太阳能热水器解冻功能 [集体宿舍工程太阳能热水系统设计]
时间：2019-05-27 03:31:22 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
摘要：本文结合工程设计实例，介绍集体宿舍建筑的太阳能热水系统设计运行思路。 关键词：集体宿舍太阳能热水系统设计与运行 Abstract: In this paper,combined with engineering example, introducing solar hot water system design and operation of the dormitory building.
Key Words: dormitory building; solar hot water systems; design and operation
中图分类号：S611文献标识码：A 文章编号：
太阳能作为最清洁的新型能源在各领域应用日益广泛。《可再生能源中长期规划》中明确要求在城市推广普及太阳能一体化建筑、太阳能集中供热工程，并建设太阳能采暖示范工程。在居住建筑中推广应用太阳能热水系统是实现建筑节能的重要举措，近年来随着相关政策措施的推行和太阳能热利用技术的进步, 太阳能热水系统在居住建筑上的应用日益增多，有力地促进了城市节能减排工作的发展。随着太阳能热水器产品的不断改进和创新，太阳、热水、建筑结合的一体化技术将日益成熟。集体宿舍工程设计中应用太阳能与辅媒相结合的热水供应系统具有更加显著的节能效果，完全符合当前全社会大力呼吁的节能减排的要求。
1. 工程概况
工程位于甘肃省兰州市，为集体宿舍建设工程，建筑面积为7461.98m2，建筑高度为23.85m；屋顶为坡屋面，起坡角度21.57°，建筑朝向正南。拟利用朝南面坡屋面布置太阳能集热器，将集取的热量作为该宿舍工程内集中设置的盥洗室、淋浴间热水热源。冬季采暖期内以采暖热媒作为辅助能源与太阳能系统的组合运行供热。
2. 太阳能热水系统设计
太阳能热水系统设计包括集热系统、控制系统和热水供水系统。
2.1 太阳能集热系统
2.1.1 设计日用水量qrd 确定
本工程热水量按Ⅲ类、Ⅳ类宿舍建筑取值60L/（人•d），系统设计日热水(水温为60°C)用水量为：
2.1.2 集热器总采光面积确定
本工程选用真空太阳能集热器，每块集热器面积为5.4m2。采用直接制备供给热水方式，系统的集热面积根据系统的日平均用水量和用水温度计算确定，其集热器需总面积AC ：
=280m2
兰州地区的太阳能保证率值取50%，水的比热C=4178J/(kg•°C), 60°C热水比热取值0.9832kg/L，集热器的年平均日太阳辐射量取JT=15MJ/(m2•d)，本工程选用的真空集热器年平均集热效率为 ，系统热损耗 。
经计算需要n=280/5.4=52组集热器。
2.1.3 太阳集热器布置安装
工程太阳能集热器采用平行二列安装于建筑正南面坡屋面。安装倾角应等于当地纬度角（建筑所在地区纬度为北纬36.01°），因系统侧重于夏季使用，其倾角宜取当地纬度角减10°（即是26.01°），兼顾屋面形式及美观要求，本工程设计集热器与坡屋面平行安装，倾角为21.57°。
图1集热器沿屋顶坡面布置示意图
集热器做混凝土基础固定于楼顶，集热器安装完毕后采用φ6钢丝绳与建筑固定。根据夏季工况，本工程选择集热水箱容积为20立方米HDG水箱。集热方式利用太阳能集热器与水箱之间的温差进行循环。
2.2 太阳能热水控制系统
系统采用自动控制和手动控制相结合的设计思路，实现太阳能系统的稳定运行。控制系统以太阳能为热源，加热位于屋顶集热器中的水。被加热水升温后通过循环阀进入太阳能水箱，定时加压向宿舍供应热水，平时为重力自流供水。系统以自动控制模式判断各控制点的工作状态，也可根据需要由工作人员通过主端的操着控制面板完成人与系统的交互。位于控制面板上的显示屏实时显示系统的工作情况及各项参数数据，供现场操作人员参考。控制面板预留USB接口，可利用数据线连接电脑进行远程操作。集热器采用自动温差控制器，利用温度传感器控制循环泵的起（动）停（止）。集热系统选择自来水为工质，考虑防冻问题，设定了系统防冻循环参数以控制起停防冻循环泵。太阳能水箱补水采用自动检测控制器，系统以自动控制模式判断水箱内水位5个控制点的工作状态，根据设定参数控制进水阀的启闭。主控制端为控制箱，各受控对象点即为数据采集端。系统采用单片机W77E58作为主端和从端的微处理器，由于去除了多余的时钟和存储周期，大大提高了控制系统的运行速度，提高了控制精度。
2.3 太阳能热水供水系统
工程设计热水用水点主要集中在公共卫生间，盥洗室和淋浴房处。各层热水用水设备布置位置基本相同。因此，热水供水管路采用开式上行下给全循环系统。热水供水管从太阳能水箱引出后，分三个支路（R-1,R-2,R-3）向各供水区供水。根据热水管所带的用水器具给水当量确定管径。各支路热水用水干管末端支管前接热水回水管（RH-1,RH-2,RH-3）。由于各区热水干管与热水回水管平行相邻布置，回水管管径与干管末端管径一致。太阳能集热温差循环管路、热水供水管路所使用的管材管件全部为热镀锌管，配套热镀锌管件，丝扣连接或沟槽连接。
3. 系统运行
本工程太阳能热水系统采用手动控制和自动控制相结合的方式，实现全系统的安全稳定运行。
图2太阳能系统控制图
3.1 太阳能集热系统采用温差控制循环运行
在太阳能水箱内和每一集热器分系统上均设置温度传感器，当集热器温度T1与太阳能水箱中的水温T2温差≥5℃时，集热循环泵P1启动，通过集热器加热后的热水进入储水箱；当集热器温度T1高于95℃，且仅高于水箱温度2～10℃范围内时，集热循环泵P1每循环10min停20min（防空晒炸管）；当集热器系统水温T1\T3与储热水箱温度T2温差≤2℃时，循环泵P1关闭；集热系统停止运行，防止温度低于T2的水进入水箱，以免阴雨天、雪天、夜晚造成热损失。
3.2 太阳能水箱补水自动检测控制运行
传统水箱的补水通过设置高低水位控制器，信号控制供水管路上电磁阀的启闭。当水箱水位下降到设定的低水位时，信号控制电磁阀开启补水；补水达到高水位时电磁阀关闭。本工程采用水位自动检测控制系统，实现太阳能水箱自动补水：一是定时补水。自动检测控制系统可设定时间，每天到达设定的时间段自动检测水箱内水位（一天最多可设定4次），水位未满则上水至设定的最高水位后停止；二是温控进水。自动检测控制系统实时对水箱内水温进行检测，当水箱温度超过水箱设置温度5℃且低于最高水位时，自动进水至最高水位或达到设定温度停止后停止补水；三是无水补水。当检测到水箱中的水位为最低水位时，自动补水至最高水位后停止。
3.3 系统的防冻运行
集热系统的防冻运行。一般集热系统运行介质选择为防冻液，可以不考虑冬季的防冻问题，但存在二次换热降低了集热效率，一次建设成本高，维护保养不方便等问题。本工程设计中选择循环水作为集热运行介质，大大提高了集热效率，且降低了一次建设成本，便于维护管理。不足之处是需考虑冬季防冻问题。本设计中采用热水回水循环防冻运行，冬季当集热管路T3中温度低于5℃，集热循环泵P1开启进行循环，水箱中的热水通过循环泵流向集热器，与集热器进行换热，当集热器管路内水温升高至10℃时，系统控制关闭循环泵，以防止循环管路冻堵。
水箱防冻运行。水箱防冻通过箱内水与辅热换热实现。当太阳能水箱温度T2低于5℃时，辅助热源循环泵P3启动，通过板换将采暖管网热量换入水箱，当水箱水温T2升高至10℃时，系统控制关闭泵P3。
3.4 供水管路运行
本工程热水供水系统采用开式上行下给全循环系统。热水供水采用落差供水+定时增压+管道循环相结合的模式，在设定时间段内（可调，如17:00-22:00），启动热水循环泵P2，对热水供水管网进行定时增压；当室内回水管路温度传感器T4低于设定温度（35℃可调）时，热水回水电磁阀DCF2启动，形成循环管路，当T4达到设定温度（45℃可调）时，DCF2关闭。在设定时间段外，靠自然落差供应热水。
3.5 采暖期内辅助能源与太阳能系统的组合运行
冬季采暖期太阳能热源不足时，由采暖管网辅热供热。采暖期内，在设定用水时间点前2个小时内（可调），当水箱水温T2≤40℃时，辅助热源循环泵P3启动，通过板式换热器将采暖管网热量转移至水箱内，当水箱水温T2≥45℃时，泵P3停止。
图3 冬季采暖管辅助换热接管图
4. 结束语
宿舍建筑热水供应点集中，管路布置简便，水力条件好。太阳能热水系统应用于宿舍建筑内热水供应系统可提高建筑内部环境的舒适度，节能环保。
参考文献：
[1]《民用建筑太阳能热水系统应用技术规范》（GB 50364-2005）
[2]《太阳能热水系统设计、安装及工程验收技术规范》（GB/T18713-2002）
[3]《建筑给水排水设计规范》（GB50015-2003）
[4]《真空管太阳集热器》（GB/T17581-2007）
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
