集分式太阳能热水系统分析

集分式太阳能热水系统分析

前言

集中集热-分户换热系统是近几年来广泛应用于太阳能集中供热水工程项目的系统形式之一，这种系统是不同于以往太阳能热水系统的一种新的应用形式。

集中集热-分户换热系统最早出现是在2007年，由北京市太阳能研究所集团有限公司提出，其原理是借鉴了阳台壁挂式太阳能热水器的储热水箱设计思想，整体系统构想是应天津市建委的要求，响应当时天津市政府民心工程的设计理念，与天津市建筑设计院共同研究并设计推出的一套太阳能与多层、中高层民用建筑领域结合的系统形式。

“集中集热-分户供热”主要解决了太阳能热水系统对于高层、小高层建筑收费难的问题，同时，在体现公平、合理使用太阳能的原则下，彰显了“能量免费”和“使用者付费”的设计理念，因此，该系统一经推出，短短几年就占据了民用建筑太阳能应用领域的绝大部分市场，甚至在行业内形成了这样一种趋势——能够设计“集中集热-分户供热”系统的太阳能公司方能被太阳能行业专业人士认可。

诚然，“集中集热-分户供热”太阳能系统由于其系统优势——解决了收费问题，使其更容易被房地产开发商和用户接受，但“集中集热-分户供热”太阳能热水系统目前也有其难以解决的问题，本文将一并提出，希望行业内外有关人士能建言献策，将“集中集热-分户供热”太阳能热水系统不断完善使之发扬光大。

集中集热-分户供热系统详解

“集中集热-分户供热”太阳能热水系统容易与“集中-分散供热水系统”相混淆，对照《民用建筑太阳能设计规范》GB50364-2005相关条款的规定，集中-分散供热水系统是不适合高层或小高层运用的。

表1-1 太阳能热水系统设计选用表（摘自GB50365-2005表4.2.6）

表一：太阳能热水系统设计选用表

针对此问题，作为《民用建筑太阳能设计规范》GB50364-2005国家标准的主要起草人之一，北京市太阳能研究所学术委员会主任、国家新能源工程技术研究中心副主任何梓年老师给出了两点解释：

1、规范所设定的不适用是在编订时的技术条件下制定的，受当时条件所限，并没有涵盖所有的系统形式；

2、规范所规定的是指供热水系统，而“集中集热-分户供热”系统供应的是热量而非热水，因此并没有违背国家标准的规定。

为了与规范中的系统区分开来，何老师将该系统命名为为“集中集热-分户供热”系统，简称“集分系统”，虽然现在行业内有各种不同的名称如：“集中集热-分户储热”、“集中集热-分户储热供热”等等，其本质还是“集分式系统”，设计思路和理念并没有变化。

“集分式系统”的设计主要考虑了几个方面：

1、集中集热——将足够供应整个建筑或系统的太阳能集热器集中布置，集热器所得的热量统一收集，统一分配，这样就使得用户所得到热量不再受日照条件、楼层高低等客观条件的限制，从而确保最大收益、合理分配、减少能源浪费。

2、分户供热——指的是将集热器收集的热量公平的分配给每个用户，每个住户得到等额的热量，并且降低住户的费用支出，除去合理的运行公摊支出外，不再为热量付费。

从以上介绍可以看出，“集分式系统”是由两个独立的循环系统组成，“集中集热”是指太阳能循环集热系统，通常都设计有储热水箱、循环水泵、循环管路和控制系统等几个部件，这和以往的太阳能热水系统组成部件一样，采用的温差循环原理也一样，稍有不同的只是储热水箱的容积要远小于以往的系统。

许多设计人员认为“集分式系统”的储热水箱设计容量小是为了使得储热水箱得到的水温大幅升高，从而提高分户换热的换热能力。其实，在北京市太阳能研究所集团有限公司最初设计“集分式系统”时，并没有将这个水箱定义为储热水箱，而是定义为“落水水箱”，其主要功能是为了解决北方冬季集热器的防冻问题，因为“集分式系统”除了循环水泵等必要的用电必须分摊外，降低常规能源的消耗来降低住户的花费也是设计目的之一。

既然“集分式系统”的水箱是为了解决冬季防冻而设置，因此，设计容量是依据集热器和循环管路所容纳的最多水量而计算出来的，再经过水箱单位容积的性价比对比选型，最终确定为1~2立方米的净容积，现在大多数系统选择的1~2立方米也是参照了当时的设计。

典型的“集分式”太阳能热水系统原理图如下：

图一：典型“集分式”太阳能热水系统原理图

从“集分式”太阳能热水系统设计的基本思路上可以看出，整个系统是由太阳能集热部分和分户换热部分两部分组成。

太阳能集热部分比较传统：就是一个由集热器、循环水泵、储热水箱、循环管路及控制仪表组成的直接开放式循环系统，通常采用的是机械式强制温差循环；分户换热部分是由循环水泵、户内换热水箱及连接管路组成的闭式循环系统，一般为了保证各个水箱的换热效果一致，循环管路设计时遵循了“等径同程”的三管形式，即由一根供水管、两根回水管形成分户换热水箱“并联”的形式，为节省建筑内管井的占用空间，在有条件的住宅楼往往也采用多住户共用一根主回水管式的方式，如下图：

图二：“集分式”太阳能热水系统主回水式原理图

从最近接触的工程项目设计和运行效果来看，储热水箱（或叫落水水箱）的设置并不是唯一可行的设计方案——用板式换热器或容积式换热器取代储热水箱，同时采用防冻液等具有抗冻能力的循环介质来进行集热换热的间接式闭式循环系统也得到的较好应用和推广，采用板式换热器的系统图如下：

图三：“集分式”太阳能热水系统板换式原理图

由上图可见，采用板式换热器或容积式换热器的系统，减少了水箱储热升温的过程，使得集热器获得的热量第一时间就能够用于户内换热水箱的换热，这样的设计有几个优点：

1、减少了储热水箱需要提升水温至一定的温度后才开始户内水箱换热的过程，从每日的换热过程来说，采用换热器的方式延长了户内换热时间，从而使换热效果更优。

2、对于阴雨天或者日照时长低于平均日照时长的日子，采用换热器的方式可以使得有限的热量充分被利用，避免了图一中储热水箱温度未达到换热所需温度导致控制系统无法启动换热水泵，从而使得系统无法将原本可利用的热量传递给用户，造成能源的浪费。

3、从控制系统的原理的设计原理上来看，太阳能集热循环的温差循环也直接带动换热循环，省去了户内换热的温差比较和控制元器件的数量，系统性价比更高，系统安全、稳定性也更好。

4、采用换热器的系统设计可以有效的隔断太阳能循环和户内换热循环两种换热介质，从而使得两种循环可以使用不同的换热介质，这样的设计对于北方四季气候变化比较明显的地区特别重要。例如在天津，采用换热器的系统，太阳能循环一侧采用防冻液循环，保证冬季防冻效果；而户内换热一侧采用水循环，避免了循环介质泄漏造成的环境污染和对人身健康的威胁。

“集中集热-分户供热”太阳能热水系统的理论计算

太阳能集热部分设计计算，见GB50364中直接系统的公式：