太阳能集中供热水系统应用

摘要：随着国民经济的发展，能源和环境问题成为制约我国经济持续快速增长的主要问题之一，新能源的开发和利用成为解决能源问题的重要途径，其中太阳能的开发和利用首当其冲。我国太阳能的开发和利用目前其主要应用集中在太阳能热水系统上。近几年来，集中式太阳能热水系统设计安装已取得了长足的发展，使用也越来越趋于普遍。本文阐述了太阳能集中供热水系存在的问题和优点，结合实例探讨了太阳能集中供热水系统应用。

关键词：太阳能集中供热水问题优点应用

中图分类号：TK511 文献标识码： A 文章编号：

太阳能热水器是当今可再生能源技术领域商业化程度最高，推广应用最普遍的技术之一。欧洲自1985年以来，平均每年新装太阳能集热器面积增长率13.6％，保有量年均增长11.7％，其中德国、希腊、奥地利数量最多，三国太阳能热水器保有量之和占欧共体80％。以色列85％的住宅都安装了太阳能热水器，政府规定楼高27米以下新建筑必须安装太阳热水器；同时为保证产品质量，1982年政府要求产品必须符合SI 标准并具有标识。

经过20 多年的研究、开发和攻关，我国太阳能开发利用取得很大成就，太阳能热水器产业迅速发展，以每年25％～30％的速度快速增长，初步形成了原材料加工、生产制造和销售安装服务相配套的产业化体系。

一、太阳能集中供热水系存在的问题和优点

1、存在的问题

虽然我国太阳热水器发展很快，但由于缺乏统一的设计和规范，仍存在如下问题：

对于大部分已建住宅，由于没有预留管道井，管线只能从卫生间通风道进入户内，这样给热水器管线布置带来很大不便，甚至还限制了它的使用。

由于用户擅自安装，破坏建筑结构，造成屋面损坏、漏雨。

许多太阳能热水器零乱地安装在建筑上，形式各异、颜色不一，影响了建筑的美观。

2、优点

（1）经济效益高

太阳能取之不尽, 用之不竭, 除了设备成本外几乎无需再投入, 具有很好的经济效益。

（2）环保效果好

太阳能集中供热水系是综合节能环保系统, 一次投资, 长期收益, 无污染、无噪音、无废物废气排放, 节能环保愈义重大。

（3）设计科学, 操作简单, 维护方便, 使用寿命长

太阳能集中供热水系统采用智能化的控制技术, 只要有太阳光, 太阳能集热器就会产生热水, 实现了最大程度地利用太阳能，最少地消耗辅助加热能源；整套系统通过徽电脑控制, 自动运行, 无需人工管理。

（4）恒温供应热水

太阳能集中供热水系统可以设计一个恒温水箱, 保证每天24小时热水水温在设定的温度范围内，实现了用户水龙头即开即热, 且容易调节水温, 方便舒适。

（5）安全可靠

太阳能集中供热水系统有接地、防漏电、防雷、防台风等安全措施, 冷、热水管末端采用全塑料（PPR） 热水管, 作为绝对可靠的电绝缘材料, 绝对安全、万无一失。

二、太阳能集中供热水系统应用

1、集中式太阳能热水系统的工作原理

太阳集热装置（真空管）吸收的太阳能转化成热能 储热容器(水箱等) 控制系统(温感器、水位控制器、电加热、空气源热泵加热、水源热泵加热灯系统元件等) 管道系统 用户配水点

2、太阳能集中供热水系统的布置实例

目前我国高层住宅的屋顶大多是平屋顶，屋面上极少有日照遮挡，但利用率并不高，何不利用这么好的条件布置太阳能装置，集中供应恒温的生活用热水，既不影响建筑外观，又能使每家每户从此抛弃费电费气的洗浴水加热设备。

以一梯两户的十八层中高层住宅为例，36户居民中平均每户每天消耗200KG热水，每天需供热水为7.2t。按每组集热器配有48支1.5m长的真空玻璃集热管测算，在无遮挡的晴天，每组一天能提供50℃以上的热水是：夏季575KG，春秋季为431KG，冬季288KG。按照冬季最不利的日照计算，需25组集热器单元就可以满足需要。每组集热器外形尺寸为3.2×1.75=5.6m2,因有45度的倾角，所以其投影面积为3.2×1.75/√2=3.96m2，如果屋面流水坡度为8度，经计算前后排不遮挡的集热器水平安装间距为0.9m，这样，25组集热器共计需要。而一梯两户的住宅，单元屋顶面积约171m2，扣除电梯塔楼和消防避难面积（其中包括被塔楼遮挡的阴影部分），可供布置太阳能装置的屋面面积至少仍有200m2。安装太阳能集热器绰绰有余。考虑到尽可能多地利用太阳能和减少电加热费用，集热器组数可视屋面条件增加到30组。并依此倒算集热循环水箱的容量约8m3，恒温水箱的容量约3m3。

按照图1图2示意的屋面布置，这套装置对建筑外观不产生什么影响。集热器被屋顶四周的女儿墙遮挡，只有高于屋顶的视线才能看到集热器。集热器支架中可以方便地穿越各种屋面管道。循环水箱体积稍大，可以架在楼梯间顶层的空间里。恒温水箱体积小，在坡屋顶内有足够安放的地方。由于集热循环水箱高于恒温水箱，按设定条件开启连接阀门时，热水不用泵送就会从循环水箱流入恒温水箱。另外，由于恒温水箱和屋顶冷水水箱的出水口标高相差约在3m之内，均按相同的路径同时到达用户的用水点，低区用户经八楼设置的可调式减压阀降压后使用，所以这微乎其微的压差不会影响用户混用冷热水的调节。

图1屋面布置示意图

图2屋面太阳能布置实例图

3、太阳能集中供热水系统的维护

比较麻烦的是大面积布置集热器后给屋面防水层的维修带来困难。如采用耐久性非常好的进口金属保温板做防水层，超过1000元/m2的代价恐怕开发商承受不了。笔者建议在集热器布置范围内采用银白色彩钢板或不锈钢板做屋顶表面的防水层，同时取消集热器的不锈钢反光衬板，这样，既能反光，防水效果又好，还大大提高集热器的抗风能力和建筑的避雷作用。

4、太阳能集中供热水系统的关键工艺分析

太阳能集中供热水系统的工艺流程比较简单。为保证出水温度恒定在55℃以上，就是阴雨天也要有足够的恒温水供应。太阳能集中供热水系统工艺的重点是保证热水供水的稳定性，需要在集热循环水箱和用户总管之间附加一个有电加热装置的恒温水箱或者用空气源热泵、地源热泵作为辅热。

电加热装置由三控的电磁阀控制进水，即当循环水箱的水温超过55℃时（定温控制）和当恒温水箱的水位低于事先设定的低水位时（水位控制），恒温水箱的进水电磁阀打开，在阴雨天则有温控的电加热装置保证出水的恒定温度。为充分利用廉价的谷电，恒温水箱在深夜定时打开进水电磁阀（定时控制），进水至满箱（即高水位）。同样，这时如进水温度不足55℃时，由温控开关启动电加热装置将水升温至55℃，以保证次日清晨的用水量。

应该说明的是，用电热棒进行补充加热，这种传统的方法目前正在逐步被先进的节能技术所替代，如具备国内自主知识产权的热泵热水系统，当环境温度为25℃时，把1t水20℃升温至60℃，耗时约4.5h，耗电9——10kw/h，仅是电热棒耗电量的四分之一。

空气源热泵辅热，通过逆卡诺循环原理，通过压缩机、风机、水侧循环系统等组成，吸收空气当中的热能达到热水循环供应，有效运行范围在（-7-43度），全年的节电效率在1:3:4（60-75%）左右，系统运行稳定、可靠，有效的提供生活热水，有效降低低周围环境温度，清洁环保等，空气当中的能源，取之不尽用之不竭。

地源热泵，地源热泵是一种利用浅层地热资源（也称地能，包括地下水、土壤或地表水等）既可供热又可制冷的高效节能空调设备。地源热泵通过输入少量的高品位能源（如电能），实现由低温位热能向高温位热能转移。地能分别在冬季作为热泵供热的热源和夏季制冷的冷源，即在冬季，把地能中的热量取出来，提高温度后，供给室内采暖；夏季，把室内的热量取出来，释放到地能中去。通常地源热泵消耗1kWh的能量，用户可以得到4kWh以上的热量或冷量。地源热泵运行稳定，可靠、节能、环保。

为保证住户打开笼头尽快就有热水流出，大楼垂直总管内的热水需要循环流动，只须再附加一根与总管平行的小口径回水管，下端和总管连通，上端接入集热器水箱，定时启动循环泵即可。

集热器和屋面管路的防冻是不容忽视的问题，这可用集热器循环泵的温控器和管道加电伴热保温来解决，当水温低于1℃时启动循环泵，集热循环水箱的温水就回流到管路中，防止管路冰冻；电伴热保温设定好启动温度，当管道上的感应器接收到低温信号时，电伴热保温启动。

5、太阳能集中供热水系统的计量

集中供热水必定涉及计量问题，这在技术上并不复杂，在集热循环水箱的进水浮球阀前安装总水表，在用户的用水点前安装小水表，系统所有用电器具的电源均集中由独立安装的分时电表进行计量。物业公司每月或每季公布总水表和电表的读数，依此计算热水总费用，再按照每户的小水表读数计算分摊费用。由于太阳能装置是全自动设备，平时的维护费用也十分有限，物业公司可适当附加一些抄表收款的管理费用即可。

三、太阳能集中供热水系统新工艺展望

太阳能—热泵“三合一”集成技术设备，是综合利用太阳能、空气能、污水能“三合一”的创新技术设备，它包括一个储热水箱和三套系统设备,三者有机结合,互为补充,集中能量进行低温、高温转换，通过水源热泵把水逐级加热到60度左右输送到用户供暖管道末端。夏天通过能量交换，得到7摄氏度至12摄氏度的温度供制冷使用。“三合一”集成技术设备，运用逆卡诺原理,采用定温自动循环技术，调节、控制管道系统内的水温，用电能驱动热泵，通过热泵装置中的构成部件—蒸发器、热泵、冷凝器和膨胀阀，促使工质完成蒸发（吸收空气中的热量）压缩冷凝节流蒸发的热力循环工程。采用智能化自动控制技术，控制水位、水温、水量、太阳能集热及空气能、污水能的辅助加热系统。“三合一”集成技术设备，低污染、低排放、低投资，高节能、高回报，经济效益同比比燃气节省40％，比燃油节省60％，比燃煤节省25％，可替代北方地区传统的燃气、 燃油、燃煤锅炉及大、中型中央空调。“三合一”集成技术设备，可利用屋顶、车库、停车场、旧锅炉房等闲置地方安装，直接与原有管道对接，省时省力省钱。新建建筑提前整体综合设计，可节约大量资金。

结束语

住宅建筑的多样化、太阳能集热器与建筑一体化技术的发展水平、辅助热源的选择、各地气象条件及能源价格差异等因素，令太阳能系统应用形式多样化；同时，系统设计中的储热水箱选择、水温设定、冷热水平衡、热水立管布置等将直接影响系统的节能性与舒适性；不同项目应具体分析、精心设计，方能令太阳能集中热水供应系统发挥最大效益。

参考文献：

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[2] 陈明,曹屹立,于洋.太阳能与集中供热热源联合供热的探讨[J]. 煤气与热力. 2006(08)

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