王 永 強(qiáng)

(晉城市建筑設(shè)計(jì)院，山西 晉城 048000)

0 引言

GB 50015—2019建筑給水排水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)《建水標(biāo)》)中關(guān)于太陽(yáng)能、熱泵熱水供應(yīng)系統(tǒng)作為單獨(dú)一節(jié)編寫(xiě)，關(guān)于太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)規(guī)定更加系統(tǒng)全面，其主要變化是引入一種全新的集熱貯熱一體式無(wú)動(dòng)力循環(huán)太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)，這種太陽(yáng)能集熱器主要采用熱傳導(dǎo)集熱方式，大大簡(jiǎn)化太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)，為有效推廣太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持。

本文從《建水標(biāo)》住宅集中集熱分散供熱太陽(yáng)能設(shè)計(jì)分析，探討住宅建筑采用無(wú)動(dòng)力循環(huán)貯筒式集熱器設(shè)計(jì)及利用。

1 傳統(tǒng)住宅太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)存在問(wèn)題分析

從2008年9月《山西省民用建筑節(jié)能條例》發(fā)布，鼓勵(lì)既有民用建筑的所有權(quán)人或者使用權(quán)人安裝使用太陽(yáng)能等可再生能源；到2013年8月《山西省開(kāi)展綠色建筑行動(dòng)實(shí)施意見(jiàn)》發(fā)布，強(qiáng)制推進(jìn)太陽(yáng)能光熱應(yīng)用。太陽(yáng)能屋頂計(jì)劃已經(jīng)在我省走過(guò)了10多個(gè)年頭，住宅建筑更是太陽(yáng)能屋頂計(jì)劃的重要組成部分，但是實(shí)際使用情況并不理想。

從現(xiàn)有設(shè)計(jì)及實(shí)際竣工項(xiàng)目使用情況來(lái)看，住宅采用分散集熱—分散供熱即陽(yáng)臺(tái)壁掛太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)設(shè)計(jì)使用簡(jiǎn)單，但實(shí)際使用中存在換熱效率低，同時(shí)受規(guī)劃、建筑方案等影響未進(jìn)行大面積推廣；住宅采用集中集熱—分散供熱太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)多采用間接換熱，系統(tǒng)簡(jiǎn)單，但換熱效率不高，戶(hù)內(nèi)需設(shè)熱水箱，初期投資大，存在跨層換熱的風(fēng)險(xiǎn)；住宅采用集中集熱—集中供熱太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)較為常見(jiàn)，但該系統(tǒng)不能適應(yīng)住宅入住率變化，當(dāng)入住率很低時(shí)，整個(gè)熱水系統(tǒng)使用費(fèi)較高。如晉城某住宅項(xiàng)目達(dá)到入住率77.5%時(shí)，每戶(hù)每月平均分?jǐn)傠娸o助加熱費(fèi)用支出約為25元。住宅太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)實(shí)際使用過(guò)程中存在集熱器爆管、電加熱棒易損壞、熱水循環(huán)泵易損壞等問(wèn)題，加上運(yùn)行費(fèi)用高，物業(yè)管理水平有限等缺點(diǎn)致使系統(tǒng)用不了多久就被迫停止使用。

2 住宅太陽(yáng)能熱水新集中集熱、分散供熱系統(tǒng)應(yīng)用

根據(jù)《建水標(biāo)》住宅類(lèi)相似建筑設(shè)計(jì)宜采用集中集熱、分散供熱太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)由集熱、貯熱、換熱一體間接預(yù)熱承壓冷水供應(yīng)熱水的組合系統(tǒng)直接向分散帶溫控的熱水器供應(yīng)預(yù)熱水。這種組合系統(tǒng)是由國(guó)內(nèi)有關(guān)科研設(shè)計(jì)企業(yè)經(jīng)過(guò)多年的科研實(shí)踐的一種新系統(tǒng)，其核心組成部件就是集熱、貯熱、換熱一體的貯筒(內(nèi)外筒)組合式集熱器，因?yàn)檫@種新型太陽(yáng)能熱水集熱系統(tǒng)不需要機(jī)械循環(huán)，僅通過(guò)自然循環(huán)集熱、傳導(dǎo)對(duì)流換熱，將太陽(yáng)能集熱、貯熱、換熱集成一體的模塊化太陽(yáng)能熱水裝置，因此也被稱(chēng)為無(wú)動(dòng)力集熱循環(huán)太陽(yáng)能集貯熱裝置。

2.1 無(wú)動(dòng)力集熱循環(huán)太陽(yáng)能集熱器面積計(jì)算

《建水標(biāo)》對(duì)太陽(yáng)能集熱器總面積的計(jì)算進(jìn)行了修編，以平均日耗熱量代替最高日耗熱量指標(biāo)；同時(shí)結(jié)合T/CECS 48—2017無(wú)動(dòng)力集熱循環(huán)太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)規(guī)程，以晉城丹河新城某住宅項(xiàng)目為例進(jìn)行計(jì)算，無(wú)動(dòng)力集熱循環(huán)太陽(yáng)能集熱器按每個(gè)單元獨(dú)立設(shè)置，每個(gè)單元2戶(hù)，考慮逆12層設(shè)置。以每單元為單位計(jì)算無(wú)動(dòng)力集熱循環(huán)太陽(yáng)能集熱器面積如表1，表2所示。

表1 平均日耗熱量計(jì)算

表2 無(wú)動(dòng)力集熱循環(huán)太陽(yáng)能集熱器面積計(jì)算

2.2 無(wú)動(dòng)力集熱循環(huán)太陽(yáng)能集貯熱裝置設(shè)計(jì)選型及平面布置

無(wú)動(dòng)力集熱循環(huán)太陽(yáng)能集貯熱裝置目前國(guó)標(biāo)規(guī)范和協(xié)會(huì)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)比較齊全，但是標(biāo)準(zhǔn)圖集里僅有內(nèi)筒式太陽(yáng)能集熱器部分資料，無(wú)動(dòng)力集熱循環(huán)太陽(yáng)能集貯熱裝置基本沒(méi)有選型資料。設(shè)計(jì)過(guò)程中筆者咨詢(xún)了T/CECS 48無(wú)動(dòng)力集熱循環(huán)太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)規(guī)程主編單位及標(biāo)準(zhǔn)圖集《太陽(yáng)能集中熱水系統(tǒng)選用及安裝》參編單位，國(guó)標(biāo)圖集參編企業(yè)提供參數(shù)如表3所示。

表3 無(wú)動(dòng)力集熱循環(huán)太陽(yáng)能集貯熱裝置參數(shù)表

本次設(shè)計(jì)選用無(wú)動(dòng)力集熱循環(huán)太陽(yáng)能集貯熱裝置型號(hào)為SLY-320/24-5821，集熱面積為4.2 m2，根據(jù)集熱器總面積計(jì)算需要集貯熱裝置15.2套，實(shí)際設(shè)計(jì)根據(jù)屋面面積總計(jì)布置16套。

丹河新城某住宅項(xiàng)目3個(gè)單元，每單元2戶(hù)，邊戶(hù)屋頂集熱器及管道布置見(jiàn)圖1。

2.3 住宅集中集熱、分散供熱無(wú)動(dòng)力集熱循環(huán)太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.3.1太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)設(shè)計(jì)及運(yùn)行

丹河新城某住宅項(xiàng)目采用集熱、貯熱、換熱一體間接預(yù)熱承壓冷水供應(yīng)熱水系統(tǒng)的組合系統(tǒng)直接向分散帶溫控的熱水器供水。各層住戶(hù)分散帶溫控的熱水器考慮到本地住戶(hù)使用習(xí)慣采用具有雙溫度傳感器的智能恒溫燃?xì)鉄崴鳎到y(tǒng)原理見(jiàn)圖2。

屋頂集熱系統(tǒng)采用無(wú)動(dòng)力集熱循環(huán)太陽(yáng)能集貯熱裝置，集熱系統(tǒng)大大簡(jiǎn)化，省掉集中供熱水箱同時(shí)省去集熱循環(huán)水泵；熱水供水系統(tǒng)與傳統(tǒng)集中熱水系統(tǒng)一樣，并設(shè)有熱水回水循環(huán)水泵。

1)熱水用水時(shí)，太陽(yáng)能預(yù)熱水經(jīng)電子恒溫混合閥控溫后進(jìn)入住戶(hù)燃?xì)鉄崴鳎?jīng)熱水器定溫加熱后供至用水端；住戶(hù)燃?xì)鉄崴鞑捎镁哂须p控傳感器的智能恒溫多段點(diǎn)火燃?xì)鉄崴?，?dāng)熱水進(jìn)水溫度不低于50 ℃時(shí)，燃?xì)鉄崴鞑粏?dòng)。當(dāng)熱水進(jìn)水溫度低于50 ℃時(shí)，智能恒溫燃?xì)鉄崴麟娍爻绦蛲ㄟ^(guò)測(cè)量進(jìn)出水溫度差值及水流量，計(jì)算達(dá)到燃?xì)鉄崴鞒鏊疁囟葧r(shí)所需的燃?xì)饬?，并通過(guò)燃?xì)獗壤y調(diào)節(jié)燃?xì)膺M(jìn)氣量，加熱達(dá)到設(shè)定溫度。2)為防止太陽(yáng)能熱水供水溫度過(guò)高發(fā)生燙傷事故，設(shè)計(jì)在熱水供水管上設(shè)置電子恒溫混合閥與生活冷水管道混合，控制電子恒溫混合閥閥后供水溫度不高于60 ℃。3)回水管網(wǎng)控制采用常用的溫差循環(huán)，當(dāng)回水干管溫度(T2)不高于45 ℃且太陽(yáng)能集貯熱裝置內(nèi)太陽(yáng)能熱水(T1)-回水干管溫度(T2)≥5 ℃時(shí)，熱水回水循環(huán)泵開(kāi)啟；當(dāng)回水干管溫度(T2)高于50 ℃時(shí)，熱水回水循環(huán)泵關(guān)閉。4)當(dāng)集熱系統(tǒng)發(fā)生故障檢修時(shí)，需關(guān)閉太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)時(shí)，關(guān)閉1，2，3號(hào)閘閥，打開(kāi)4號(hào)檢修閥，由冷水直接供給用戶(hù)使用。

2.3.2屋頂太陽(yáng)能設(shè)備間設(shè)計(jì)

丹河新城某住宅項(xiàng)目采用無(wú)動(dòng)力集熱循環(huán)太陽(yáng)能集貯熱裝置省掉屋頂供熱水箱后太陽(yáng)能設(shè)備間面積大大減小，僅需要設(shè)置熱水回水循環(huán)泵及滅菌消毒設(shè)施等閥門(mén)附件。屋頂太陽(yáng)能設(shè)備間的設(shè)計(jì)采用屋頂擴(kuò)大水暖井至住宅公共走道上部，避免熱水循環(huán)泵設(shè)置在居住用房上方，省掉設(shè)備夾層，節(jié)省投資(見(jiàn)圖3)。

2.3.3太陽(yáng)能熱水供應(yīng)循環(huán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

住宅集中集熱、分散供熱太陽(yáng)能熱水新的系統(tǒng)與傳統(tǒng)熱源集中熱水供應(yīng)的循環(huán)系統(tǒng)相似但又略有不同，住宅集中集熱、分散供熱太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)通過(guò)屋頂集中放置的無(wú)動(dòng)力集熱循環(huán)太陽(yáng)能集貯熱裝置預(yù)熱承壓冷水向住戶(hù)供應(yīng)不確定溫度的熱水，因此在設(shè)計(jì)過(guò)程中熱水循環(huán)水泵的出水量取《建水標(biāo)》規(guī)定的下限值。以丹河新城某住宅項(xiàng)目為例進(jìn)行計(jì)算，無(wú)動(dòng)力集熱循環(huán)太陽(yáng)能集熱器按每個(gè)單元獨(dú)立設(shè)置，每個(gè)單元2戶(hù)，逆12層設(shè)置。

1)循環(huán)水泵出水量計(jì)算。

全日集中熱水供應(yīng)系統(tǒng)的熱水循環(huán)流量計(jì)算見(jiàn)表4，設(shè)計(jì)小時(shí)耗熱量計(jì)算見(jiàn)表5。

表4 全日集中熱水供應(yīng)系統(tǒng)的熱水循環(huán)流量計(jì)算

表5 設(shè)計(jì)小時(shí)耗熱量計(jì)算

集中熱水供應(yīng)系統(tǒng)循環(huán)水泵出水量按《建水標(biāo)》規(guī)定下限值1.5倍循環(huán)流量取值為554.4 L/h(0.000 154 m3/s)。

2)太陽(yáng)能熱水供應(yīng)循環(huán)水泵揚(yáng)程計(jì)算。

循環(huán)水泵的揚(yáng)程按循環(huán)流量通過(guò)配水管網(wǎng)及回水管網(wǎng)的水頭損失之和計(jì)算(見(jiàn)表6)。局部水頭損失按沿程損失2倍取值，則循環(huán)水泵揚(yáng)程為2×(0.11+2.22)=4.66 kPa。

表6 循環(huán)流量通過(guò)配水管網(wǎng)及回水管網(wǎng)沿程水頭損失計(jì)算

3)循環(huán)水泵選型。

經(jīng)過(guò)計(jì)算熱水循環(huán)水泵流量554.4 L/h，揚(yáng)程4.66 kPa，熱水循環(huán)泵選用最常用的PH-041E(額定流量3 600 L/h，額定揚(yáng)程3.5 m，額定功率90 W)，熱水循環(huán)泵精巧簡(jiǎn)單，耐高溫，低噪聲，自動(dòng)高效節(jié)能，壽命持久，易于安裝維護(hù)使用。

3 住宅太陽(yáng)能熱水集中集熱、分散供熱全新系統(tǒng)與傳統(tǒng)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)對(duì)比分析

住宅集中集熱、分散供熱全新系統(tǒng)與傳統(tǒng)系統(tǒng)一次性投資及運(yùn)行費(fèi)用分析見(jiàn)表7，表8。

由表7,表8可知，集中集熱、分散供熱無(wú)動(dòng)力循環(huán)太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)不僅從前期一次性投入還是后期運(yùn)行費(fèi)用都比傳統(tǒng)的集中集熱、分散供熱間接太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)更加經(jīng)濟(jì)。

表7 住宅集中集熱、分散供熱全新系統(tǒng)與傳統(tǒng)系統(tǒng)一次投資估算表

表8 住宅集中集熱、分散供熱全新系統(tǒng)與傳統(tǒng)系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用估算表

4 結(jié)語(yǔ)

高位住宅太陽(yáng)能熱水新的集中集熱、分散供熱系統(tǒng)及無(wú)動(dòng)力集熱循環(huán)太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)，突破了傳統(tǒng)集熱理念，改變以往對(duì)流換熱為主改為熱傳導(dǎo)換熱為主的集貯熱方式，集熱水箱采用開(kāi)式水箱儲(chǔ)熱與真空管連接，大大降低了爆管率，貯熱內(nèi)水箱由同一分區(qū)冷水系統(tǒng)直接供給，同組布置貯熱內(nèi)水箱阻力損失約1 m～2 m，更有利于冷熱水壓力平衡。同時(shí)將太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)與戶(hù)內(nèi)燃?xì)鉄崴髦苯舆B接，更符合本地住戶(hù)的使用習(xí)慣，但是系統(tǒng)也存在加裝熱量表計(jì)費(fèi)的缺點(diǎn)。無(wú)動(dòng)力集熱循環(huán)太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)相比傳統(tǒng)太陽(yáng)能供熱系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)明顯，運(yùn)行費(fèi)用低，后期維護(hù)管理方便，更有利于太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)推廣應(yīng)用，達(dá)到真正節(jié)能的目的。