基于太阳能热水系统及小区集中供暖、供热水系统设计

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基于太阳能热水系统的小区集中供暖、供热水系统设计（青岛理工大学环境学院）张忠军200705172zhzhjgood@qq.com赵贺光200705173zhaoheguang1988@163.com摘要：本文分析了我国太阳能利用的政策，以及利用的现状，以一栋住宅楼为例设计了基于太阳能热水系统的小区集中供暖、供热水系统，并分析了其经济性、可靠性和环保性。关键词：太阳能热水系统建筑集中供暖、供热水中国作为一个耗能大国，能源结构却以化石能源为主，而化石能源的消耗带来了和严重的环境污染问题日益显现，有专家预言，到2050年，太阳能和其他可再生能源将替代石油和煤炭，逐渐成为世界能源的主角。建筑耗能是我国的能耗大户。2000年，全国建筑能耗为3.56亿吨标标煤，占全国总能耗的27.8%。在我国建筑能耗中，采暖能耗占很大的比例。目前我国单位建筑面积的采暖能耗约比发达国家高2倍以上。本文设计的基于太阳能热水系统的小区集中供暖、供热水系统将太阳能与建筑节能结合，有利于我国现行的节能减排政策。我国太阳能采暖的研究开发工作还处于初级阶段，目前虽然已建成一些太阳能采暖系统的示范工程，但与太阳能组合系统的推广应用尚有一定距离。 太阳能热水系统在中国应用已十分广泛，但是大型太阳能热水系统应用很少，本项目主要设计将小区的分户热水系统设计为集中建设在房屋顶部的大型太阳能热水系统。该系统制造的热水主要是可用于冬季的的地热供暖，也可用于冬、夏季的供热水，由于地热供暖水温要求50℃左右，所以该系统可大大提高太阳能集热器的热利用效率。从而更有效的利用太阳能。太阳能采暖利用太阳能加热的系统，既可以为用户提供生活热水，又可以为住宅供暖。实际上，太阳能采暖系统和太阳能热水系统的基本构成是相似的，太阳热水系统通常由集热器、贮水箱、连接管路、辅助加热器、控制器等部件组成。本次设计的系统为带辅助能源的间接系统。基于太阳能热水系统的小区集中供暖、供热水系统的特征（1）采暖负荷和生活热水负荷的计算与比较本系统跟太阳能热水系统相比较，两者都是利用太阳集热器收集太阳能并将其转换成热能，而且都将获得的热量传输到蓄热装置。从这个意义上说，这两种系统是非常相似的。然而，太阳能组合系统与太阳能热水系统的最大差异在于热负荷的不同，前者有采暖和生活热水两个热负荷，而后者只有生活热水一个热负荷。采暖负荷和生活热水负荷的特性是不尽相同的。 从全年来看：随着季节不同，采暖负荷的大小也不同；然而，用户全年都需求热水，故生活热水负荷在全年变化较小。从每天来看：采暖负荷在大部分的时间里都比较平稳；生活热水负荷有高峰有低谷，起伏较大。从系统的进出口温度看：采暖系统的进出口温差小；生活热水系统要补入冷水，故进出口温差大。从回路中的介质看：在采暖回路中的介质是无氧、非腐蚀性的水，可反复使用；在生活热水回路里的是有氧、有腐蚀性的水，随时被消耗掉。跟生活热水负荷相比，每幢房屋的采暖负荷取决于当地的气候条件、房屋的建筑尺寸、保温情况、通风条件、被动太阳房技术的采用程度、屋内的热负荷状况以及居住人数等诸多因素。只要白天有足够的太阳辐射，就由太阳集热器提供热量；否则，就由辅助能源（油、气、电、木材等）补充太阳能的不足。太阳能组合系统设计必须遵循下列基本原则：使太阳集热器在尽可能低的工作温度下运行，以便获得尽可能高的集热效率。太阳能组合系统设计的关键是如何综合不同能源和不同热负荷的技术特性，设计出完整、耐久、可靠、经济的太阳能组合系统。（2）贮水箱的热分层根据采暖负荷和生活热水负荷的温度要求不同，太阳能组合系统应当同时具有不同温度的热水。当然，最简单的方法是设置1个贮存不同温度热水的贮水箱，借助于智能化控制器，驱动不同的阀门和水泵进行系统运行，这显然要提高系统的造价。另一种方法是只采用一个贮水箱，由于热水的密度比冷水的密度低，所以热水总是位于贮水箱的上部，冷水总是位于贮水箱的下部。要保持贮水箱的热分层，必须采取一些特殊的措施，以避免不同温度的水在贮水箱内混合。热分层可以通过两 种途径来实现：一是对贮水箱上部加热，另一种是从贮水箱下部取热。加热或取热，既可以采用直接方法，也可以采用间接方法。所谓直接方法，就是在贮水箱的进口处注入水或者从贮水箱的出口处取走水。这种直接方法可以在贮水箱内建立良好的热分层，但必须正确地设计贮水箱进出口的形状及进出口的高度。所谓间接方法，就是通过置于贮水箱内的换热器，对储水加热或者从储水中取热。这种间接方法可以在贮水箱内建立局部的热分层，但其最终效果不及直接方法。本文设计的系统为贮水箱的系统，系统如图所示：贮水箱的系统该系统有以下主要特性：1系统设置贮水箱，分别贮存采暖热水和生活热水，水箱的尺寸大小可以单独选择。2采暖贮水箱的热分层是利用三通阀来实现，它将太阳集热器提供的热水引入采暖贮水箱的中部或顶部。3采暖贮水箱的上部跟辅助加热器连接。4水泵使采暖贮水箱的热水通过生活热水贮水箱内的换热器，加热生活热水。当太阳集热器的出口温度高于贮水箱的底部温度时，就启动集热器回路的循环泵。5当与太阳集热器连接的换热器的出口温度高于采暖贮水箱的底部温度时，就启动 换热器回路的循环泵。6、三通阀的运行是根据换热器的出口温度高低来控制的，当生活热水贮水箱的温度低于设定温度或者当采暖贮水箱的温度足够高时，就启动生活热水循环泵。7当采暖贮水箱的温度低于设定温度时，就启动辅助加热器。由于该系统采用地板辐射采暖，住户会感到相当舒服，但这种系统只适用于新建的房屋或者地板翻建的房屋。本系统具体设计如下图所示，将屋顶分为八个部分，每一部分为一个小的集热系统。最后所有集热器的热水都集中到屋顶内的集水箱内。再由集水箱向各个房间内的地暖系统送50℃左右热水，如下图所示：屋顶集热系统剖面图在系统中的集热器都采用闭式，管内充注的是蒸发温度较低，冷凝温度也较低并且汽化潜热较大的物质，这些物质在管子中吸收太阳能的热量，汽化，并在热推动力的作用下运动到管顶部的换热设备，与地暖系统中的水换热，使水的温度升高，这样可以减少水在集热器中运行是可能会产生水垢，从而影响换热效果。 屋顶集热系统局部剖面图每根集热管与换热管的连接方式下图所示，这样就将集热和供暖系统中的水分开，便于维修和管理。结语：这种太阳能组合系统，既可为用户提供生活热水，又可为住宅提供建筑采暖，越来越受到国内外太阳能界的重视。近多年来，国外已经设计和安装了多种类型的太阳能组合系统，其中大都已进入市场，而且在太阳能热利用领域中的市场份额正在逐步扩大，这些都可作为我国太阳能采暖开发的有益借鉴。