槽形太阳能集中式热水系统合理设计探讨

槽形太阳能集中式热水系统合理设计探讨

李昌伟

(国电龙源电力技术工程有限责任公司北京100039)

摘要：针对集中住宅区域生活热水需求，利用槽形太阳能集热装置优势，配置环保绿色、经济高效的槽形太阳能集中式生活热水系统。从槽形太阳能集中式热水系统的组成、常见类型比较、系统设置及需注意的问题要点等进行了探讨。

关键词：槽形；太阳能；集热器；集中式；热水系统

1引言

太阳能可以说是取之不竭，用之不尽的洁净绿色能源。随着国家节能减排政策的陆续推出，各类住宅的节能问题成为人们日益关注的焦点。住宅中充分合理地开发与利用太阳能光热资源，作为人们日常生活热水系统,可大幅节约减少常规能源的消耗，同时也可减少对环境的污染，将具有广阔的市场开发前景，具有十分重要的环保效益、经济效益和社会效益。

在上世纪九十年代前后，住宅中利用太阳能热水器多数是普通自然循环式分户独立的太阳能热水系统，近年来随着太阳能应用技术水平的不断创新，大型太阳能集中式生活热水系统越来越受到人们的青睐。相对于分户自然循环式系统，太阳能集中式生活热水系统具有单位投资小、集约化程度高、供水安全可靠、不间断供水等优势。

太阳能的优点众所周知，但其固有的能流密度低、能量供给的随机性和周期性等特点，槽形太阳能集中式生活热水系统应用在国内住宅建筑中还处于初始阶段，这样就其系统设计带来了较大的困难，加上人们日常生活热水本生存在随机性，使得集中式生活热水系统设计相对复杂。本文结合某住宅小区利用槽形太阳能集中式热水系统的实践，针对槽形太阳能集中式热水系统的功能设计进行了探讨，为同行有效解决其应用中存在的问题尽力提供点滴借鉴。

2槽形太阳能集中式热水系统类型介绍

2.1槽形太阳能集中式热水系统的分类

目前，槽形太阳能集中式热水系统与其它形式的太阳能集中式热水系统,如平板太阳集热器、真空管太阳集热器、真空管热管太阳集热器等大中型热水系统，在住宅中的应用基本类似,均借助水泵提升水流压头实现集热循环，系统为开式低压系统，也称受迫循环式太阳能热水系统。常见的系统模式有两种类型[1]，一类直接加热是“集热储热集中、计量分户”，另一类间接加热是“集热集中、分户储热、分户辅助加热”。

2.2槽形太阳能集中式热水系统型式

文中参考了在新疆地区某集中住宅区使用的槽形太阳能集中式热水系统的实际案例，本住宅区由8～12层板式结构，约40栋楼房组成，总建筑面积约为40万m2。本项目在开阔的地面上集中设置了槽形太阳能集热器热水系统供应装置，单元槽形集热器[2]设置25个，共5组，采用南北向布置，占地约2公顷。下面重点介绍系统流程设计情况以及特点。

2.2.1集热储热集中、计量分户工艺系统流程

系统中将来自自来水系统的常温水注入集热储热水箱，通过集热循环水泵升压后的冷水，进入到抛物线槽形太阳能集热器，利用其聚光集热原理，经多次循环吸热将水加热到～85℃后回到集热储热水箱。利用热水供应水泵将储热水箱中的热水，源源不断地供给住宅热用户。在每个热用户中，可使用自来水进行调温。集热储热集中、计量分户槽形太阳能集中式热水系统,详见图１。

在集热储热水箱设定了温度控制和水位控制，保证在任何时间都有恒温水供应。

为保证供给住宅热用户的水温恒定，即在光照比较好的天气和阴雨天均要保证有足够的恒温水供应，在集热储热水箱设置了一个辅助电加热装置。同时，利用辅助电加热装置,可防止在冬季槽形太阳能集热器和室外管路系统内水的结冰。

本模式系统中，包含的设备有槽形太阳能集热器、两个集热储热水箱、集热循环水泵、热水供应、辅助电加热设备等,以及系统控制及保护装置。

图1集热储热集中、计量分户太阳能集中热水系统图

图1中，①槽形集热器方阵，②集热储热水箱，③集热循环水泵，④热水供应泵，⑤热用户区域

2.2.2槽形太阳能集热集中、分户储热工艺系统流程

系统中将来自自来水系统的常温水注入缓冲热水箱，通过集热循环水泵升压后的冷水，进入到抛物线槽形太阳能集热器，利用其聚光集热原理，经多次循环吸热将水加热到～85℃后回到缓冲热水箱。利用热水供应水泵将缓冲热水箱中的热水，源源不断地送到住宅热用户的分户储热加热水箱中，与储热水箱的冷水进行表面式换热后，再回到太阳能缓冲热水箱。热水供应水泵设置了直接回到缓冲热水箱的再循环管路，可在系统启动和调整用热水量时利用。分户储热加热水箱出水温度设置在65℃左右，为保证供给住宅热用户的水温恒定，即为在光照比较差的阴雨天也要保证有足够的恒温水供应，在各个分户储热加热水箱均设有电加热装置。集热集中、分户储热槽形太阳能集中式热水系统[3],详见图2。

系统中在缓冲热水箱设置了温度控制、水位控制、过热保护、真空集热管炸管漏水报警等控制逻辑，保证在任何时间都有恒温水供应。同时，在缓冲热水箱也设置了用于防冻电加热装置，在冬季时若水箱内水温低于3～5℃时，利用电加热装置加热,以防止槽形集热器集热管内部和室外供回水管路内的水结冰而冻裂。

本模式系统中，包含的设备有槽形太阳能集热器方阵、缓冲热水箱、集热循环水泵、热水供应泵、辅助电加热装置、分户储热加热水箱，以及系统控制和保护装置。

图2集热集中、分户储热槽形太阳能集中式热水系统图

图2中，①槽形集热器方阵，②缓冲热水箱，③集热循环水泵，④热水供应泵，⑤分户储热加热水箱，⑥热用户区域

3槽形太阳能集中式热水系统与其它系统的性能比较

用于集中式热水系统常见的几种太阳能集热器，如平板太阳集热器、真空管太阳集热器、真空管热管太阳集热器等，与槽形集热器型式系统的主要性能对比详见表1。

表1常见集热器型式系统的主要性能对比表

4槽形太阳能集中式热水系统合理设计问题探讨

4.1关于选用系统模式建议

集热集中、集中储热工艺系统，实现了每月或每季总水量的集中管理，统一调整系统水温，实现了整个用户热水系统实现了集中统一运行维护，可适用于小型集中式热水系统选用。

集热集中、分户储热集中式热水系统，采用分户表面式换热装置及内置电加热，实现了分户计量及加热，系统温度及流量调整灵活。既可充分利用太阳能，又可利用电加热保证用户水温恒定，水质卫生，节能节水。本系统适用于大中型集中式热水系统选用。

4.2关于集热系统热负荷计算

槽形太阳能集中式热水系统的热负荷，是根据用户用热需求估算得出的［4］。由于用热过程具有很大的随机性，不同的用热目的，需要不同的用热温度且因人而异。假设根据用户日用热负荷曲线的统计分析，已得到平均用热温度和热水用量，则系统的热负荷Q可以按照下式估算：

(1)式中，Q为系统的热负荷(MJ)；ty为平均用热温度(℃)；tw为当地各季节平均自来水温度(℃)；m为热水用量(kg)；Cp为水的定压比热容，Cp=4.18kJ/(kg·K)。

4.3关于集热器面积的选择

根据(1)式计算的热负荷Q，系统需求的集热器积热面热A可按下式估算：

(2)式中，A为集热器积热面热（m2）；Q为系统的热负荷（MJ）；Ht为倾斜面上年平均日太阳辐射总量（MJ）；ηc为集热器平均集热效率；ηb为水箱与管路热损失率；f为太阳能依存率。

4.3集热储热水箱的选择

槽形太阳能集中式热水系统集热储热水箱的设计容积,在实际使用时主要受到用户用水同时率等因素的影响[5],通常是在标准工况下进行设计。设定集热储热水箱容量与系统定温热水最大日生产量之比称为储热水箱容量配比值，简称配比值。根据经验，推荐比值取0.4～0.9。

缓冲热水箱的容积选定可参考集热储热水箱容量的选择办法，根据经验，推荐比值取0.2～0.4。

4.4关于影响系统吸热效果的设想

（1）槽形集热器的安装，常见有水平南北向布置、水平东西向布置，均布置安装在无遮挡阳光的宽阔地面上。通常要根据所处地理位置，可选择不同的布置安装方式。考虑如下因素：1）当住宅小区地处中高纬度，应采用南北向布置安装；2）当住宅小区地处低纬度时，可采用南北向布置、也可以东西向布置安装，均可达到良好的集热效果。

（2）集热器之间要有一定的距离，以避免相互间遮挡影响其采光。在全年的日常使用中，只要保证冬至日前后排之间不遮挡，其他时间就不会出现遮挡现象。

5结论

1）提出了槽形太阳能集中式热水系统的新型供热水方式,为同行先行探索新思路。

2）为有效解决太阳能集中式热水系统应用存在的问题提供点滴途径。

3）住宅建筑中的槽形太阳能集中式热水系统，技术先进、安全可靠、经济合理，对推动国内太阳能热利用工程的规模化发展,以及建设绿色环保文明社会意义深远。

参考文献:(References)

[1]刘鉴民.太阳能利用·原理·技术工程[M].北京：电子工业出版社，2010.

[2]李昌伟，孟令杰，等.抛物槽式镜面及其制作方法：ZL201010560356.2[P].2013-07-10.

[3]潘平，方章聪,等.住宅项目中的集中式太阳能热水系统的设计与应用[J].建筑施工，2011，33(4)：333-335.

[4]民用建筑太阳能热水系统应用技术规范：GB50364-2015[S].

[5]中国建筑设计研究院主编．建筑给水排水设计手册(第2版)[M].北京：中国建筑工业出版社，2008.

作者简介：

李昌伟（1961—），男，北京市西城区，高级工程师，工学学士，从事火电厂工程热能动力设计、新能源应用设计研究的工作。