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 技术交流

陕西太阳能热水工程应用

    太阳能热水工程作为建筑中可再生能源应用的主要内容,陕西地区太阳能热水工程已经得到了当地越来越多人的认可与关注。由于土地资源有限,中高层住宅已成为大中城市建设的主要住宅类型。大量省市制订的"强制安装"太阳能热水工程(系统)的政策,给太阳能在中高层住宅的应用推广带来了机遇及挑战。针对于中高层住宅的太阳能热水工程(系统)的优化设计成为太阳能行业亟待解决的问题。我司根据几年来的设计、安装施工经验依据国家及行业有关标准总结了一套高性价比、运行可高的解决方案:
一、中高层住宅太阳能热水工程设计中的问题
  1、中高层住宅特点
1.1高层住宅按层数一般分为三类:小高层住宅(9-12层)、高层住宅(15-35层,高度≤100m)及超高层住宅(高度大于100m)。
1.2从住宅的户数来讲,小高层住宅一般为每层2-4户,高层住宅一般为4-8户;
1.3中高层住宅为塔楼型式居多,其中也存在部分单元式住宅。
2、中高层住宅中太阳能热水工程(系统)存在的问题
针对于中高层建筑的特点,太阳能热水工程(系统)在中高层住宅的太阳能中央热水工程应用中需高度解决好以下几个方面的问题:
2.1技术层面上的问题
  (1)系统运行方案的选择问题
目前,太阳能热水工程(系统)的主要类型根据集热、储热及供热系统的不同组合形式可分为:集中集热-集中储热辅热系统、集中集热-分户储热辅热系统及分户集热、分户储热辅热系统几种形式。不同的系统形式在各类建筑物类型中的特点不尽相同,因而其所适应的建筑类型也不相同。针对中高层住宅,各种不同的系统形式各具有什么样的特点?哪一种系统形式更具优势?这一问题成为中高层住宅太阳能热水系统所需确认的首要问题。
  (2)太阳能集热器的安装位置
  太阳能集热器作为太阳能热水系统中的集热关键部件,安装中应满足"采光面充分、方位南向"等技术要求,以最大程度的接收太阳辐射。中高层建筑群中,太阳能集热器可选择的安装位置一般局限在楼顶或阳台等部位,在系统设计上需对场地面积可行性、建筑结构安全性、建筑外观整体性等众多问题进行综合分析。
  (3)水箱设备间的安装位置
  中高层住宅中,设备间可利用位置多为楼顶层电梯间或地下室等部位。中高层住宅太阳能热水系统设备间的具体位置选择时,除考虑占地、设备承重等基础因素外,从系统优化角度考虑,还应更多地考虑设备间的位置对系统整体运行效率及费用的影响。
  (4)辅助能源的型式
   太阳能热水工程(系统)中,辅助能源的使用类型对系统最终运行费用有较大影响。中高层住宅应针对场地条件及施工条件等各方面进行太阳能辅助系统的优化选择。
  (5)供水系统的选择
  合理的选择热水供应系统是充分利用太阳能的最终关键步骤。在太阳能集热系统充分优化的条件下,只有合理的热水供应系统才能最终保证系统整体的效率。只注重集热效率而不优化设计供水系统,同样会使系统的效率整体降低。中高层建筑供水系统中,存在着供水水压高、压差大、用水峰值变化大、供水管线长等特点,供水系统的设计应根据这一特点,结合太阳能供热的特性,在保证24小时供水品质的同时,优化系统的运行成本,提高供热效率。
2.2管理层面上的问题
  (1)太阳能热水工程(系统)的设计、施工及验收同步性问题
  目前,太阳能热水工程(系统)的设计处于一种较为"尴尬"的状态,首先其设计工作并未像空调等冷热源设备列入必须的设计内容中,同时大多的建筑设计院所并没有专业的太阳能设计人员,缺乏既了解太阳能热水系统技术,又了解建筑设计的专业化机构和设计人员,设计--施工--维护各阶段技术服务无法得到很好和保证。
  (2)开发商、物业及用户三者应三位一体,综合考虑
  在中高层太阳能热水工程(系统)的设计中,应综合考虑各利益相关方,在满足技术条件的前提下,使各方利益均得到较大程度的满足。
二、中高层住宅太阳能热水工程(系统)优化设计基本原则
  在中高层住宅太阳能中央热水系统涉及到开发商、物业及住户等多方面的利益,在技术系统设计方案的优化解决时,一般应遵循以下几个原则:
  (1)系统经济可行性:从最终用户使用角度考虑,太阳能热水系统在满足高品质供水的特性的前提下,其初期投资尽量降低,运行费用需低于其他常规能源形式;
  (2)设备节能省地的原则:从开发商的角度出发,太阳能热水系统应尽量避免占用建筑物的有效使用面积,使开发商的利益最大化。
  (3)便于维护及管理:从物业的利益出发,太阳能产品及系统应具有高寿命、低故障率、便于维护、管理等特性,以满足物业公司在管理上的便捷性。包括维修、取费、计量等方面。
  (4)在技术可行性的基础上,综合平衡各方的利益,系统设计时应避免前期开发商对增量投资过高的抵触,也须考虑后期使用过程中如何避免业主与物业之间产生纠纷。
三、中高层住宅太阳能热水系统优化技术分析
  1、不同类型太阳能热水系统的对比
  目前,应用于住宅类建筑的太阳能热水系统一般有以下几种类型:
  (1)分户集热、分户储热式太阳能热水系统:是指终端用水点以户为单位,每户独立设置太阳能集热器、储水箱、辅热设备及相关管路,每户独立使用的小型太阳能热水系统。在住宅中安装型式一般体现为阳台壁挂式。
  (2)集中集热、分户储热式太阳能热水系统:是指将太阳能集热器集中、统一规划安装成为一个系统,储水箱、辅助保障系统按终端用户为单位独立设置的太阳能热水系统。
  (3)集中集热、集中储热式太阳能热水系统:是指太阳能集热系统、储水箱及辅助部分全部集成化,统一安装集热器,统一设置集中储水箱及辅助加热设备,然后将热量再次分配至各用水终端的太阳能系统;
  2、集中集热、集中储热系统的设计方案优化
  遵循上述的设计原则,针对于集中集热、集中储热系统,在中高层住宅中的应用,可从以下几个方面进行系统的整合设计。
  2.1设备的安装
  2.1.1集热器的类型、面积及安装位置
  (1)集热器安装位置:太阳能集热器在中高层住宅中,完全可以安装在建筑物顶部;首先,在建筑外观上,太阳能集热器在顶部的安装不会影响建筑景观;同时,集热器的安装排列不受建筑物走向的限制,可以达到系统最佳的集热效果;
  (2)集热器类型:太阳能集热器安装于中高层屋顶,为避免后期维修率过高的问题,集热器应采用使用寿命长、故障率低的产品类型;
  (3)集热器布置方案:
  中高层住宅太阳能热水系统的设计,应满足太阳能集热器面积使所有的住户都有权利使用上太阳能水。
  ①按每户平均面积90m2考虑,每户均设计用水人数3人;
  ②每户顶层空间90 m2,考虑到建筑物造型及其他因素的影响,按利用率80%考虑,实际可用面积72 m2;屋顶可布置太阳能集热器面积约42 m2;
  ③按每户3人,每人日用水量40L,则每户所需集热面积约为1.5 m2;
  ④按上述条件进行设计,则屋顶面积可满足28层以下住宅的户用热水;即28层以下的中高层住宅,其屋顶面积是可以满足该建筑物内住户的生活热水要求。从目前的建筑实际建设规模及形式来看,绝大部分中高层住宅理论上是完全可以满足太阳能集热器的安装要求及建筑物的供水要求的。
  ⑤在实际的工程中,首先存在着供水管路系统损失量较大造成太阳能集热器面积需加大的问题;其次,部分屋顶的实际利用率过低(如建筑造型的影响、遮挡等问题)也会影响集热器面积的安装;因此,在设计过程中应在条件允许的情况下尽量优化系统管路及建筑物屋面部分的设计,以使太阳能系统达到更好的运行效果。
  2.1.2储水箱设备间的位置
  (1)对系统效率的影响
  太阳能热水系统中,储水箱作为集热系统与供热系统的中枢部件,其安装位置对系统运行效率有较大影响;储水箱的安装位置涉及到两个"半径":集热半径及供热半径;集热半径过大会造成太阳能集热系统热损失过大,造成集热系统效率降低;供热半径则直接影响供水系统的散热程度;
  作为影响两个半径的重要因素,水箱的位置选择在中高层住宅中显得尤为重要。储水箱的位置设计时应达到集热、供热两部分热损失总值最小化的目的,以降低系统整体热损。
  中高层住宅中,太阳能水箱的安装位置不外乎顶层或地下室;从降低集热半径的角度考虑,水箱应尽量放置在顶部空间而非地下室等,一般可以考虑放置在顶层电梯间等位置;从供热半径看,水箱放置在顶层设备间与放置在地下室的供热半径无很大区别,但水箱高位放置可以节省供水成本。
  (2)对场地的影响
  采用地下室作为太阳能设备间时,会占用建筑的有效利用空间,但对建筑的结构荷载影响较小。
  采用顶部设备间时,建筑设计需考虑结构荷载的问题。
  综合以上方面的因素,太阳能储水箱应采用高置的方案。
2.2辅助能源的类型
  辅助能源作为太阳能系统的有效补充,根据用户自身具备的条件,综合考虑其运行成本、初期投资等因素进行选择。在目前的气、电等常规能源中,以目前的设备成本及燃料成本看,空气源热泵辅助为第一选择,其设备投资不高,运行费用相对最低; 
  2.3供水系统设计优化
  太阳能系统的合理应用除太阳能集热系统优化运行外,合理的供水系统设计也至关重要。供水系统的设计应针对建筑的型式特点及太阳能供水低温热源的性质进行针对性优化设计。
  2.3.1太阳能热水系统应使集热及散热半径最小化,以降低散热损失,提高太阳能系统的综合利用率;
  2.3.2供水末端应采用变频供水方式,以保证24小时的热水供应。供水系统采用上行下给式,干管/立管循环,保证随时供应满足温度需求的生活热水;
  2.3.3对于高层建筑,传统的供热系统多采用分区减压供水的方式;对于太阳能供水系统,可采用分层减压供水的方式,以减少系统供热循环管路,减小热损;
  2.3.4太阳能热水系统的供水温度不宜过高。太阳能集热器作为一种低温热源,其效率随集热温度的升高而降低。针对这一特性,太阳能热水系统的供水温度应以不影响用户使用的最低允许温度为佳,一般生活热水系统保证供水末端出水温度40-45℃即可。
  2.3.5为便于物业对于太阳能系统的计费及管理,在供水系统入户加装热水表,分户计量;
  2.4系统规模的合理化设计
  太阳能热水系统可按不同的使用规模进行建设,既可以按单栋楼为一个单位进行设计,也可以按一个单元为单位进行建设。这两种形式应用到中高层住宅建设中,存在着不同的优缺点: 
根据以上的特点,系统规模选择方式如下:
  (1)塔楼型式:中高层住宅塔楼一般为一梯四户或八户,建筑形式紧凑集中,每栋楼采用一套太阳能系统;
  (2)单元式住宅:由于其占地相对较大,单层供水系统管路较长,在系统规模的选择上应以系统综合散热损失最小为原则。
  3、集中集热、分户储热系统的设计方案优化
  3.1集热器的安装
  集中集热、分户集热系统中,太阳能集热器统一安装,其需要注意的问题及解决办法类同于集中集热集中储热系统。
  3.2辅助能源类型及供水系统
  集中集热、分户储热系统的辅助能源类型一般多为电辅形式,在控制方案上,为避免能源的浪费,辅助应采用半自动运行的方式(手动开启,自动关闭)。
  分户集热系统内设计中,水箱一般多放置在卫生间等区域,因此,在水箱形式应为承压卧式,以方便系统的供水及实际的现场安装。
  3.3集热系统的合理化设计
   在集中集热、分户集热系统中,关键的内容在于集热系统部分的设计。在系统设计时,应着重考虑系统的防冻、热量平衡、压力平衡、系统运行方案等问题。典型的集中集热、分户集热系统设计
  3.3.1集热系统运行控制方案
  太阳能集热系统采用温差循环、排空防冻的工作方式;系统的供热采用二次交换、动态定温循环的方式进行;
  A、系统循环泵控制:采用温差控制。采集太阳能集热器温度T1和热媒水回水温度T2,当T1>T2且达到设定温差时,循环泵开启。在循环加热过程中,当T1和T2温差小于等于设定温度时,太阳能加热循环泵关闭停止循环加热,直到温差再次达到一定温度时,继续循环加热。
  B、北方地区防冻控制:系统的防冻方式建议采用排空等可靠的防冻方式,经济、可靠,且不存在系统的能耗。
  C、系统供水泵根据平衡水箱的温度进行控制;当平衡水箱温度高于设定值时,系统水泵循环,通过二次换热的方式将热量交换至各户内储水箱进行储存;当平衡水箱温度低于设定值时,系统水泵停止运行。平衡水箱的供水温度设定值采用动态阶梯调节,根据系统回水温度的变化进行增减,保证太阳能系统效率的最大化。
  D、在各户进水箱管道上安装电磁阀。在距分户水箱最近的主管道上与分户水箱中安装温度传感器,当检测到温差达到设定温差上限时,电磁阀打开,太阳能系统与分户水箱中的水开始换热;当控制器检测到温差达到设定温差下限时,电磁阀关闭,换热过程结束;可有效避免用户水箱中的水与室外管线中的水产生串热现象。
  E、各用户用水时,检查户内储水箱的温度,当温度达到用水要求时,可直接使用;当温度无法达到用水要求时,采用电加热进行辅助加热。辅助加热通过手动启动,当达到一定温度时,辅助加热自动停止。
  3.3.2集热系统的管路热量、压力平衡问题
  (1)集热系统管路的设计应达到各个储水箱的连接"同程",避免发生设备短路问题;
  (2)通过集热管路的管径变化设计,尽量达到热量的均衡分配;
  (3)在管路上设置电磁阀,达到各户独立控制,使太阳能工作在高效区的同时,达到均衡满足各户最低使用要求的性能。
  (4)在高层建筑的集热系统中,集热管路根据情况进行分区或减压处理,避免各个水箱集热管路部分的压力差过大,影响设备的使用。
四、结论
1、中高层住宅太阳能热水系统,从纯粹的技术角度考虑,建议可选用集中集热、分户储热形式。
  2、在28层以下的中高层住宅中,在屋顶进行太阳能集热器的安装,其建设量可以满足整栋建筑的生活热水供应;
  3、在集中式系统中,太阳能水箱及设备间应安装在楼层顶部,达到系统的热损失最小;
  4、辅助能源的选择一般首选用空气源热泵,其次是燃气型辅助加热,以使系统运行费用最低化;
  5、供水系统优化设计中,在保证供水品质及温度的同时,应尽量减少系统的循环量,降低热损及运行成本,一般建议选用变频供水、分层减压、回水循环的形式,供水以不影响末端用户使用的最低温度为准进行供应。

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