摘　要：某辦公建筑頂層新增面積擬采用太陽能熱水系統(tǒng)實現(xiàn)冬季供暖、樓內(nèi)衛(wèi)生間洗手熱水供應(yīng)、春夏秋季部分洗浴熱水供應(yīng)。對太陽能熱水系統(tǒng)的流程設(shè)計與控制策略進(jìn)行了探討。

關(guān)鍵詞：辦公建筑　太陽能熱水系統(tǒng)　流程設(shè)計　控制策略

Process Design and Control Strategy of Solar Energy Hot Water for Office Buildings

Abstract：The solar energy hot water svstenl intends to be adopted newly added area at the top of an office building for winter heating，hot water supply to wash hands inside toilet and some bath hot water supply in spring，summer and autumn in．The process design and control strategy of solar energy hot water system are discussed．

Key words：office building；solar energy hot water system；process design；control strategy

我國的供暖、空調(diào)能耗年增長幅度較大，開發(fā)利用包括太陽能、風(fēng)能在內(nèi)的可再生能源，是降低化石類能源消耗的有效途徑。但由于太陽能能流密度低以及間歇性、不均勻性，太陽能的利用存在不連續(xù)或供熱量不足的情況。我國學(xué)者對太陽能的利用進(jìn)行了許多研究和實踐^[1-7]，本文結(jié)合工程實例，對辦公建筑太陽能熱水系統(tǒng)流程設(shè)計與控制策略進(jìn)行探討。

1　工程概況

1.1　工程概況

青島某集團(tuán)辦公樓為6層建筑，位于熱電廠內(nèi)，采用熱電廠低溫循環(huán)水供暖(熱電廠2009年進(jìn)行低溫循環(huán)水供暖改造，辦公樓散熱器供暖系統(tǒng)的供、回水溫度為70、50℃)，衛(wèi)生間無洗手熱水供應(yīng)。

根據(jù)辦公樓擴(kuò)建需要，計劃在頂層增加一層(建筑面積約487m²)。新增層(即7層)擬利用太陽能熱水系統(tǒng)進(jìn)行供暖，供應(yīng)樓內(nèi)1～7層衛(wèi)生間的洗手熱水，春夏秋季為浴室提供部分洗浴熱水。

1.2　工程要求

①集熱器集中設(shè)置在樓頂，蓄熱水箱、循環(huán)泵、控制系統(tǒng)設(shè)置在第7層預(yù)留的設(shè)備間內(nèi)。

②冬季，在白天日照良好的情況下充分利用太陽能熱水系統(tǒng)提供熱量，不足部分由現(xiàn)有低溫循環(huán)水供暖系統(tǒng)補(bǔ)充。夜間及節(jié)假日僅需考慮低溫運(yùn)行，實現(xiàn)進(jìn)一步節(jié)能^[8]。

③春夏秋季，太陽能熱水系統(tǒng)僅為浴室提供部分洗浴熱水，不足部分由浴室原有蒸汽加熱系統(tǒng)制備。

1.3　設(shè)計參數(shù)

新增建筑面積為487m²，實際供暖面積約400m²，供暖熱負(fù)荷指標(biāo)按70W／m²計算，室內(nèi)采用地板輻射供暖系統(tǒng)。工作日(工作時間7：00—17：00)設(shè)計供、回水溫度為45、40℃，下班及節(jié)假日設(shè)計供、回水溫度為25、20℃。每層樓的衛(wèi)生間設(shè)有2個洗手盆，共l4個，設(shè)計日用水量3.5m³／d。洗浴熱水設(shè)計供水溫度為50℃。春秋季自來水平均溫度取l3℃，夏季取17℃，冬季取10℃。太陽能集熱器傾斜角度與當(dāng)?shù)鼐暥纫恢?，集熱器單位面積日總輻射量取15.7MJ／(m²．d)。

2　太陽能集熱器選擇

太陽能集熱器主要有平板集熱器、真空管集熱器、熱管集熱器等。平板集熱器的傳熱介質(zhì)為水，表面設(shè)置集熱板，集熱器內(nèi)設(shè)銅管(采取下進(jìn)冷水上出熱水方式)，銅管底部設(shè)保溫層。由于保溫效果較差，平板集熱器僅適用于需要低溫?zé)崴膱鏊冶容^適合南方使用。平板集熱器在冬季運(yùn)行容易結(jié)冰，因此我國絕大多數(shù)應(yīng)用平板集熱器的太陽能熱水系統(tǒng)采用了低溫回流排空技術(shù)。由于循環(huán)水系統(tǒng)為金屬管焊接，能滿足承壓要求。真空管集熱器適用的溫度范圍較寬，但由于真空管與聯(lián)箱的連接部位采用硅橡膠密封圈進(jìn)行密封，當(dāng)循環(huán)水系統(tǒng)壓力超出連接部位承壓范圍時，易導(dǎo)致真空管脫離聯(lián)箱，并造成聯(lián)箱內(nèi)水的整體流失。熱管集熱器的承壓能力不僅強(qiáng)于真空管集熱器，而且更換其中一根故障熱管，不會對整個循環(huán)水系統(tǒng)造成影響。

以上3種集熱器的造價差別較大，熱管集熱器的造價為真空管集熱器的3～4倍，平板集熱器造價最低。該太陽能熱水系統(tǒng)主要是為冬季供暖，為保障連續(xù)供暖及方便維護(hù)，采用熱管集熱器。

3　流程設(shè)計及控制策略

①流程設(shè)計

太陽能熱水系統(tǒng)由集熱器、循環(huán)泵、供暖蓄熱水箱、洗浴蓄熱水箱、輔助熱源(低溫循環(huán)水供暖系統(tǒng))、控制系統(tǒng)組成，流程見圖l。

②控制策略

控制系統(tǒng)采用可編程(PLC)控制、觸摸顯示屏操作界面，通過監(jiān)測測點的溫度、壓力等參數(shù)，根據(jù)運(yùn)行策略自動控制泵的啟停、電磁閥的動作、電動調(diào)節(jié)閥的相對開度，來控制太陽能熱水系統(tǒng)的運(yùn)行。

a．整體控制

太陽能熱水循環(huán)泵采用溫差控制：當(dāng)測點Tl溫度高于測點T2、T3溫度7℃及以上時，控制系統(tǒng)啟動太陽能熱水循環(huán)泵；當(dāng)小于或等于3℃時，控制系統(tǒng)關(guān)閉太陽能熱水循環(huán)泵。運(yùn)行人員可根據(jù)季節(jié)及天氣情況，設(shè)置溫差范圍。

冬季，洗浴蓄熱水箱停用檢修并進(jìn)行清理，太陽能熱水系統(tǒng)以滿足供暖需求為主，控制系統(tǒng)監(jiān)測測點他溫度。當(dāng)測點T2溫度低于設(shè)定溫度40℃時，控制系統(tǒng)打開低溫循環(huán)水供水管道上的電動調(diào)節(jié)閥，輔助加熱供暖蓄熱水箱中的水；當(dāng)測點T2溫度高于設(shè)定溫度45℃時，控制系統(tǒng)關(guān)閉該電動調(diào)節(jié)閥。衛(wèi)生間洗手盆采用混水龍頭調(diào)節(jié)出水溫度，為了使洗手盆混水龍頭即開即熱，在洗手熱水循環(huán)系統(tǒng)中設(shè)置一個小功率(40W)洗手熱水循環(huán)泵。

春夏秋季，供暖蓄熱水箱停用檢修并進(jìn)行清理，洗浴蓄熱水箱中被加熱的熱水由洗浴熱水泵送至浴室?？紤]到太陽能熱水系統(tǒng)與浴室距離較遠(yuǎn)，無法共用一個蓄熱水箱，因此太陽能熱水系統(tǒng)另外設(shè)置一套獨立的洗浴熱水供應(yīng)系統(tǒng)(包括一個浴室蓄熱水箱)。當(dāng)測點T3溫度達(dá)到設(shè)定溫度50℃時，控制系統(tǒng)啟動洗浴熱水泵，將熱水送入浴室蓄熱水箱，當(dāng)測點T3溫度降至設(shè)定溫度48℃或水箱水位降到下限水位時(此時將開始自動補(bǔ)水)，洗浴熱水泵停止。這樣，經(jīng)加熱后的熱水間歇性地送入浴室蓄熱水箱。

b．地板輻射供暖系統(tǒng)控制

在回水管道上設(shè)有溫度傳感器、電動調(diào)節(jié)閥和供回水之間的自力式壓差控制閥，控制地板輻射供暖系統(tǒng)不會過熱，保持資用壓力恒定。

c．蓄熱水箱補(bǔ)水控制

供暖蓄熱水箱的水位基本固定，一般情況下水位不易下降，但應(yīng)考慮正常蒸發(fā)造成的水位下降，及滲漏造成的事故水位下降。因此，供暖蓄熱水箱僅設(shè)置浮子開關(guān)保持水位即可。

洗浴蓄熱水箱設(shè)有上下限液位傳感器。當(dāng)水位降至下限水位時，控制系統(tǒng)打開自來水管道上的電磁閥強(qiáng)制補(bǔ)水；當(dāng)水位達(dá)到上限水位時，控制系統(tǒng)關(guān)閉該電磁閥。

d．防凍控制

太陽能熱水系統(tǒng)采用落水防凍控制。在屋頂設(shè)有室外溫度測點，當(dāng)冬季室外溫度降至3℃以下時，設(shè)在設(shè)備間內(nèi)的防凍落水電磁閥自動打開，太陽能熱水循環(huán)泵連動停止，集熱器及管道中的水在重力作用下落回供暖蓄熱水箱，實現(xiàn)了防凍。防凍落水電磁閥旁還設(shè)計了防凍落水手動閥，可根據(jù)實際情況配合防凍落水電磁閥同時使用，并可作為電磁閥動作失靈時的備用閥門。集熱器及管道設(shè)計安裝時均已考慮合理坡度，避免了循環(huán)水系統(tǒng)存水結(jié)冰的發(fā)生。無論設(shè)置在設(shè)備間的蓄熱水箱、水泵、管道，還是室外管道均進(jìn)行了保溫處理，最大限度地保證了循環(huán)水系統(tǒng)不結(jié)冰。

e．防結(jié)垢控制

由于洗浴蓄熱水箱的溫度控制在50℃內(nèi)，集熱器內(nèi)部水溫也基本在60℃左右，因此結(jié)垢現(xiàn)象并不嚴(yán)重。為了進(jìn)一步控制結(jié)垢，在自來水管道上設(shè)計安裝電子水處理儀(圖1中未表示)，不但有效遏制了結(jié)垢問題，也起到了殺菌、滅藻的作用。蓄熱水箱補(bǔ)水時，電子水處理儀自動啟動，反之自動關(guān)閉。

4　結(jié)語

對于該工程，建筑室內(nèi)采用了地板輻射供暖系統(tǒng)，可充分利用太陽能熱水系統(tǒng)制取的較低溫度的熱水。不僅實現(xiàn)了冬季太陽能的利用，還實現(xiàn)了春夏秋季的綜合利用。目前，國內(nèi)對于太陽能用于制備生活熱水的技術(shù)已比較成熟，但用于供暖還應(yīng)進(jìn)行深入研究與實踐。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉培琴，王文生．太陽能利用與建筑節(jié)能[J]．煤氣與熱力，2005，25(11)：71-73．

[2]陳明，曹屹立，于洋．太陽能與集中供熱熱源聯(lián)合供熱的探討[J]．煤氣與熱力，2006，26(8)：62-65．

[3]董呈娟，王侃宏，李保玉．太陽能輔助地源熱泵供熱運(yùn)行特性研究[J]．煤氣與熱力，2006，26(9)：39-42．

[4]鄭宗和，高金水，葛聽．太陽能熱泵供暖系統(tǒng)在西藏地區(qū)的應(yīng)用[J]．煤氣與熱力，2006，26(12)：52-54．

[5]孫秀麗，秦朝葵，郭甲生．太陽能與燃?xì)饨Y(jié)合的生活熱水系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)分析[J]．煤氣與熱力，2008，28(5)：A21-A23．

[6]鐵燕，羅會龍．熱泵輔助太陽能熱水系統(tǒng)在建筑節(jié)能的應(yīng)用[J]．煤氣與熱力，2009，29(4)：Al7-Al9．

[7]陳曉明，羅清海，張錦，等．太陽能熱水器與居住建筑熱水節(jié)能[J]．煤氣與熱力，2010，30(2)：Al7-A21．

[8]齊政新，楊基春，石磊．利用太陽能地板采暖減少建筑能耗[J]．中國能源，2001(6)：28-30．

本文作者：許征　張厚棟

作者單位：青島市熱力規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司