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摘要：本文以天津頂秀欣園小區(qū)項目和北京美立方小區(qū)項目為例，介紹了這兩套太陽能集中-分散供熱水系統(tǒng)的基本組成、運行原理、結構特點及運行性能，從而說明它們在高層住宅中應用時所具有的使用經(jīng)濟、管理便捷、利益均衡、安全可靠、建筑協(xié)調(diào)等諸多優(yōu)點。

關鍵詞：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用戶所需熱水的系統(tǒng)。我國大中型城市大多以高層住宅為主，針對這種特點，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天津頂秀欣園項目

天津頂秀欣園經(jīng)濟適用房項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 個居住團，共有26 棟樓，住戶2424 戶。其中，西側和北側為8棟20層，南側為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年建成并投入運行。該系統(tǒng)采用北京市太陽能研究所集團有限公司研制、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)構成

整個系統(tǒng)包括32 個子系統(tǒng)。每個子系統(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，每戶安裝一臺換熱式水箱，每個子系統(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，儲熱水箱、太陽能循環(huán)泵安裝在樓頂設備層內(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)，通過立管與儲熱水箱連接，構成換熱回路。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)實際情況調(diào)節(jié)運行參數(shù)，以達到最佳的運行效果。

 

圖3 天津頂秀欣園太陽能熱水系統(tǒng)運行原理圖

對于集熱循環(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)控制器的運行參數(shù)，以降低循環(huán)溫差來防止過熱問題。

對于供熱循環(huán)系統(tǒng)，需要在每個用戶換熱水箱中都配備一個1.5kW 水電隔離的電加熱器，當太陽能提供的熱量不足以滿足用戶需求時，用戶可以自行對換熱水箱進行補熱。

2.3系統(tǒng)供熱均勻性測試

根據(jù)對中高層建筑太陽能熱水系統(tǒng)供水回路水力計算，表明建筑中間層的流動阻力較大。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）進行了測試，其結果如圖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（時間：2009.10.14）

3北京美立方小區(qū)項目

3.1項目概況

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?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)整個太陽能熱水系統(tǒng)包括5套獨立的子系統(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)原理運行；在冬季夜間將循環(huán)管路中的水排入緩沖水箱，以達到防凍目的；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結構特點

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)點之外，還有兩個顯著的特點：

（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：

1. 啟動快（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（采用高強度的硼硅玻璃）；

4. 保溫性能好（熱管具有“熱二極管效應”）；

5. 承壓能力強（采用金屬吸熱體）；

6. 耐熱沖擊性能好（采用金屬吸熱體）；

7. 運行安全可靠（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)國家太陽能熱水器質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心（北京）檢測，熱管式真空管集熱器的瞬時效率曲線（基于集熱器采光面積、工質(zhì)進口溫度）為：

 

用戶換熱水箱是集中-分散供熱水系統(tǒng)的關鍵部件，帶翅片套筒式搪瓷內(nèi)膽換熱水箱結構如圖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，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，以確保全天候供應熱水。

為了滿足兩居室和三居室用戶的不同需求，設計了容積分別為60L 和80L 兩種換熱水箱。

3.4運行性能測試

2012年2月16日至2月20日，對美立方小區(qū)中的一套太陽能熱水系統(tǒng)進行了連續(xù)五天的測試，內(nèi)容包括系統(tǒng)的集熱性能和供熱性能。集熱性能主要測量了太陽能集熱系統(tǒng)的日平均效率。每天從早晨9 點到下午5 點，分別測量了全天的系統(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，并同時測量了當天的室外最高氣溫和最低氣溫，測試結果如表1所示。

供熱性能主要測量了各用戶放水時的小時平均得熱量。以2月17日晴天為例，在下午5點時，對低層（第2 層的兩戶）、中層（第9層的一戶）、高層（第16層的兩戶）的五個用戶水箱，分別測量了它們的小時平均得熱量，并同時測量了各戶水箱內(nèi)的最高溫度，測試結果如表2所示。

由表1和表2的測試結果可見，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，滿足設計要求。（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結語

天津頂秀欣園和北京美立方小區(qū)兩個項目再次說明，在城市高層住宅中應用太陽能集中- 分散供熱水系統(tǒng)，具有如下多項明顯優(yōu)點：

 

 

（1）使用經(jīng)濟性。用戶無須支付太陽能產(chǎn)生的熱量費用，僅須支付循環(huán)水泵的電費，公攤費用低，只在太陽輻照不足時才需支付自家消耗的電費；

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

（3）利益均衡性。在城市建設用地緊張的情況下，可最大限度地實現(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)整體運行平穩(wěn)，使用壽命長；

（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，與各戶實際日照條件無直接關系，真正實現(xiàn)“建筑一體化”的理念。

參考文獻

1 中華人民共和國國家標準GB 50364-2005，民用建筑太陽能熱水系統(tǒng)應用技術規(guī)范，北京：中國建筑工業(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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