(qū)的太陽能熱水系統(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。
本太陽能熱水系統(tǒng)的規(guī)模：安裝熱管式真空管集熱器1160組、總采光面積2320m2、每戶平均集熱器面積1.10m2。北京美立方小區(qū)太陽能工程如圖5所示。
圖5北京美立方小區(qū)太陽能工程
3.2系統(tǒng)組成
北京美立方小區(qū)整個(gè)太陽能熱水系統(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、分戶供熱系統(tǒng)。太陽能集中- 分散供熱水系統(tǒng)示意圖如圖6所示。
每套集中- 分散供熱水系統(tǒng)都由集熱器陣列、儲(chǔ)熱水箱、太陽能循環(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衛(wèi)生間內(nèi)，通過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使用。
3.3結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
北京美立方小區(qū)的太陽能熱水系統(tǒng)除了一般集中- 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，具有如下優(yōu)點(diǎn)：
1. 啟動(dòng)快（熱管工質(zhì)的熱容量極小）；
2. 耐冰凍（真空管內(nèi)無水且采用抗凍型熱管）；
3. 抗冰雹（采用高強(qiáng)度的硼硅玻璃）；
4. 保溫性能好（熱管具有“熱二極管效應(yīng)”）；
5. 承壓能力強(qiáng)（采用金屬吸熱體）；
6. 耐熱沖擊性能好（采用金屬吸熱體）；
7. 運(yùn)行安全可靠（真空管與連集管之間采用“干性連接”）；
8. 易于安裝維修（采用“干性連接”）。
經(jīng)國(guó)家太陽能熱水器質(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：
用戶換熱水箱是集中-分散供熱水系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，帶翅片套筒式搪瓷內(nèi)膽換熱水箱結(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。
為了滿足兩居室和三居室用戶的不同需求，設(shè)計(jì)了容積分別為60L 和80L 兩種換熱水箱。
3.4運(yùn)行性能測(cè)試
2012年2月16日至2月20日，對(duì)美立方小區(qū)中的一套太陽能熱水系統(tǒng)進(jìn)行了連續(xù)五天的測(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)量了太陽能集熱系統(tǒng)的日平均效率。每天從早晨9 點(diǎn)到下午5 點(diǎn)，分別測(cè)量了全天的系統(tǒng)得熱量和太陽輻照量，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)量了各用戶放水時(shí)的小時(shí)平均得熱量。以2月17日晴天為例，在下午5點(diǎn)時(shí)，對(duì)低層（第2 層的兩戶）、中層（第9層的一戶）、高層（第16層的兩戶）的五個(gè)用戶水箱，分別測(cè)量了它們的小時(shí)平均得熱量，并同時(shí)測(cè)量了各戶水箱內(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，本太陽能熱水系統(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，滿足設(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、中、高層各用戶水箱的最高溫度都達(dá)到53℃～56℃范圍，滿足使用要求。（3）均衡的供熱性能：在同一套系統(tǒng)內(nèi)，低、中、高層各用戶水箱的小時(shí)平均得熱量之間的不平衡率在±4.2％~±7.7％范圍，滿足用戶要求。
4結(jié)語
天津頂秀欣園和北京美立方小區(qū)兩個(gè)項(xiàng)目再次說明，在城市高層住宅中應(yīng)用太陽能集中- 分散供熱水系統(tǒng)，具有如下多項(xiàng)明顯優(yōu)點(diǎn)：
（1）使用經(jīng)濟(jì)性。用戶無須支付太陽能產(chǎn)生的熱量費(fèi)用，僅須支付循環(huán)水泵的電費(fèi)，公攤費(fèi)用低，只在太陽輻照不足時(shí)才需支付自家消耗的電費(fèi)；
（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，即使低層住戶也能享受到太陽能所帶來的便利和實(shí)惠；
（4）安全可靠性。集熱器集中安置在樓頂，沒有墜落隱患，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，與各戶實(shí)際日照條件無直接關(guān)系，真正實(shí)現(xiàn)“建筑一體化”的理念。
參考文獻(xiàn)
1 中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 50364-2005，民用建筑太陽能熱水系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)規(guī)范，北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2005.
2 He Zinian，Advanced Evacuated Tube Solar Collectors-Products and Applications [J]，Asia-Pacific Tech Monitor，2003，Nov-Dec，42~47.
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