案例太阳能云集热系统

天津顶秀欣园太阳能集中-分散供热水系统（云集热系统）

一、项目概况

天津顶秀欣园经济适用房项目位于天津市东丽区华明镇新家园居住区。该项目总用地面积15.06万m2，建设用地面积8.5万m2，如图5-5所示。

图5-5天津顶秀欣园效果图

该地块是由4个居住团和2片公共绿地组成，总共有26栋楼，其中，西侧和北侧为8栋20层，南侧为6栋11层，中间部分为6栋16层和6栋18层。全园区共有住户2,户，居住人口7,人。

二、系统组成

天津顶秀欣园太阳能热水系统采用集中集热、分户供热水系统，于年建成[35,36]。该系统采用北京市太阳能研究所研制生产的热管式真空管集热器，共安装集热器1,组，总采光面积2,m2，每户平均1.23m2。

整个系统包括32个子系统。每个子系统都分别采用集中集热、分户供热水系统，即太阳能集热器集中安装在屋顶上，每户安装一台换热式水箱，通过热媒换热向住户提供热量，如图5-6所示。

集中集热、分户供热水系统的每个子系统都分别采用两套循环系统：一套是集热循环系统，另一套是供热循环系统。

集热循环系统由太阳能集热器、储热水箱、太阳能循环泵、循环管路等组成。集热器集中安装在屋顶，储热水箱、太阳能循环泵安装在楼顶设备层内。

供热循环系统由用户换热水箱、热水循环泵、立管和支管等组成。用户换热水箱安装在每户的卫生间内，通过立管与储热水箱连接，构成换热回路。

图5-6天津顶秀欣园太阳能热水系统实景图

三、系统运行原理

集热循环系统采用温差控制循环，供热水循环系统采用温差和定温双重控制循环，其运行原理图如图5-7所示。

图5-7天津顶秀欣园太阳能热水系统运行原理图

集热循环与供热循环用PLC控制器统一控制，并可根据实际情况调节运行参数，以达到最佳的运行效果。

对于集热循环系统，考虑到北方地区冬天的环境温度较低，本系统采用排空回流和低温循环的方式进行防冻；另外，由于夏季太阳辐照度较高，有可能出现集热器过热问题，因此可以调节控制器的运行参数，以降低循环温差来防止过热问题。

对于供热循环系统，需要在每个用户换热水箱中都配备一个1.5kW水电隔离的电加热器，当太阳能提供的热量不足以满足用户需求时，用户可以自行对换热水箱进行补热。

四、系统设备选型

（1）储热水箱

在集中-分散供热水系统中，储热水箱功能以作为集热系统的膨胀水箱为主，储热为辅。尽管储热水箱容积越大，系统的储热能力就越强，但同时也会延长热水达到设定温度的时间，增加热水循环泵启动的时间间隔，不利于系统换热，还增加了水箱和管道的热损失。因此，本系统在大量实践的基础上，确定储热水箱的容积为L。储热水箱内胆采用碳钢材料，80mm厚的聚氨酯整体发泡保温，降低水箱热损失。

（2）太阳能循环泵和热水循环泵

系统所用的水泵均为德国威乐PH系列泵。循环水泵型号均按小时流量和扬程选取：太阳能循环泵的小时流量按集热器面积0.L/（m2?s）确定；热水循环泵的小时流量通过小时耗热量及用水时间确定，扬程通过水力计算确定。本系统的太阳能循环泵型号为PH-E（一用一备），热水循环泵型号为PH-E（一用一备）。

（3）管路及保温

集热循环管路和供热循环管路均采用热镀锌钢管。集热循环管路及供热循环立管的管径均采用DN32。管路保温全部采用高密度定型橡塑，保温层厚度大于30mm，管路外包采用铝箔布作为保护层。供热循环管路采用三管制，同一门洞支线并联，并保证同程。合理选配集热管和支管的管径，减少不同楼层的水力不平衡，实现不同楼层换热的均匀性。

（4）集热器支架

集热器倾角与屋面坡度都为35o，这主要由屋面的混凝土结构梁形成。与集热器的连接支架（含集热器支架及管路支架等）则采用40×40镀锌角钢。集热器支架按照设计图焊接成形后，与屋面架构相互连接成一整体，并作防腐处理，确保设备安装的稳定牢固和安全性能。

（5）换热水箱

用户换热水箱采用搪瓷内胆，容积为80L，外形尺寸为直径mm,长度1,mm，内置电加热器功率1.5kW。换热水箱采用承压水箱，顶水使用，用水舒适度高，水质有保证。换热水箱采用管式换热器，承压1MPa；换热器采用独特设计，可保证当供水循环管路温度高于水箱温度时对用户水箱进行加热，反之用户水箱中热量不会带入到供水循环管路，避免用户白天启动电加热器时加热其它用户，从技术上保证系统运行公平性。

五、换热水箱设计

用户换热水箱是太阳能集中-分散供热水系统的关键部件，其设计涉及到以下几个方面：1）水箱容积，2）水箱承压，3）换热器结构及位置，4）换热器面积，5）水箱防腐等。

对于大多数中高层建筑来说，由于受屋顶可安装集热器面积限制，一般每户平均可安装集热器面积约1m2～2m2，因此换热水箱容积一般适宜选择80L～L。对于南方地区，可以选用容积较大的水箱。

为方便提供生活热水，水箱适宜采用承压水箱，目前使用较多的是搪瓷水箱。水箱承压需要根据当地自来水压力范围选用，水箱承压能力需要满足1.5倍的工作压力，一般为0.6MPa～0.8MPa。

水箱换热器结构主要有：1）套筒式换热器，2）管式换热器，3）板式换热器。由于套筒式和内置板式换热器的承压能力低，一般较少用于集中-分散供热水系统。管式换热器又分为列管式和盘管式。盘管式换热器适用于立式水箱，当用于横置水箱时因不易排气而易造成气堵。集中-分散供热水系统的不同楼层之间一般都采用并联连接方式，换热器气堵后易造成用户水箱不热问题，并且很难排气。

换热器采用外翅片管是一种较好的提高换热能力的技术方案，原因是管式换热器的外侧换热系数低是制约换热能力的主要因素。

换热器的承压要求主要取决于楼层高差产生的静压，因此需要根据楼宇的高度决定换热器需要的承压能力，一般应达到1MPa。

对于有辅助电加热器的水箱，换热器在水箱中的位置非常重要。只有当电加热器置于换热器上方时，电加热器才只加热换热器上方的水。这样，在太阳能集热系统循环时，即使一次循环工质温度低于电加热器以上部位的水温，也不会把水箱热量带入到一次循环系统去。如果电加热器不是置于换热器上方，则会出现因用户操作不当，将用户自身电加热器产生的热量输送到一次循环系统，然后再输送到其它用户水箱。对于盘管式换热器的横置水箱，由于换热器上部位置一般都高于电加热器的高度，因而容易出现上述工况。

换热器面积可按照下列公式计算：

（5-7）

式中，

Ahx——换热器面积，m2；

Qz——太阳能集热系统与水箱单位时间换热量，W；

Uhx——换热器传热系数，W/(m2?K)，没有换热器产品技术参数时，管式换热器传热系数一般为～W/(m2?K)；管式换热器换热系数与换热管直径有关，直径大于mm的管式换热器，换热系数一般在W/(m2?K)左右；

ε——换热器结垢修正系数，一般取值0.6～0.8；

Δtj——换热器设计计算温差，一般取值5℃～10℃，平板集热器温差取低值，真空管集热器温差取高值。

在式（5-7）中，太阳能集热系统与水箱单位时间换热量可按下式计算：

（5-8）

式中，

k——太阳辐照度时变系数，取1.5～1.8，取高限时有利于换热，但增加换热器成本；

f——太阳能保证率，%；

Q——太阳能户均日热水负荷，J；

Sy——当地年平均每日的日照时数，h。

造成水箱损坏原因主要有：1）腐蚀，主要在不锈钢内胆焊缝处的点蚀和搪瓷内胆缺损处的腐蚀；2）高温破损，主要在电加热管，尤其是镁牺牲阳极过热保护时，电加热管严重结垢高温破损。

腐蚀的影响因素与水质、工作温度和压力有关。不锈钢内胆的腐蚀穿孔是含有NaClO的自来水中的Clˉ在高温下对不锈钢焊接热影响区孔蚀的结果。对于搪瓷内胆来说，腐蚀主要发生在由于搪瓷缺陷、运输、安装等造成碳钢基材的裸露表面。碳钢对孔蚀不敏感，主要是裸露表面的均匀腐蚀。

不锈钢水箱可选用防腐性能好的材料，如L不锈钢。搪瓷水箱防腐一般采用阴极保护，用镁牺牲阳极对内胆和电加热管进行保护。

下面，以顶秀欣园系统为例，对换热水箱进行设计分析。

顶秀欣园工程采用热管式真空管集热器，户均太阳能配比面积为1.23m2。搪瓷内胆换热水箱，水箱容积为80L，内置电加热1.5kW。换热器为管式结构，承压大于1MPa。电加热器置于换热器上方，避免用户电加热器产生的热量被换热器带入一次循环系统。为消除换热器中积气，换热器内设置排气管。

换热水箱的结构如图5-8所示。

图5-8天津顶秀欣园用户换热水箱结构示意图

假设：户均用水量取L/日，设计用水温度取45℃，年平均自来水供水温度取15℃，计算出每户日均热水负荷为.2kJ。

取k＝1.6，f＝55%，天津地区Sy=7.2h，根据式（5-8）计算出：

Qz＝.7（W）

取ε＝0.8，Uhx＝W/(m2?K)，Δtj＝10℃，根据式（5-7）计算出：

换热器面积Ahx＝0.32（m2）

六、系统供热均匀性分析

根据对中高层建筑太阳能热水系统供水回路水力计算，表明建筑中间层的流动阻力较大。为了考察本集中-分散供热水系统的供热均匀性，已选取其中一栋楼的中间层（6层）和顶层（11层）进行了测试，其结果如图5-9所示。

图5-96层和11层用户水箱出水温度变化曲线图（时间：.10.14）

从图5-9可以看出，用户水箱的水初始温度均在22℃左右；上午9：00到下午13：00之间，水温不断升高，在15：30左右趋于稳定；而且，6层与11层用户水箱的出水温度相差不大，基本都维持在45℃左右。

由此可见，太阳能集中-分散供热水系统具有很好的供热均匀性，是一种特别适宜在城市中高层建筑中推广的新型太阳能热水系统。

七、综上所述，天津顶秀欣园太阳能集中-分散供热水系统具有如下特点：

（1）太阳能集热器集中安装在采光条件较好的屋顶，不会出现像阳台壁挂式太阳能热水器那样的楼群之间遮光和上下层之间对采光的影响；

（2）系统安装简洁，管线较少，易于安装；

（3）系统获得的太阳能热量共用，太阳能利用率高；

（4）每户安装双能源换热水箱，辅助电加热可根据太阳辐照情况和家庭用水需求自行调节，用户自主性强；

（5）热水不需计量收费，居民只需承担系统循环水泵的电费，公摊费用低，可纳入物业楼宇基础公摊费用，解决太阳能在城市推广的管理难题；

（6）用户供水来源于各家的自来水，实现冷热水同源，不会出现中高层供热管网的冷热水压力失衡问题；

（7）用户换热水箱采用搪瓷水箱，可承压供水，用热水舒适度高，水质有保证。

本文为“北太所集团”原创

摘录自《热管式真空管太阳能集热器及其应用》

如需转载，请注明出处！

转载请注明：http://www.nqjpo.com/yszl/10529.html