摘　要：某辦公建筑頂層新增面積擬采用太陽能熱水系統實現冬季供暖、樓內衛生間洗手熱水供應、春夏秋季部分洗浴熱水供應。對太陽能熱水系統的流程設計與控制策略進行了探討。

關鍵詞：辦公建筑　太陽能熱水系統　流程設計　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、空調能耗年增長幅度較大，開發利用包括太陽能、風能在內的可再生能源，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或供熱量不足的情況。我國學者對太陽能的利用進行了許多研究和實踐^[1-7]，本文結合工程實例，對辦公建筑太陽能熱水系統流程設計與控制策略進行探討。

1　工程概況

1.1　工程概況

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

根據辦公樓擴建需要，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進行供暖，供應樓內1～7層衛生間的洗手熱水，春夏秋季為浴室提供部分洗浴熱水。

1.2　工程要求

①集熱器集中設置在樓頂，蓄熱水箱、循環泵、控制系統設置在第7層預留的設備間內。

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提供熱量，不足部分由現有低溫循環水供暖系統補充。夜間及節假日僅需考慮低溫運行，實現進一步節能^[8]。

③春夏秋季，太陽能熱水系統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制備。

1.3　設計參數

新增建筑面積為487m²，實際供暖面積約400m²，供暖熱負荷指標按70W／m²計算，室內采用地板輻射供暖系統。工作日(工作時間7：00—17：00)設計供、回水溫度為45、40℃，下班及節假日設計供、回水溫度為25、20℃。每層樓的衛生間設有2個洗手盆，共l4個，設計日用水量3.5m³／d。洗浴熱水設計供水溫度為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地緯度一致，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為水，表面設置集熱板，集熱器內設銅管(采取下進冷水上出熱水方式)，銅管底部設保溫層。由于保溫效果較差，平板集熱器僅適用于需要低溫熱水的場所，且比較適合南方使用。平板集熱器在冬季運行容易結冰，因此我國絕大多數應用平板集熱器的太陽能熱水系統采用了低溫回流排空技術。由于循環水系統為金屬管焊接，能滿足承壓要求。真空管集熱器適用的溫度范圍較寬，但由于真空管與聯箱的連接部位采用硅橡膠密封圈進行密封，當循環水系統壓力超出連接部位承壓范圍時，易導致真空管脫離聯箱，并造成聯箱內水的整體流失。熱管集熱器的承壓能力不僅強于真空管集熱器，而且更換其中一根故障熱管，不會對整個循環水系統造成影響。

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。該太陽能熱水系統主要是為冬季供暖，為保障連續供暖及方便維護，采用熱管集熱器。

3　流程設計及控制策略

①流程設計

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

②控制策略

控制系統采用可編程(PLC)控制、觸摸顯示屏操作界面，通過監測測點的溫度、壓力等參數，根據運行策略自動控制泵的啟停、電磁閥的動作、電動調節閥的相對開度，來控制太陽能熱水系統的運行。

a．整體控制

太陽能熱水循環泵采用溫差控制：當測點Tl溫度高于測點T2、T3溫度7℃及以上時，控制系統啟動太陽能熱水循環泵；當小于或等于3℃時，控制系統關閉太陽能熱水循環泵。運行人員可根據季節及天氣情況，設置溫差范圍。

冬季，洗浴蓄熱水箱停用檢修并進行清理，太陽能熱水系統以滿足供暖需求為主，控制系統監測測點他溫度。當測點T2溫度低于設定溫度40℃時，控制系統打開低溫循環水供水管道上的電動調節閥，輔助加熱供暖蓄熱水箱中的水；當測點T2溫度高于設定溫度45℃時，控制系統關閉該電動調節閥。衛生間洗手盆采用混水龍頭調節出水溫度，為了使洗手盆混水龍頭即開即熱，在洗手熱水循環系統中設置一個小功率(40W)洗手熱水循環泵。

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

b．地板輻射供暖系統控制

在回水管道上設有溫度傳感器、電動調節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不會過熱，保持資用壓力恒定。

c．蓄熱水箱補水控制

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

洗浴蓄熱水箱設有上下限液位傳感器。當水位降至下限水位時，控制系統打開自來水管道上的電磁閥強制補水；當水位達到上限水位時，控制系統關閉該電磁閥。

d．防凍控制

太陽能熱水系統采用落水防凍控制。在屋頂設有室外溫度測點，當冬季室外溫度降至3℃以下時，設在設備間內的防凍落水電磁閥自動打開，太陽能熱水循環泵連動停止，集熱器及管道中的水在重力作用下落回供暖蓄熱水箱，實現了防凍。防凍落水電磁閥旁還設計了防凍落水手動閥，可根據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。集熱器及管道設計安裝時均已考慮合理坡度，避免了循環水系統存水結冰的發生。無論設置在設備間的蓄熱水箱、水泵、管道，還是室外管道均進行了保溫處理，最大限度地保證了循環水系統不結冰。

e．防結垢控制

由于洗浴蓄熱水箱的溫度控制在50℃內，集熱器內部水溫也基本在60℃左右，因此結垢現象并不嚴重。為了進一步控制結垢，在自來水管道上設計安裝電子水處理儀(圖1中未表示)，不但有效遏制了結垢問題，也起到了殺菌、滅藻的作用。蓄熱水箱補水時，電子水處理儀自動啟動，反之自動關閉。

4　結語

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

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本文作者：許征　張厚棟

作者單位：青島市熱力規劃設計研究院有限公司