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“集分式”太陽能熱水系統之經驗總結
時間:2018-05-09 來源:imsia
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 摘要:“集分式”太陽能熱水系統應用至今,已經具備了一定的市場規模和廣泛的市場發展空間,筆者通過多年的從業經驗,總結該系統的發展歷程、介紹了目前行業中近乎全部典型的系統形式、相關產品和系統設計理念,提出了“集分式”太陽能熱水系統面臨的問題和發展方向,以此拋磚引玉,希望能夠為太陽能事業的發展貢獻一份力量。

  前言

  集中集熱-分戶換熱系統是近幾年來廣泛應用于太陽能集中供熱水工程項目的系統形式之一,這種系統是不同于以往太陽能熱水系統的一種新的應用形式。

  集中集熱-分戶換熱系統最早出現是在2007年,由北京市太陽能研究所集團有限公司提出,其原理是借鑒了陽臺壁掛式太陽能熱水器的儲熱水箱設計思想,整體系統構想是應天津市建委的要求,響應當時天津市政府民心工程的設計理念,與天津市建筑設計院共同研究并設計推出的一套太陽能與多層、中高層民用建筑領域結合的系統形式。

  “集中集熱-分戶供熱”主要解決了太陽能熱水系統對于高層、小高層建筑收費難的問題,同時,在體現公平、合理使用太陽能的原則下,彰顯了“能量免費”和“使用者付費”的設計理念,因此,該系統一經推出,短短幾年就占據了民用建筑太陽能應用領域的絕大部分市場,甚至在行業內形成了這樣一種趨勢——能夠設計“集中集熱-分戶供熱”系統的太陽能公司方能被太陽能行業專業人士認可。

  誠然,“集中集熱-分戶供熱”太陽能系統由于其系統優勢——解決了收費問題,使其更容易被房地產開發商和用戶接受,但“集中集熱-分戶供熱”太陽能熱水系統目前也有其難以解決的問題,本文將一并提出,希望行業內外有關人士能建言獻策,將“集中集熱-分戶供熱”太陽能熱水系統不斷完善使之發揚光大。

  集中集熱-分戶供熱系統詳解

  “集中集熱-分戶供熱”太陽能熱水系統容易與“集中-分散供熱水系統”相混淆,對照《民用建筑太陽能設計規范》GB50364-2005相關條款的規定,集中-分散供熱水系統是不適合高層或小高層運用的。

  表1-1 太陽能熱水系統設計選用表(摘自GB50365-2005表4.2.6)

表一:太陽能熱水系統設計選用表

  針對此問題,作為《民用建筑太陽能設計規范》GB50364-2005國家標準的主要起草人之一,北京市太陽能研究所學術委員會主任、國家新能源工程技術研究中心副主任何梓年老師給出了兩點解釋:

  1、規范所設定的不適用是在編訂時的技術條件下制定的,受當時條件所限,并沒有涵蓋所有的系統形式;

  2、規范所規定的是指供熱水系統,而“集中集熱-分戶供熱”系統供應的是熱量而非熱水,因此并沒有違背國家標準的規定。

  為了與規范中的系統區分開來,何老師將該系統命名為為“集中集熱-分戶供熱”系統,簡稱“集分系統”,雖然現在行業內有各種不同的名稱如: “集中集熱-分戶儲熱”、“集中集熱-分戶儲熱供熱”等等,其本質還是“集分式系統”,設計思路和理念并沒有變化。

  “集分式系統”的設計主要考慮了幾個方面:

  1、集中集熱——將足夠供應整個建筑或系統的太陽能集熱器集中布置,集熱器所得的熱量統一收集,統一分配,這樣就使得用戶所得到熱量不再受日照條件、樓層高低等客觀條件的限制,從而確保最大收益、合理分配、減少能源浪費。

  2、分戶供熱——指的是將集熱器收集的熱量公平的分配給每個用戶,每個住戶得到等額的熱量,并且降低住戶的費用支出,除去合理的運行公攤支出外,不再為熱量付費。

  從以上介紹可以看出,“集分式系統”是由兩個獨立的循環系統組成,“集中集熱”是指太陽能循環集熱系統,通常都設計有儲熱水箱、循環水泵、循環管路和控制系統等幾個部件,這和以往的太陽能熱水系統組成部件一樣,采用的溫差循環原理也一樣,稍有不同的只是儲熱水箱的容積要遠小于以往的系統。

  許多設計人員認為“集分式系統”的儲熱水箱設計容量小是為了使得儲熱水箱得到的水溫大幅升高,從而提高分戶換熱的換熱能力。其實,在北京市太陽能研究所集團有限公司最初設計“集分式系統”時,并沒有將這個水箱定義為儲熱水箱,而是定義為“落水水箱”,其主要功能是為了解決北方冬季集熱器的防凍問題,因為“集分式系統”除了循環水泵等必要的用電必須分攤外,降低常規能源的消耗來降低住戶的花費也是設計目的之一。

  既然“集分式系統”的水箱是為了解決冬季防凍而設置,因此,設計容量是依據集熱器和循環管路所容納的最多水量而計算出來的,再經過水箱單位容積的性價比對比選型,最終確定為1~2立方米的凈容積,現在大多數系統選擇的1~2立方米也是參照了當時的設計。

  典型的“集分式”太陽能熱水系統原理圖如下:


圖一:典型“集分式”太陽能熱水系統原理圖

  從“集分式”太陽能熱水系統設計的基本思路上可以看出,整個系統是由太陽能集熱部分和分戶換熱部分兩部分組成。

  太陽能集熱部分比較傳統:就是一個由集熱器、循環水泵、儲熱水箱、循環管路及控制儀表組成的直接開放式循環系統,通常采用的是機械式強制溫差循環;分戶換熱部分是由循環水泵、戶內換熱水箱及連接管路組成的閉式循環系統,一般為了保證各個水箱的換熱效果一致,循環管路設計時遵循了“等徑同程”的三管形式,即由一根供水管、兩根回水管形成分戶換熱水箱“并聯”的形式,為節省建筑內管井的占用空間,在有條件的住宅樓往往也采用多住戶共用一根主回水管式的方式,如下圖:


圖二:“集分式”太陽能熱水系統主回水式原理圖

  從最近接觸的工程項目設計和運行效果來看,儲熱水箱(或叫落水水箱)的設置并不是唯一可行的設計方案——用板式換熱器或容積式換熱器取代儲熱水箱,同時采用防凍液等具有抗凍能力的循環介質來進行集熱換熱的間接式閉式循環系統也得到的較好應用和推廣,采用板式換熱器的系統圖如下:


圖三:“集分式”太陽能熱水系統板換式原理圖

  由上圖可見,采用板式換熱器或容積式換熱器的系統,減少了水箱儲熱升溫的過程,使得集熱器獲得的熱量第一時間就能夠用于戶內換熱水箱的換熱,這樣的設計有幾個優點:

  1、減少了儲熱水箱需要提升水溫至一定的溫度后才開始戶內水箱換熱的過程,從每日的換熱過程來說,采用換熱器的方式延長了戶內換熱時間,從而使換熱效果更優。

  2、對于陰雨天或者日照時長低于平均日照時長的日子,采用換熱器的方式可以使得有限的熱量充分被利用,避免了圖一中儲熱水箱溫度未達到換熱所需溫度導致控制系統無法啟動換熱水泵,從而使得系統無法將原本可利用的熱量傳遞給用戶,造成能源的浪費。

  3、從控制系統的原理的設計原理上來看,太陽能集熱循環的溫差循環也直接帶動換熱循環,省去了戶內換熱的溫差比較和控制元器件的數量,系統性價比更高,系統安全、穩定性也更好。

  4、采用換熱器的系統設計可以有效的隔斷太陽能循環和戶內換熱循環兩種換熱介質,從而使得兩種循環可以使用不同的換熱介質,這樣的設計對于北方四季氣候變化比較明顯的地區特別重要。例如在天津,采用換熱器的系統,太陽能循環一側采用防凍液循環,保證冬季防凍效果;而戶內換熱一側采用水循環,避免了循環介質泄漏造成的環境污染和對人身健康的威脅。

  “集中集熱-分戶供熱”太陽能熱水系統的理論計算

  太陽能集熱部分設計計算,見GB50364中直接系統的公式:

  具體各個參數的取值,這里不再繁述,需要注意的是:

  1.日均用水量,通常計算都以戶內換熱水箱的總容積作為日均用水量來考慮,但是對于儲熱水(或落水水箱)而言,儲熱水箱內的水雖然沒有被用掉,但是這些水每日都被提升加熱,而且在系統完成每日的循環換熱后仍有很大一部分熱量無法釋放出去,設計計算時必須考慮該部分水量,否則會造成系統實際效果明顯低于設計效果。

  2.貯水箱和管路的熱損失率取值,對于“集散式”這種大系統,循環管路要遠遠大于一般的太陽能系統,因此,系統熱損失率應該考慮按照最大值計取,取值過低會造成系統達不到設計要求。

  分戶換熱部分的計算可以依據GB50364中間接加熱系統的太陽能集熱器面積的計算公式計算:

  間接加熱系統的計算公式對于儲熱水箱的系統可以套用,但是對于換熱器形式的系統的計算就明顯不適合,這是因為間接加熱系統的計算只適合二次換熱系統,而采用換熱器的太陽能熱水“集分式”系統屬于三次換熱系統,即太陽能至換熱器為一次換熱,換熱器至戶內水箱為二次換熱,戶內換熱水箱至自來水為三次換熱,這三次換熱過程的結果通過間接系統的一次計算很難保證其結果更準確有效。

  雖然GB50364所給出的這個公式并不適用于“集分式”系統,其中的參數也不是完全適合“集分式”系統,但目前沒有更加適合的標準規范和相關公式,行業內暫時依據這個公式作為參考。在此也希望更多的太陽能從業人員能參與“集分式”系統的探討、研究,更早的提出合適的理論計算方法。

  “集中集熱-分戶供熱”系統的適用范圍

  “集分式系統”適用的范圍主要是針對高層、小高層的建筑,根據建筑結構的劃分規范規定:1~3層為低層(習慣上1層住宅建筑叫平房,2~3層的稱為低層住宅)、4~6層為多層、7~9層為中高層(習慣上4~7層稱為多層住宅;8~11層稱為小高層住宅)、10層及以上為高層(通常12層以上才稱為高層住宅)、總高度為100米以上為超高層。如果建筑層高為3米/層來計算話,超高層建筑的層數在33層以上。

  從目前房地產開發商所推廣的項目層數上來看,6-30層的住宅項目居多,1~5層的項目基本集中在別墅、聯排洋房等相對高檔的住宅,對于這些項目,一般建議選擇家用太陽能熱水器或分體式太陽能熱水器,而“集分式”太陽能系統重點解決的是6-30層住宅項目使用太陽能熱水系統的問題。

  6層以下的多層普通住宅建筑,選擇家用單體太陽能熱水器(包括陽臺壁掛式太陽能熱水器)更加適合。對于6層以上9層以下的住宅項目,“集分式”太陽能熱水系統常常因性價比不合適而被開發商拒絕,在這里推薦一種“集散式”太陽能熱水系統—— “集散式”太陽能熱水系統是將太陽能換熱水箱串聯在太陽能循環系統的回水管路上而組成的單組水泵循環系統,如下圖:


圖四:“集散式”太陽能熱水系統原理圖

  “集散式”太陽能熱水系統是一次循環系統,其與“集分式”系統最大的不同就是其儲熱水箱、循環水泵等系統組件是設置在建筑的低層或底層,“集散式”太陽能熱水系統由一組水泵完成集熱循環和換熱循環的前提條件就是兩個循環循環系統的流量和揚程要基本一致。

  首先計算兩個循環的流量:假定“集散式”太陽能熱水系統的集熱面積為每戶1.75平米,可以計算出太陽能集熱器所需要的循環流量;而戶內換熱水箱的換熱循環流量通過實驗得出最佳的換熱流量為100L/h,按此數據計算出戶內換熱水箱所需要的循環流量,見下表:

表二:“集散式“太陽能熱水系統循環流量計算表

  說明:

  1、太陽能集熱循環流量依據《民用建筑太陽能熱水系統工程技術手冊(第二版)》,(鄭瑞澄主編,化學工業出版社2005出版),真空管太陽能集熱器可以按照0.015~0.02L/(s·m2)進行估算,平板型太陽能集熱器可以按照0.02L/( s·m2)進行估算。

  2、戶內換熱水箱循環流量數據來自北京市太陽能研究所集團有限公司針對本公司產品所做的測試數據得出。

  3、循環水泵的流量以威樂水泵熱水循環泵PH系列額定流量為準。

  從以上計算可以看出,“集散式”太陽能熱水系統如果選擇合適的水泵確實可以滿足集熱循環和換熱循環的要求。

  系統的循環揚程計算:水泵的揚程是和水泵的功率成正比關系,隨著樓層的逐漸升高,滿足同樣的需求的耗能也逐漸上升,通過計算不同層高的“集散式”系統水泵軸功率計算來比較一下戶均耗能功率:

表三:“集散式”太陽能熱水系統戶耗能功率計算表

  說明:

  1.以常見的一梯四戶建筑格局為例,戶內換熱水箱假設為60L/戶,換熱水箱所需要的循環流量統一為100L/h。

  2.循環水泵的軸功率計算公式為:

  式中: N,軸功率,單位是瓦(W);

  Q,流量,單位是立方米每小時(m3/h);

  H,揚程,單位是米(m);

  G,是水泵的效率,固定值(0.6~0.85),,一般流量大的取大值,流量小的取小值;本表取0.7;

  1.水泵功率=軸功率*安全系數(通常取1.1~1.2);

  從以上計算結果可以看出,隨著建筑高度由6層升至17層,戶均耗能由11W升至了30W,假定每日“集散式”太陽能熱水系統運轉6小時可以將60L初始溫度為15℃的冷水加熱到60℃,則得到的熱量為11.34kJ,戶均耗能則由2%升至5.67%,多耗能近乎3倍:


圖五:6-17層“集散式”太陽能系統獲得相同熱量所耗能所占比例

  這里還有一個問題,通過理論計算的水泵選型并不一定能夠選擇到合適的水泵,以威樂PH熱水循環水泵為例,滿足6層一梯四戶的“集散式”系統,可以選擇PH751EH(原型號為PH403EH):額定流量130L/min,額定揚程16米,輸入功率1KW,這時的戶均能耗為41.67W,而同樣的11層建筑,則應該選擇PH2201QH(原型號PH2200Q),額定流量308L/min,額定揚程30米,輸入功率2.8kW,這時的戶均能耗就達到了63.64W,對比理論計算值都有很大程度的升高。


圖六:6-11層“集散式”太陽能系統所所選水泵的能耗對比

  從以上計算可以看出,“集散式”系統在9層以上的住宅建筑單位能耗要遠遠大于9層以下的單位能耗,所以超過9層住宅不宜采用“集散式”太陽能系統。

  “集中集熱-分戶供熱”系統尚存的幾個問題

  “集中集熱-分戶供熱”太陽能熱水系統應用至今,也隨之產生了很多相關的問題,針對這些問題,北京市太陽能研究所集團有限公司在長期的實踐過程中,積累了一些寶貴的經驗,供讀者參考:

 ?。?)“反向換熱”現象是否真的存在?

  “反向換熱”問題自“集分式”太陽能熱水系統出現之時就有很多人提出,由于在換熱水箱中設置了電加熱裝置,因此用戶比較關心“反向換熱”問題,即某戶的換熱水箱使用電熱加熱到一個較高的溫度狀態時,是否會產生熱量被循環系統帶走一部分熱量的可能,“反向換熱”是肯定存在的,但這個問題要從三個方面考慮:

  1、用戶啟動電加熱和使用熱水的習慣問題,通常情況下用戶使用熱水的時間都是在PM7:00~10:00左右,這時太陽已經下山,太陽能換熱循環系統已經進入停止狀態,這時不存在“反向換熱”問題。

  2、如果用戶在白天太陽能系統運行時,啟動電加熱,這時是兩套加熱設備在為同一個終端設備加熱,由于部內換熱水箱設定的最終水溫為60℃,而太陽能循環換熱為達到這個溫度必定會高于60℃,因此此時“反向換熱”問題理論上不成立。

  3、最后一種情況很少見,就是在俗稱的“曇天”情況下,既有太陽能系統的運行,又有電加熱的使用,同時太陽能的循環換熱溫度低于電加熱的溫度,在這種情況下,“反向換熱”是存在的,但是熱傳導行業的專家給出了權威解釋:在循環換熱過程中,高溫的、運動的介質向低溫、靜止的介質傳熱的能力很強;而高溫的、靜止的介質向低溫的、運動的介質傳熱的過程不僅傳熱能力較差,而且很快就會達到動態平衡,因為這時換熱的接觸面附近的溫度一旦達到平衡或等溫,換熱過程馬上就停止了,這種現象就像冬天河面會結冰而河水還可以保持一定溫度的道理是一樣的。

  目前,有一些廠家在設計“集分式”太陽能熱水系統時,加入了電磁兩通閥或三通閥的設計,從而保證“反向換熱”出現時阻斷太陽能循環,如下圖:


圖七:“集分式”太陽能熱水系統電磁閥阻斷“反向換熱“示意圖

  采用增加電磁兩通閥或三通閥的做法雖然可以有效的防止“反向換熱”現象的出現,但同時也要注意幾個問題:

  1、在每戶戶內換熱水箱上增加電磁閥,要保證電磁閥的質量優良,目前市場上的電磁閥均存在壽命短的問題,每日的頻繁開啟、關閉,極易導致電磁閥損壞。

  2、循環系統不能全部采用電磁兩通閥,設計時應考慮電磁兩通閥全部關閉而循環水泵開啟時造成的系統循環不暢,損害設備、管道的問題。

  3、采用電磁兩通閥需要每戶增加初投資,使得“集分式”系統的性價比升高,導致系統整體缺乏市場競爭力。

 ?。?)“集分式”太陽能熱水系統是否能真正的實現 “公平”?

  “集分式”太陽能熱水系統倡導“公平、利益共享”原則,雖然設計時采取了很多措施、手段來盡量消除因樓層的不同引起的差異,但是,絕對的“公平”還是難以實現。

 ?。?)“集分式”太陽能熱水系統是否適用于30層以上的住宅?

  高層和超高層住宅項目采用太陽能熱水系統一直是困擾太陽能行業的難題,在“集分式”太陽能熱水系統出現以前,絕大多數的太陽能熱水系統是以“集中集熱、集中供水”的方式來解決的,雖然“集分式”在6~20層住宅項目上有良好的表現,但是“集分式”系統目前還是不適合30層左右或更高的住宅項目運用,其癥結在于:

  1)超過30層的住宅項目屋頂太陽能集熱器的安裝面積無法滿足整棟建筑的全部生活熱水集熱面積,以層高30層,戶均80平米,一梯四戶的常見住宅戶型為例,則平屋頂的總面積約為320平米;對于南北坡的斜屋頂,可利用安裝太陽能集熱器的南坡面積大約只有160平米??傋?20戶,大致計算120戶,每戶的集熱器面積應該保證在1~1.5平米,總集熱器面積為180平米,平屋頂大約1.7平米安裝1平米的集熱器,則平屋頂需要306平米,如果平屋頂有電梯機房以及預留通道等占用空間后,安裝太陽能集熱器的空間就明顯不足了。

  2)高層安裝“集分式”太陽能熱水系統,管路的靜壓問題一定要考慮,對于30層高的住宅,層高超過100米,靜壓力超過1.0MPa,供熱循環水泵需要克服靜壓力所產生的阻力,如果系統循環不均衡或水泵揚程不足以克服靜壓力產生的阻力就會造成建筑低區水壓過高,甚至會影響整個系統的運行,同時,在住宅項目中引入高壓管網,其本身就不符合規范要求。

  依據《建筑給水排水設計規范》 GB50015 的有關規定:

  1.3.3建筑物內的給水系統宜按下列要求確定:

  1、應利用室外給水管網的水壓直接供水。當室外給水管網的水壓和(或)水量不足時,應根據衛生安全、經濟節能的原則選用貯水調節和加壓供水方案;

  2、給水系統的豎向分區應根據建筑物用途、層數、使用要求、材料設備性能、維護管理、節約供水、能耗等因素綜合確定;

  3、不同使用性質或計費的給水系統,應在引入管后分成各自獨立的給水管網。(注意子系統界定與分解)

  3.3.5高層建筑生活給水系統應豎向分區,豎向分區壓力應符合下列要求:

  1、各分區最低衛生器具配水點處的靜水壓不宜大于 0.45MPa;

  2、靜水壓大于 0.35MPa 的入戶管(或配水橫管),宜設減壓或調壓設施;

  3、各分區最不利配水點的水壓,應滿足用水水壓要求。

  3.3.5A居住建筑入戶管給水壓力不應大于0.35MPa。(靜水壓、動水壓)。

  第2.3.4條 高層建筑生活給水系統的豎向分區,應根據使用要求、材料設備性能、維修管理、建筑物層數等條件,結合利用室外給水管網的水壓合理確定。分區最低衛生器具配水點處的靜水壓,住宅、旅館、醫院宜為300~350kPa;辦公樓宜為350~450kPa。

  從以上規范標準來看,高層“集分式”太陽能熱水系統的壓力遠遠超過了規范允許的入戶水壓,雖然“集分式”太陽能熱水系統的管路屬于封閉循環管路,而衛生器具配水點的靜壓力是屬于開放式生活供水管路,兩者存在本質的區別,但是,在沒有明確的規范約束時,還是應該盡量考慮周全,避免不成熟的設計方案投入施工當中。

  當然,不能僅僅強調太陽能熱水系統的壓力不是衛生器具配水點的壓力就認為這個問題已經解決了,太陽能熱水系統的循環管路也進入了室內,雖然并沒有輸出水壓的問題,但是系統1.0MPa的壓力仍然是一個比較危險的壓力源,一旦發生管道泄漏或配件損壞,極易造成人身、財產傷害和危險事故的發生。

  目前能夠采用的解決辦法就是循環管道采用豎向分區,控制各個分區最高靜水壓不大于0.45MPa,實現這個目標有兩種方式:

  a)戶內支管減壓方式:

  減壓閥是通過調節,將進口壓力減至某一需要的出口壓力,并依靠介質本身的能量,使出口壓力自動保持穩定的閥門。從流體力學的角度看,減壓閥是一個局部阻力可以變化的節流元件,即通過改變節流面積,使流速及流體的動能改變,造成不同的壓力損失,從而達到減壓的目的。

  “集分式”太陽能熱水系統,設置支管減壓來使得入戶水壓降低至安全值以下是目前較易實現的方式,但是采取這種方式有兩個問題必須注意:

  支管減壓閥安裝示意如下圖。


圖八:“集分式”太陽能熱水系統支管減壓閥安裝示意圖

 ?、僦Ч軠p壓的方式一般需要減壓閥直立安裝在水平管道上,并且必須嚴格保證水流流動方向和閥體上的箭頭方向一致,而在“集分式”太陽能熱水系統中,水流方向會隨著循環水泵的啟停改變,循環水泵啟動時,水流向儲熱水箱流動;循環水泵停止時,水流會瞬時間反向流動,這時靜壓力依舊會恢復最大值,并且一直保持到水泵的再次啟動,因此,在支管設置減壓閥并不能消減管道的靜壓力,只能在系統循環時降低儲熱水箱所承受的水壓沖擊。

 ?、谠跓崴艿郎鲜褂脺p壓閥,一定要考慮減壓閥的使用壽命,無論是比例式減壓閥還是可調式減壓閥,其密封部件及可調式減壓閥腔中的隔膜均為橡膠制品,即使是最好的可耐溫260℃的氟橡膠在高溫熱水環境中工作,持續一段時間后就會降低密封盒減壓性能,從而造成減壓閥失去減壓作用,形成危險,而這一點卻經常為人們所忽視。

  b)除了支管減壓方式,將循環管路水分為區,也是消減靜壓力的方法之一。高、低分區使得各分區分別循環,高、低區各以自身的最高點產生靜壓,從而使各分區的壓力控制在允許的范圍內。通常低區以1~14層為一個循環系統,供水循環泵可以設置在1層或者地下設備間;高區循環以15~30層為一個系統,循環水泵可以設置在屋頂;而超過30層的建筑則劃分為高、中、低三區。

  采用分區分別循環的方式可以有效的消減入戶水壓的靜壓力,同時通過在公共管井中的豎向立管上安裝減壓閥組來降低低區系統的整體靜壓力,這樣的設計依舊需要保證減壓閥的質量和壽命來提高系統可靠性,一旦減壓閥失效,系統依然存在管道壓力超高的風險;同時,低區供水循環泵需要選用揚程較高的水泵,不僅對于水泵的出水、增壓能力有要求,對水泵的質量也要有一定的要求。

  劃分高、低區,將高、低區的設備必須全部分開,高區循環沿用原設計的上供上回方式;低區循環改為下供下回方式,需要在首層或地下層增設一個設備間或設備機房。

  在公共管井內進行壓力分區,而保證入戶的供回水最高壓力低于0.45MPa,滿足規范對于水壓的要求,但是,高低區分區的設計會產生高區熱、低區冷的現象,這是由于低區供水的管道長度遠遠大于高區的管道長度而造成低區的熱損失遠遠高于高區,從滿足使用要求的角度考慮,需要適當增加低區使用的集熱器面積,并且嚴把施工質量,確保保溫措施的有效。

  采用分區的方式帶來了增加戶內管道井占用面積的問題,低區循環管道需要通過管道井將熱水輸送至低區設備間,這樣的系統相比典型的“集分式”系統增加了豎向立管的數量,造成系統初投資的增加。

  高區、低區的劃分,是解決系統靜壓力的最有效方式,也是目前設計單位所能給出的最好方案。

  在“集分式”太陽能熱水系統的設計時應盡量不要把系統的安全性捆綁在產品的質量上,多考慮意外的發生,通過技術手段來提高系統的安全性,“越簡單的設計就越合理”,對于節能、環保的產品(系統)設計,系統設計更應該重視安全性。

 ?。?)“集分式”太陽能熱水系統中各部分管道的設計?

  “集分式”太陽能熱水系統的工程案例中對于豎向立管的管徑設計一直都有爭議,北京市太陽能研究所集團有限公司最初設計的系統均為等徑立管,隨著項目設計參與人員的增加,立管變徑的方案逐漸多了起來。

 ?。?)“集分式”太陽能熱水系統采用何種戶內換熱水箱更好?

  “集分式”太陽能熱水系統中戶內儲熱水箱,是一種新型的雙能源水箱,雖然形式與容積式燃氣壁掛爐的水箱原理相近,但是加熱方式和設計參數都需要重新設計計算。

  北京市太陽能研究所集團有限公司最早開始研究并生產測試這種換熱水箱,通過研發、生產、安裝使用了大約10萬只水箱后,總結出一些具有實際指導和應用的經驗。

  “集分式”太陽能熱水系統對戶內儲熱水箱的換熱性能、儲熱性能以及外形尺寸的要求較高,因此,如何選擇最適宜的水箱受到設計人員高度重視。

  從目前的生產加工工藝角度來看,儲熱水箱能實現的換熱形式可以分為三大類:膽中膽儲熱水箱、夾套儲熱水箱、盤管儲熱水箱。

  膽中膽儲熱水箱:

  在水箱內部設置一個換熱小內膽的為膽中膽搪瓷儲熱水箱,小內膽又分為兩類:不銹鋼換熱內膽和搪瓷換熱內膽。膽中膽儲熱水箱中的小膽可以承受更高的內壓和負壓,特別適應于靜壓力較高的項目,北京市太陽能研究所集團有限公司在“集分式”系統實施之初也是大量的采用膽中膽儲熱水箱,換熱效果可以滿足需要,但是膽中膽儲熱水箱換熱面積受限,設計時應該考慮加大循環流量,用較大的循環流量彌補換熱面積不足。

  采用膽中膽搪瓷儲熱水箱還應考慮小內膽內部無法搪瓷的問題,小內膽內部沒有搪瓷,會造成小內膽從內部蝕穿,造成儲熱水箱內外串水。

  膽中膽搪瓷儲熱水箱因為簡單易實現,成本低,耐壓能力強,可以手動排出小內膽積存空氣等優點,因此一直被“集分式”太陽能系統選用,甚至被用于太陽能陽臺壁掛自然循環系統。


圖九:膽中膽儲熱水箱構造示意圖

  夾套儲熱水箱

  夾套儲熱水箱最早是陽臺壁掛太陽能集熱器的專用水箱,其結構特點在與搪瓷內膽的筒體外加了一層外膽,夾層與貯水膽之間就是傳熱工質通道。由于夾套儲熱水箱換熱膽直徑為整個水箱的最大尺寸。因此換熱面積相較膽中膽大很多,因此在系統自然循環的情況下都可以得到較高的換熱效率。但是夾套儲熱水箱的結構特點,決定了其承壓能力的很弱,當系統運行壓力達到一定值時,夾套層之間的壓力會漲爆水箱外膽,增加夾套層的材質厚度可以增加夾套層的耐壓能力,但同時也造成了加工工藝的難度和成本的增加,所以夾套儲熱水箱不太適合高層“集分式”系統的采用,靜壓力在可控范圍內的還是可以使用的。

  夾套儲熱水箱在“集分式”太陽能系統中使用的很少,除了耐壓問題外,還存在夾層“窩氣”的情況,在陽臺壁掛式太陽能熱水器使用時,循環系統一直處于閉式狀態,“窩氣”現象并不明顯,而在“集分式”太陽能熱水系統中,循環系統經常會帶入空氣,久而久之,造成了儲熱水箱夾套層循環被空氣阻隔,難以實現循環。


圖十:夾套儲熱水箱構造示意圖

  盤管儲熱水箱

  盤管儲熱水箱是以盤管作為換熱器的。水箱內置的盤管可以實現大換熱面積,承壓能力不亞于膽中膽儲熱水箱,而且換熱工質在盤管內流動長度長,換熱效果好,更適合“集分式”太陽能熱水系統在高層建筑的使用。


圖十一:盤管儲熱水箱構造示意圖

  盤管儲熱水箱所使用的盤管材料主要有銅盤管、碳鋼搪瓷盤管和不銹鋼盤管三種。不銹鋼盤管加工工藝難,無法搪瓷處理,采用的較少;銅盤管的優點在于銅盤管的導熱系數高,換熱效果好,而搪瓷的基材是低碳鋼加搪瓷層換熱效果要比銅材的差。

  雖然盤管儲熱水箱從技術成熟度和技術指標上都能滿足“集分式”太陽能熱水系統的使用要求,但是常用的橫置盤管式儲熱水箱對于臥式安裝的水箱還是存在一些問題的。

  立式盤管水箱的換熱介質的水流是自下而上流動,可以將換熱介質中攜帶的少量空氣帶出循環盤管,而臥式安裝時的橫置盤管無法有效帶出全部的空氣,一旦水泵停止運轉,多余的空氣會積聚,直至在盤管內形成氣堵,導致換熱循環無法進行,這也是北京市太陽能研究所集團公司最早棄用盤管儲熱水箱而選擇膽中膽儲熱水箱的主要原因。

  目前行業內有些廠家就盤管水箱的盤管的內置形式進行了優化,豎置儲熱水箱內的盤管,有效的杜絕氣堵的產生。


圖十三:豎置盤管儲熱水箱杜絕氣堵示意圖

  豎置盤管解決了氣堵的問題,但是同時帶來了盤管的有效換熱面積減少了,這是因為在儲熱水箱內的水會因為溫度的不同而產生分層,高溫水在上層,低溫水在下層,豎置的盤管僅在下部的盤管能夠達到良好的換熱效果,而上層的盤管會因溫度相差不大而降低換熱效率。

  比較目前采用的三種儲熱水箱,各有優勢和不足,現階段也不能一概而論,還需要設計師和生產廠家進行更多的優化和比較:

表四:三種儲熱水箱特性說明

 ?。?)“集分式”太陽能熱水系統同程循環的重要性?

  “集分式”太陽能熱水系統體現了太陽能熱利用的最大利益化和公平性,而循環管路的同程循環是實現公平性的重要手段,同程管路設計不合理會造成用戶的使用差異,進而降低大眾對太陽能使用的接受意識。

  北京市太陽能研究所集團公司一直堅持以三管方式實現同程循環,這種方式從設計角度考慮最為合理,但是這種方式使用管材較多,成本增加,同時在實際施工時會遇到各種原因而增加施工難度,影響使用效果。


圖十四:三管同程式“集分式”太陽能熱水系統示意圖

  采用三管同程在豎向立管部分很容易做到同程,但是在房型不對稱的戶型建筑,屋頂要增加很多水平管道來實現管路的全部同程,這樣大大增加了施工的難度。

  實現同程循環不僅有三管方式,還可以有其他的簡便方式,比如雙管U型,如下圖;


圖十五:雙管U型同程式“集分式”太陽能熱水系統示意圖

  采用雙管U型方式,節省了豎向立管的數量,也實現了各層各戶的循環管道同程,只是循環水泵的揚程、功率要比三管方式有所提高,具體提高多少需要設計人員復核計算。

  “集中集熱-分戶供熱”太陽能熱水系統的發展方向預測

  “集分式”太陽能熱水系統從根本上解決了20層以下的住宅建筑使用太陽能的難題,20層以上還有很多技術難題亟待解決,在設計方案尚存疑點的情況下,建議不要盲目實施,畢竟作為一個項目,一旦失敗影響不是一戶兩戶,而是幾十、幾百戶的使用。

  “集分式”太陽能熱水系統從出現至今,短短幾年,發展速度很快,僅北京市太陽能研究所集團有限公司截止2014年就已經完成并投入使用了30萬戶“集分式”系統,并且以每年8%的增速增長,說明市場對于“集分式”太陽能熱水系統的認可程度逐步在提升,同時,“集分式”太陽能熱水系統相關配套的產業集群也在迅速形成,江蘇靖江的“邁能高科”、北京“丹普”、深圳“嘉普通”等專業水箱生產企業都在以“集分式”戶內儲熱水箱的研發、生產作為業務增長方向。

  一個項目的成功或一個方案的成功,其中有很多部門、很多專業相互配合,協調發展才能共同提供保障,北京市太陽能研究所集團有限公司在最早“集分式”系統的儲熱水箱開發過程中,就試制、生產測試了15種儲熱水箱,不僅從技術指標、產品性能上進行研制、開發,對各種水箱在各種極端使用環境中的數據也進行了測試,最終選擇最適合的水箱投入生產,期間也得到了眾多配套廠家的大力支持,才取得了“天津頂秀欣園”、“上海臨港新城”、“北京水立方”等幾個單項過千萬的項目成功。

  “集分式”太陽能熱水系統作為目前太陽能行業的優秀方案,盡快形成行業或國家標準是規范市場的重要手段,同時,也需要行業內部本著造福大眾、服務社會的精神,共同呵護、壯大“集分式”太陽能熱水系統的生命力。

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