張昌瑞

安徽省建筑設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司 安徽 合肥 230000

引言

公共建筑主要包括商場寫字樓、政府部門、酒店等商業(yè)建筑、辦公建筑和旅游建筑，為了進(jìn)一步落實(shí)創(chuàng)新、綠色、協(xié)調(diào)、開放、共享的發(fā)展理念，需要在建筑工程中設(shè)計(jì)和應(yīng)用太陽能熱水系統(tǒng)，由此打造能源節(jié)約和生態(tài)保護(hù)的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)。根據(jù)當(dāng)前的行業(yè)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)要求，所在地年日照時(shí)數(shù)超過1400h、年極端最低氣溫高于零下45℃，適宜將太陽能作為集中生活熱水供應(yīng)系統(tǒng)能源。太陽能是一種不會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染的清潔能源，然而在實(shí)際應(yīng)用中會(huì)受到天氣因素影響，導(dǎo)致太陽能熱水器向建筑內(nèi)部提供生活熱水穩(wěn)定性不足，所以需要繼續(xù)對(duì)公共建筑太陽能熱水系統(tǒng)的應(yīng)用加以分析。

1 公共建筑中太陽能熱水系統(tǒng)

當(dāng)前我國滿足太陽能集熱器應(yīng)用的省市都頒布了相關(guān)政策，倡導(dǎo)把太陽能轉(zhuǎn)換成熱能和加熱水的系統(tǒng)（如圖1），這一系統(tǒng)中包括了太陽能集熱器、控制系統(tǒng)、熱水供應(yīng)系統(tǒng)、注熱水箱、連接管道、輔助能源、配電設(shè)施、防雷設(shè)施。通常情況下，公共建筑中的太陽能熱水系統(tǒng)為集中供熱水、太陽能熱水系統(tǒng)、集熱器的布置、儲(chǔ)熱供水箱以及輔助加熱裝置的合理選擇。具體如下：

圖1 太陽能熱水系統(tǒng)圖示

1.1 太陽能集熱器的類型

1.1.1 真空管型太陽能集熱器。真空集熱器主要包括以下2種類型，對(duì)于全玻璃真空管型集熱器來講，其工作原理是水流過玻璃管的過程中被加熱，具有結(jié)構(gòu)簡單、抗壓、耐熱能力強(qiáng)、價(jià)格合理的特點(diǎn)。金屬玻璃真空管主要是把熱管插入管內(nèi)，水流過時(shí)金屬管被加熱，盡管耐熱、耐壓、抗凍能力好，但是造價(jià)較高[1]。

1.1.2 平板型太陽能集熱器。這種太陽能集熱器的主要特征在于接收太陽輻射然后向傳熱工質(zhì)傳輸熱量，具有結(jié)構(gòu)簡單、抗壓、耐熱能力好的特點(diǎn)，不過抗凍能力偏弱。

1.2 太陽能集熱器的選用

集熱器類型的選擇主要考慮經(jīng)濟(jì)條件、水質(zhì)條件、最低環(huán)境溫度、維護(hù)管理等相關(guān)因素，要點(diǎn)如下：其一，運(yùn)行過程中最低環(huán)境溫度至少達(dá)到0℃，否則不能采用平板型太陽能集熱器；其二，對(duì)于太陽能熱水系統(tǒng)來講，將承壓系統(tǒng)作為熱媒系統(tǒng)，不得利用全玻璃真空管型太陽能集熱器；其三，在建筑外觀和太陽能集熱器結(jié)合程度較好情況下可以應(yīng)用。此外，要求太陽能集熱器使用壽命達(dá)到15年。

1.3 太陽能集熱器布置

其一，太陽能集熱器和建筑專業(yè)進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)要求達(dá)到美觀、實(shí)用、安全、經(jīng)濟(jì)、衛(wèi)生等要求，并且便于后續(xù)的安裝與維護(hù)；其二，在建筑屋頂進(jìn)行太陽能集熱器的設(shè)置過程中不得對(duì)相鄰建筑的光照產(chǎn)生影響；其三，避免周邊相關(guān)設(shè)施對(duì)太陽能集熱器遮擋[2]。

1.4 集熱系統(tǒng)的防凍防過熱安全措施

某市寫字樓屋頂安裝了太陽能集熱器，具體應(yīng)用要點(diǎn)如下：其一，在設(shè)置間接換熱太陽能熱水系統(tǒng)時(shí)將乙二醇和丙三醇加入到循環(huán)工質(zhì)當(dāng)中，由此起到防凍效果，之后結(jié)合氣候條件以及系統(tǒng)防腐蝕性能進(jìn)行工質(zhì)的配比；其二，太陽能熱水系統(tǒng)當(dāng)中的管件、閥門、管材、密封件以及集熱水箱箱體的全部材質(zhì)要求耐溫效果好，可承受150℃的高溫，還要達(dá)到衛(wèi)生要求；其三，在集中供熱熱水太陽能系統(tǒng)當(dāng)中設(shè)置散熱風(fēng)機(jī)，可以把太陽能集熱器運(yùn)行期間的多余熱量通過散熱風(fēng)機(jī)排除，防過熱系統(tǒng)通過啟動(dòng)散熱器當(dāng)中的冷媒循環(huán)散熱達(dá)到冷卻系統(tǒng)熱水的效果，能夠降低水溫，并且對(duì)太陽能熱水系統(tǒng)加以保護(hù)。在太陽能集熱器出口溫度大于90℃的情況下可以自動(dòng)切換為防過熱模式，散熱器啟動(dòng)之后可以降低溫度使出口溫度低于80℃；其四，太陽能集熱器上方設(shè)置了自動(dòng)移動(dòng)式隔熱罩，結(jié)合系統(tǒng)要求加以安裝，可避免系統(tǒng)處于過熱狀態(tài)，不過當(dāng)前市場中還未推出太陽能集熱器隔熱罩的相關(guān)配套產(chǎn)品。

1.5 合理配置儲(chǔ)熱供熱水箱

其一，在集中供熱太陽能熱水系統(tǒng)當(dāng)中，對(duì)冷水供水水質(zhì)的硬度以及冰凍因素都有較高要求，還要分析用戶對(duì)熱水壓力穩(wěn)定性的要求，所以采用了間接加熱太陽能熱水系統(tǒng)；其二，在太陽能熱水系統(tǒng)全天滿足生活熱水供應(yīng)時(shí)，儲(chǔ)熱水箱以及供熱水箱要分開設(shè)置，并且實(shí)現(xiàn)水箱的連接。太陽能集熱器當(dāng)中的熱媒通過換熱器或者換熱盤管媒行換熱，由此達(dá)到預(yù)熱水箱當(dāng)中的存水效果，注熱水箱當(dāng)中的預(yù)熱水源進(jìn)入使得供熱水箱在預(yù)熱水源水溫達(dá)到一定溫度時(shí)滿足人們使用，在預(yù)熱水源溫度未達(dá)到水溫時(shí)啟動(dòng)熱水箱配套輔助加熱裝置；其三，在當(dāng)前的太陽能集中熱水系統(tǒng)應(yīng)用過程中，部分安裝人員將貯熱水箱以及供熱水箱共同安裝，盡管簡化了系統(tǒng)，但還會(huì)影響太陽能集熱器效能的發(fā)揮。比如日出之前為了確保生活用水溫度，輔助加熱裝置將助熱供熱水箱的存水加熱到需要的水溫，而太陽升起之后熱煤無法達(dá)到貯水效果[3]。

1.6 正確選用輔助加熱裝置

其一，太陽能熱水供應(yīng)系統(tǒng)對(duì)輔助熱源的選擇要堅(jiān)持因地制宜的原則，主要包括燃?xì)?、熱泵、燃油、公共建筑?dāng)中不得將直接電加熱當(dāng)作集中熱水供應(yīng)系統(tǒng)的輔助熱源；其二，輔助加熱系統(tǒng)所用的熱源需要結(jié)合當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)能源的種類，并且考慮成本以及環(huán)境影響因素，通過綜合比對(duì)加以選擇；其三，輔助加熱系統(tǒng)選用空氣源熱泵熱水供應(yīng)系統(tǒng)前提是在夏季炎熱、冬季溫暖的區(qū)域，而夏季炎熱、冬季寒冷地區(qū)主要采用燃?xì)鉄崴疇t熱水供應(yīng)系統(tǒng)，相較于普通電制備生活熱水熱效值更高。

2 公共建筑中太陽能熱水系統(tǒng)具體應(yīng)用

2.1 雙貯水裝置的直接加熱系統(tǒng)

2.1.1 系統(tǒng)概述。直接加熱系統(tǒng)借助水泵讓水在太陽能集熱器當(dāng)中直接循環(huán)加熱，可將全玻璃真空管集熱器以及平板集熱器作為直接加熱系統(tǒng)集熱器。通過對(duì)比分析可以發(fā)現(xiàn)，平板集熱器熱損失率較高，并且內(nèi)部金屬通道容易由于污垢而堵塞。相比之下，真空管集熱器保溫性能好，并且對(duì)水質(zhì)要求不高，所以應(yīng)用更多。整體來看，直接加熱系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、熱水加熱效率高、維護(hù)方便、造價(jià)低廉等優(yōu)勢。隨著當(dāng)前建筑對(duì)太陽能應(yīng)用的增多以及人們對(duì)太陽能熱水系統(tǒng)用水舒適度要求的提升，也需要解決直接加熱系統(tǒng)存在的問題，比如開式保溫水箱儲(chǔ)存熱水利用變頻水泵直接供水存在熱水用水末端壓力不穩(wěn)的情況，并且開式保溫水箱連接大氣，一些粉塵與雜質(zhì)可能進(jìn)入保溫水箱，由此影響水質(zhì)[4]。

2.1.2 案例分析。安徽省某市購物中心集商業(yè)、休閑、娛樂為一體，建筑總面積30萬㎡，包括四層綜合宿舍樓，其中一層和二層作為員工餐廳，三層和四層作為員工宿舍。為了確保熱水壓力平衡，在建筑屋頂設(shè)置冷水箱，其中1～2層冷熱水用水可以滿足水箱重力供給，3～4層由于壓力不足設(shè)置了變頻恒壓泵組，選用直接加熱雙水箱熱水系統(tǒng)作為熱水系統(tǒng)。集熱器選用全玻璃真空管型集熱器，每天可滿足熱水最大用量20m3，集熱面積能夠滿足全天用水量，大樓最大小時(shí)熱水量為10m3/h，其中熱水箱1進(jìn)行了注熱量和耗熱量分析，確定容積為10m3，熱水箱2的容積選擇當(dāng)天最高熱水用量扣除熱水箱1容積之后的容量，控制系統(tǒng)原理如下：

其一，集熱循環(huán)采取溫差循環(huán)，也就是集熱器出口溫度熱水箱的溫度大于8℃情況下集熱循環(huán)泵開始啟動(dòng)，在集熱器出口溫度熱水箱溫度低于3℃的情況下集熱循環(huán)泵停止運(yùn)行。在往復(fù)循環(huán)的過程中把熱水箱中的低溫水加熱成為高溫水，熱水箱溫度達(dá)到60℃，即熱循環(huán)泵開始高溫保護(hù)并不再運(yùn)行；其二，其中一個(gè)熱水箱的水位不足設(shè)定水位時(shí)要求打開進(jìn)水電磁閥，冷水開始從太陽能水箱的底部補(bǔ)水，把太陽能水箱頂部的熱水補(bǔ)充到恒溫水箱內(nèi)部，達(dá)到水位后停止補(bǔ)水[5]。系統(tǒng)也可以在兩個(gè)水箱內(nèi)部設(shè)計(jì)水泵，在水箱達(dá)到45℃時(shí)水泵將溫度升高到熱水箱2，由此對(duì)太陽能能源充分利用，不過依舊需要增加壓力泵；其三，為了確保24小時(shí)供水，熱水箱2利用熱泵隨時(shí)加熱，確保熱水使用需求，在太陽能補(bǔ)充的水溫不足情況下開啟熱泵加熱，達(dá)到使用條件后自動(dòng)關(guān)閉熱泵機(jī)組；其四，為了避免極端天氣的影響，在室外溫度不足4℃情況下，太陽能集熱循環(huán)泵自動(dòng)開啟，可以讓熱媒在集熱系統(tǒng)當(dāng)中循環(huán)運(yùn)行。

2.2 承壓集熱器及雙貯水裝置的間接加熱系統(tǒng)

2.2.1 系統(tǒng)概述。對(duì)于間接加熱系統(tǒng)來說，其作為太陽能集熱器加熱傳熱工質(zhì)主要是利用熱交換器加熱滿足使用，在資金允許條件下間接加熱系統(tǒng)利用玻璃金屬管集熱器，也可以應(yīng)用平板集熱器儲(chǔ)熱水箱。儲(chǔ)熱水箱分包括開式和閉式，通常間接加熱系統(tǒng)當(dāng)中主要選用閉式承壓水箱，要求承壓水箱的供水冷熱水壓力相同，由此提升用水舒適性，通過閉式系統(tǒng)還能夠達(dá)到節(jié)能效果。間接加熱方式的效率低于直接加熱系統(tǒng)，具有施工和維護(hù)費(fèi)用高的問題，并且在太陽能資源豐富的地區(qū)間接加熱系統(tǒng)能夠使用至少10年，而直接加熱系統(tǒng)最多能夠正常運(yùn)行5年[6]。

2.2.2 案例分析。安徽省某事市酒店共3層，該酒店對(duì)水質(zhì)、水壓要求較高，其中冷水設(shè)置了變頻給水系統(tǒng)，熱水選擇太陽能集中熱水系統(tǒng)，將熱水鍋爐作為輔助熱源，整個(gè)系統(tǒng)通過間接加熱，雙水箱熱水系統(tǒng)能夠讓太陽能發(fā)揮預(yù)熱效果。利用平板集熱器之后當(dāng)天最高熱水用量可達(dá)到24m3，集熱面積受到屋頂綠化影響只能滿足每天10m3的用水需要，所以容積式換熱器1注熱量按照存儲(chǔ)全天太陽能熱量計(jì)算，另一個(gè)容積式換熱器注熱量設(shè)定為5m3，系統(tǒng)控制原理如下：

其一，集熱循環(huán)采取溫差循環(huán)方法，也就是集熱器出口溫度超過8℃情況下集熱循環(huán)泵開始運(yùn)行，在集熱器出口溫度低于3℃的情況下集熱循環(huán)泵1停止運(yùn)行，容積式換熱器溫度滿足60℃集熱循環(huán)泵也會(huì)停止運(yùn)行，容積式換熱器2溫度不足55℃的情況下提供鍋爐高溫?zé)崴?，在溫度超過60℃的情況下停止太陽能供給[7]。

3 結(jié)束語

綜上所述，公共建筑應(yīng)用集中供熱水太陽能熱水系統(tǒng)過程中需要重點(diǎn)關(guān)注選用布置防過熱安全措施、加熱裝置的選用以及儲(chǔ)熱供熱水水箱問題，在太陽能集中熱水系統(tǒng)全天滿足熱水供應(yīng)的情況下，需要分開設(shè)置供熱水箱以及貯熱水箱。此外，在資金有限、對(duì)用水舒適度要求偏低并且用水相對(duì)穩(wěn)定的地區(qū)，一般選擇太陽能直接加熱系統(tǒng)，如果冷水需要采取變頻泵組供水或者對(duì)用水舒適度偏高的地區(qū)一般選用太陽能間接加熱系統(tǒng)，通過全方位考慮確保太陽能熱水系統(tǒng)的長期、穩(wěn)定運(yùn)行。