浅谈集中集热-分户储热太阳能热水系统

浅谈集中集热-分户储热太阳能热水系统
关键词：太阳能热水系统住宅集中-分散式
一、引言
太阳能作为一种无排放、易转换、可重复使用的清洁能源，在各行业内的利用越来越受到关注，太阳能的利用也逐渐成为节能环保的一大主题，因此国内很多地方政府对此出台了强制性文件加以规定。

其中太阳能热水系统是较为普遍、成熟的太阳能利用方式之一，而居住建筑作为热水使用比较频繁、相对集中的场所，设置太阳能热水系统对于节能环保的贡献意义深刻。

本文分析比较了不同太阳能热水系统的选择；并着重对近年来应用比较普遍的集中集热、分户储热式太阳能热水系统进行论述。

二、太阳能热水系统形式的比较
目前常用的太阳能热水系统根据集热、储热及供热系统的不同组合形式可分为：集中集热—集中储热太阳能热水系统、集中集热—分户储热太阳能热水系统（后简称集中-分散式）及分户集热、分户储热太阳能热水系统。

各系统的构成及运行方式《建筑给水排水设计手册》中已有详细的介绍，这里不再阐述。

三类系统的主要优劣以表格形式总结如下：
通过以上不难看出，集中-分散式太阳能热水系统与其他两种系统相比较，在对建筑外形的影响、系统的运行维护、计费管理上都更具优越性，因此被越来越广泛的采用于住宅建筑。

笔者就从以下几方面讨论一下集中-分散式太阳能热水系统的设计。

三、集中-分散式太阳能热水系统设计
3.1集中-分散式太阳能热水系统构成：
集中-分散式太阳能热水系统将太阳能集热器集中、统一规划安装成供热源
向储热水箱提供热媒换热；储水箱、辅助保障系统按终端用户为单位独立设置。

系统一般由太阳能集热器、分户换热水箱、膨胀罐、热媒循环泵、连接集热器和水箱的管路、控制系统和辅助加热系统等组成。

较为典型的系统如下图：
图1集中分散式太阳能热水系统原理图
3.2集热器面积的计算取值及设置：
式中：——直接加热系统集热器总面积
——设计日用热水量
——用水单位数
——水的比热
——热水密度
——热水温度
——冷水温度
——太阳能保证率
——当地集热器采光面上的年平均日太阳辐照量
——集热器的年平均集热效率
——贮水箱和管路的热损失率
1）设计日用热水量的确定
在热水量的确定中，设计者应充分考虑太阳能利用率与一次性投资之间的平衡，规范建议按不高于热水用水定额的中下限取值。

一般情况下，可按照平均
日热水用水量来计算太阳能热水系统所提供的热量，由辅助热源来补充不利情况下的热水量缺口。

考虑到系统本身的已有辅助电加热（一般厂家的储热水箱内均采用辅助电加热系统），而大部分住宅户内同时设有燃气热水器，笔者认为在集热器可设置面积较小的情况下，可适当减少热水量的取值。

2）热水温度的确定
规范中建议住宅热水温度取60℃。

一般情况下，人体皮肤温觉的温度为20℃—47℃之间，当温度在35℃左右，人体皮肤产生温觉；温度超过45℃时，产生热甚至烫的感觉；温度达到47℃时，有烫伤痛感；温度大于50℃时就会烫伤形成水疱；如果60℃接触人体皮肤一分钟，就会造成Ⅲ度烫伤。

考虑到住宅用户的使用习惯，热水多被用来洗澡或清洗物品，直接与人体接触，60℃水温存在一定的安全隐患。

国内使用的太阳能集热器产品大多为太阳能低、中温热利用产品，其产出45℃左右的热水时单位面积集热器的集热效率最高。

如果出水温度设置过高，则要求太阳能集热器运行温度升高、换热时间增长，为了达到并维持设定的水温，必然会增加辅助热源的用量，不利于节能。

因此，对住宅的太阳能热水系统的热水供应温度笔者认为可适当降低，可按45~55℃范围内。

3）冷水温度的确定
集热器面积计算的公式中，集热器平均集热效率和平均日太阳辐照量的设计参数均为年平均值。

所以，冷水温度（水的初始温度）也应为年平均温度。

可参照各地年平均水温相关数据。

4）集热器及热媒管道的设置：
集热器通常集中设置于屋面，设计中应与建筑专业充分协调，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，并尽量考虑建筑的美观。

设置集热器的屋面应设计有人孔，便于安装、维护。

热媒循环管作为公共管道不得设于住宅户内，应考虑管道的保温措施，寒冷地区冬季如果系统停用需考虑放空热媒管道（如未采用防冻液作为热媒）。

3.3分户换热水箱的设计
分户换热水箱设计的内容包括水箱的容积、水箱内换热盘管的材质和换热面积、水箱的辅助加热方式、以及水箱的安装位置等。

水箱的容积应满足贮存住户一天的热水用量，即设计人数乘以热水设计定额。

住宅设计人数应根据建筑的类型、套型模式、建筑面积等确定。

对于大多数中小型住宅建筑建议按不超过3人/户计，户型面积比较大的人数可适当放大。

设计中应注意每日热水用量对应集热器计算时热水温度、用水定额的取值。

水箱内与太阳能热媒交换热量的盘管一般采用铜盘管，因为铜盘管的传热系
数较钢盘管高，相同条件下换热效率更高。

换热面积的计算与普通容积式水加热器相同，根据设计供热量、传热系数和计算温度差等确定。

水箱辅助加热一般均采用内置式电加热器，根据用户要求，可设计为手动加热或根据水温自动加热两种模式。

分户水箱一般可安装在阳台上或室内（卫生间面积较富余的情况下），靠近户内热水用量较大的位置，立式落地安装或者水平挂式安装。

水箱上应安装控制面板，内置控制系统。

具有温差循环、过热保护、压力限定等功能，应易于用户控制。

在每户水箱前的太阳能热媒管道上安装有阀门、止回阀、电磁阀、过滤器、温度计、压力表等附件，保障用户的安全使用。

3.4热媒介质的选择
太阳能集热器和管道中热媒介质可以是防冻液、去离子水、纯净水、自来水等，设计时根据投资的高低和运行维护的要求可以选择不用的介质。

前三种介质的换热效率较高，但是初次投资和运行的费用都要比自来水要高。

常用的防冻液主要为乙二醇溶液，其他可选用的还包括氯化钙、乙醇（酒精）、甲醇、醋酸钾等，由于防冻液通常带有腐蚀性，因此系统采用的热交换器需要采用双层结构以免污染生活热水或生活热水进入防冻液对防冻液的功能产生影响，防冻液根据生产商要求应定期更换，没有具体要求时最多5年必须进行更换。

目前，大多数太阳能厂家都采用自来水作为介质，具有成本低，维护方便、使用安全的特点，缺点是换热效率相对较低。

3.5系统的安全运行和控制
集中-分散式太阳能热水系统中应设置：排气装置、泄水装置、自动温度调节装置、温度计、压力表、安全阀、膨胀水罐等附件，以保证系统的安全运行。

上行下给式系统的配水干管最高处及向上抬高的管段应设自动排气阀，阀下设检修用阀门。

当集热系统中充注防冻液时，集热系统管路和设备应采用手动排气装置，不宜使用自动排气阀；在热水管道系统的最低点及向下凹的管段应设泄水装置或利用最低配水点泄水；水加热设备的热媒管道上均应安装温度自动调节装置；水加热设备、热水热媒的供回水干管上应装温度计；密闭系统中的水加热器、贮水器、热水加压泵、循环水泵的出水管上应装压力表；闭式热水系统应设压力式膨胀罐和安全阀。

太阳能热水系统的安全控制有定温控制、温差控制、防冻控制、过热控制等。

定温控制和温差控制是指通过温度或温差作为驱动信号来控制系统阀门的启闭和泵的启停；太阳能热水系统在冬季温度可能低于0℃的地区使用时，需要考虑防冻问题。

开始执行防冻措施的温度一般取3~4℃；太阳能热水系统过热产生的原因很多，可能导致水箱过热或集热系统过热，当采用防冻液系统时，集热系统中防冻液的温度高于115℃后防冻液具有强烈腐蚀性，对系统部件会造成损坏。

过热防护系统一般由过热温度传感器和相关的控制器和执行器组成。

当水箱发生
过热时，不允许集热系统采集的热量进入水箱，避免供热系统水的过热，避免对用户造成烫伤等安全事故。

当集热系统发生过热时，由集热系统中的工质沸腾或采取其他措施散热。

四、结语
太阳能作为建筑中可再生能源应用的主题，已经得到了越来越多的认可与关注。

在我国，由于土地资源有限，高层住宅已成为大中城市建设的主要住宅建筑类型。

而早年普遍采用的分户集热、分户储热太阳能给水系统面对高层住宅已很难适应，集中集热、分户储热系统在住宅设计中可能成为主流的太阳能热水解决方案，因此笔者总结以上设计心得。