太阳能热水器集中供热系统在住宅小区的设计应用方案

太阳能热水器集中供热系统在住宅小区的设计应用方案目前我国大力提倡环境保护和能源节约,使得太阳能技术得到长足的发展。家用太阳能热水器走进了千家万户。据资料显示:太阳能热水器具有节约常规能源、不会造成环境污染、使用方便、经济效益明显等优点。浙江省年平均日照量在2000h以上,太阳能的利用具有很大的潜力。但是太阳能热水系统尚未纳入建筑给排水设计,造成住户在购买商品房后各自安装太阳能热水器,因没有统一的规划,使得布置上零零落落;且现在新建住宅取消屋顶生活水箱,采用变频泵供水,住户只好用塑料管沿外墙把冷水接至太阳能热水器,再沿外墙把热水引下,在外墙凿洞进入室内。由于所采用的塑料管颜色不一、管径各异,未采取可靠的固定措施,一遇大风随风摆动,极易造成事故;且水管如蜘蛛网般布在外墙面,墙面上千疮百孔,遇漏水,墙上水渍斑斑,严重影响市容市貌。针对上述情况,笔者考虑在住宅给排水设计时应把太阳能热水系统作为设计内容之一,以避免上述情况的出现。本文是太阳能热水器集中供热系统在住宅小区的设计应用情况,不足处敬请同行指正。1工程概况该住宅小区位于浙江省衡州市城东,分四期开发。前三期未考虑太阳能热水系统,住房出售后住户反映强烈,因安装热水器而引起的邻里纠纷不断。四期建筑面积4.2万m2,都为6层带跃层住宅一梯两户,为坡屋顶。供水方式为小区消防生活水池-变频泵-用户,取消屋顶生活水箱。水池集中设置在小区绿化带内。结合前三期的经验,改变以往先建设后配套造成的重复施工、重复破坏,并相互抢占屋面、安装混乱的不合理做法。决定四期工程太阳能热水系统与主体同步设计、施工,并同步交付使用。设计中优化太阳能屋面热水器设置及循环水系统,有效利用屋面空间、科学选择热水器朝向、合理配管、充分发挥设备功效。2太阳能热水器的选型浙江省市场上太阳能热水器品牌繁多,所以选型是整个设计的关键。设计人员协同开发商本着如下原则选型:①生产厂家应具有多年的生产经验、技术力量雄厚,有完善的售后服务体制。②太阳能热水器贮水箱耐腐蚀、无毒、保温性能好、外形美观。③要求产品热效高、强度大、质地轻、设备运行可靠、故障少。④价格合理,以减少开发商的投资。经多方比较后,确定选用带卧式副水箱全自动型产品(坡屋顶式)。该型号适用于坡屋顶,克服了现有技术各种太阳能热水器重心高,在坡屋顶上安装困难等缺点,安全可靠、外形平整,成片安装整齐美观。安装贮水箱位置由建筑专业做相应处理。表1为该产品与浙江省家用太阳能热水器地方标准的比较情况,表2为该产品性能参数。表1选定产品与省标比较项目浙江省标准选定太阳能热水器保温聚胺脂发泡40mm聚胺脂发泡50mm热性能/%4551水箱内胆/mm0.50.5（3042B不锈钢）0.40.8承压耐压要求/MPa2倍于热水器的0.05MPa空气检漏非承太耐压要求水压检漏表2性能参数项目浙江省标准选定太阳能热水器保温聚胺脂发泡40mm聚胺脂发泡50mm热性能/%4551水箱内胆/mm0.50.5（3042B不锈钢）0.40.8承压耐压要求/MPa2倍于热水器的0.05MPa空气检漏非承太耐压要求水压检漏从表2中可以看出该产品具有以下优点:(1)集热效率高。外表面采用选择性Al一N/Al吸收涂层,该涂层对太阳能吸收率高达0.93以上,发射率＜0.060内外管间真空度＜5×10-3Pa,空晒温度可达250℃左右;夏季水温可达90℃,冬季也能产生45℃以上热水。(2)保温性能好。该水箱保温层由高效保温材料聚苯乙烯与聚胶脂发泡而成,保温性能是普通聚苯乙烯泡沫板的3倍,能保温48h以上。(3)使用寿命长。产品外壳采用进口双涂彩板和不锈钢,防腐抗老化性能好。真空集热管采用特硬高砌硅玻璃制造,能承受0.6MPa压力和2.5cm冰雹,理论寿命为15年。3全自动型工作原理位于住宅单元底层的上水阀处于常开状态,自来水经上水管及卧式副水箱中浮球阀自动上水,水满后浮球阀自动关闭。在使用时,主水箱中的热水经热水管及各配水点流出,副水箱中的水给主水箱补充,副水箱水面下降、浮球阅下降并自动补水,主水箱在自动运行状态下总是充满水。副水箱的水是通过一个混水装置补进主水箱的,可保证在使用热水时,主水箱中的热水缓慢均匀降温,避免骤冷骤热现象的发生。而且当自来水水压不稳时,只要夜间或其它时间自来水水压恢复正常,一小段时间后冷水即通过副水箱的浮球阀自动补满。因进水口在水平面之上,故再停水时水也不会倒流。4设计过程4.1集热采光面积的确定太阳能热水器的采光面积与集热器的热性能、使用期间的气象条件、用户所需的水量和水温等诸多因素有关。该住宅小区设计热水量为120L/(人·d),在计算热水量时每户按4人考虑。每一单元热水量V=120×4×12=5760L。按每平方米集热面积可产40℃热水80L计算,则一个单元需真空管集热面积为72m2,选用12排ZT24（1.5)型太阳能热水器。联接方式为并联的集热器组并联,如图1。该系统具有自动补水功能,无人值班,通过自动控制的水泵循环换热。即使单支集热管损坏,整个系统照常运行。4.2循环系统为避免管网内积存有冷水的情况,设计时采用循环泵强制循环的方式,采用温度控制器控制泵的循环。室内管道设计为串联式,以加大各支路水头损失,使得各支路循环阻力相对平衡。循环水泵的扬程应足以克服管道阻力,流量取2L/(min·m2)的集热面积。循环水泵采用单相式,安装位置设在系统上部,因安装在室外,设计时采取安装防护罩的保护措施。考虑到其电能的收费问题一直是房管部门及住户最伤脑筋的事,既不能及时收取电费还影响邻里关系,设计采用CKJ-F3型楼宇公共用电均分器。该产品由固态双向晶闸管分时输流导通,达到均分电能的目的,由于集成电路振荡器周期误差近似零,均分器精度较高。安装时只须与单元各用户电表相连,然后把负载输入端子与水泵相连即可。4.3热水管道布置及计量在进行给排水设计时将室内热水管纳入住宅厨卫设计中、合理布置。厨卫间太阳能热水管集中设于管道井中,热水支管暗敷在墙内。因每户拥有两套卫生间及一套厨房,用水点分散;因楼面采用预制险板及厨卫部分楼面为现浇板,配水管采用暗敷不可行,明敷则影响美观。故采用每个卫生间和厨房分设管道井。本工程在每户卫生间及厨房间分别设置冷、热水远传式水表。4.4管材的选用及保温因屋面热水管长期暴露在外,受太阳曝晒。阳光中的紫外线加速管道老化,所以设计时选用了黑色的铝塑复合管,室内热水管为桔红色热水型铝塑复合管。铝塑复合管导热系数远小于铜管,一般情况下总热损失小于铜管。这样相应减少循环流量,降低运行成本。屋面保温材料采用单面开口高发泡聚乙烯管壳,厚度不小于15mm,保温材料包覆后,屋面热水管应外缠两道宽度为100～120mm,厚度为0.22mm黑色聚氯乙烯薄膜保温层,保护层外表用1mm浸塑铁丝扎紧,间距为400～450mm。4.5太阳能集热器的安装方位集热器的最佳布置方位是朝向正南,允许向西偏离15。以内,否则将影响热水器表面上的太阳能辐射强度。集热器倾角的确定,根据全年使用经验公式a=ψ+(50～100)式中a----集热器的倾角;ψ----当地纬度。衢州市所处纬度为29。,得倾角为a=290+80=370太阳能热水器前后排不挡光的最小距离可由下式计算:S=(H/tgas)×cosγs式中S----不挡光最小距离;H----集热器前面物体高度;a----太阳高度角;γs----方位角,本设计该值取0。本设计结合当地具体情况按相隔1.8m考虑。5安装要点(1)按照设计确定的集热器最佳布置方位安装不锈钢支架、主水箱和尾座。(2)因玻璃真空集热管空晒会产生200℃左右的高温。如立即上水将会使真空集热管炸裂。所以安装时应从纸箱中取一支装一只。先往集热管中灌水,套上装饰圈用肥皂溶液涂抹集热管口部的外壁约10～15cm长使之润滑。边旋转边缓慢插入水箱孔内硅橡胶封水圈中,然后将集热管小心地旋转后退,使集热管尾部退入尾座箱塑料托底部。(3)选择好朝向,安装支架、主水箱和尾座,热水器支架四个脚应分别安装L型铁片,并用险埋好。调整好各部件位置,并用抱箍带将水箱固定,防止大风将热水器掀翻而造成事故。(4)安装时应注意不可把出气孔堵塞,否则会因正压鼓坏或负压抽瘪损坏热水箱。(5)安装副水箱的顺序是:将连接主副水箱的塑料管涂上皂液,经检修孔由副水箱内向外穿出,再插向主水箱上部对应的孔内,同时套上环状保温垫,最后在安装并收紧副水箱的包箍带后,将副水箱内的塑料管再次用力按一下,使之插到位防止渗漏。(6)太阳能热水器各支架与屋面避雷网可靠连接,以防雷击。(7)集热系统的感温元件应安装在最后一块集热器的出水处,而不要安装在回水管路上,否则感温元件不能及时反映热水器中的水温,造成系统集热效率下降。6小结该太阳能热水系统出水水质清洁卫生,住户入住后该热水系统受到了好评。虽然太阳能热水器的初装费用较高,但一次投资,多年受益,不必增加后续费用。但也存在阴雨天或日照不足时无法使用的问题。笔者与厂家联系后解决办法是每户增加辅助电加热器。该加热器采用热管导热技术和特殊的高效水电隔离技术、独特的防干烧装置和可靠的漏电保护插头,使得太阳能热水系统全天候供应热水成为可能。供回水干管设于屋顶楼板下，坡度i＝0.003，每根干管末端设自动集气装置，焊接钢管DN≥32mm时焊接，DN≤32mm螺纹连接。采用翼柱760型铸铁散热器，明装落地式安装，表面在除锈后刷防锈漆一遍，干后刷银粉两遍。3、保温管道刷防锈漆两道，岩棉保温管壳。不保温管道刷防锈漆两遍，耐热色漆或银粉两遍。岩棉保温管壳密度小，导热系数小，适用温度范围广，施工简便，但刺人。4、采暖系统安装完毕，保温之前应进行水压试验。试验压力为工作压力的1.5倍，但不小于0.6兆帕，试验时间为2—3min。本系统应以顶点工作压力加0.2兆帕作水压试验。同时在系统顶点的试验压力不得小于0.4兆帕。检验方法：采暖系统在实验压力下十分钟内的压力降不得大于0.02兆帕，降至工作压力后检查不渗不漏。5、采暖系统安装竣工并经试压合格后，应对系统反复注水，排水，直至排出水中不含泥沙，铁屑等杂质。《工业管道工程施工及验收规范》（GBJ235--82）中规定：水冲洗的排放管应介入可靠的排水井或沟中，并保证排泄畅通和安全。排放管的截面不应小于被冲洗管截面的60%。水冲洗应以管内可能达到的最大流量或不小于1.5m/s的流速进行，水冲洗应连续进行。当设计无规定时，则以出口的水色和透明度与入口处目测一致为合格。管道冲洗后应将水排尽，需要用压缩空气吹干或采取其他保护措施。6、阀门根据设计规范，阀门的设置应在满足使用和维修的条件下，尽量减小。通常在套管分支线长度超过25m的分支处，预留扩建处，装设阀门。DN≥600mm的阀门应采用电动驱动装置。工作压力≥1.6兆帕，且DN≥350mm的管道上的阀门应安装旁通阀，直径按闸阀直径的十分之一取用。（1）闸阀只用于全开全闭的供热管道，不许做截流用。有明杆和暗杆之分，暗杆适用于非腐蚀性介质及安装操作位置受到限制的地方。明杆适用于腐蚀性介质，安装操作位置不受限制的地方及室内管道上。（2）截止阀只用于全开全闭的供热管道，不许做截流用。不做流量或压力调节用，常用于DN不大于200mm的管道上。（3）蝶阀用于全开全闭的供热管道，也可做截流用。（4）调节阀用于全开全闭的供热管道，并具有良好的调节作用。新疆哈密欧景苑小区住宅二期由５号、７号、８号和９号４栋６层砖混结构楼组成，采用欧式建筑风格，南向檐口局部坡顶造型，屋顶为平屋顶，外墙外保温，双玻塑钢窗，为节能住宅建筑。四栋楼合计１３单元，每单元１２户，小区二期共计１５６户，基本户型４种，单户建筑面积分别为８３．１６ｍ２，１００．２１ｍ２，１１０．４４ｍ２和１３２．４４ｍ２，总计建筑面积约１．６万ｍ２。小区冬季供暖采用低温热水地板辐射采暖，以低温热水为热媒，通过埋设地板内的ＰＥＸ管把地板加热，均匀地向室内辐射热量，是一种对房间微气候进行调节的节能采暖系统，具有热感舒适、热量均衡稳定、节能、免维修、方便管理等特点。根据设计部门提供的设计文件资料，住宅采暖设计室内温度为１６℃～２０℃，地板采暖供回水温度为４５℃-３５℃，采暖设计热负荷小于４５Ｗ/ｍ２，建筑耗热量指标为２１．３Ｗ/ｍ２。小区各户以栋单元设置集中热供水管，集中供应生活热水，分户热水表计量。设计６０℃生活热水指标为２００升/户·日。热供水管网设置立管回水循环，保证各层用户生活用热水即开即热，节约热水资源，方便计量管理。根据该项目建筑特点及采暖、热水功能要求，采用太阳能集热复合低谷电辅助加热系统提供建筑采暖及生活热水所需热源。复合系统依据栋单元设置太阳集热装置、保温储热装置、辅助加热装置及自动控制装置。设计计算及选型：系统换热负荷计算：根据该项目功能要求及相关设计规范标准，以小区８号楼为例，计算生活热水换热负荷及采暖换热负荷。８号楼每单元１２户，共３单元，合计３６户，每户建筑面积１００．２１ｍ２，合计建筑面积３，６００ｍ２。生活热水负荷：８号楼３６户每户６０℃生活热水２００升户·日，日均生活热水量合计７，２００升水，自来水温度为１０℃，则日均生活热水负荷为７，２００×（６０－１０）÷８６０＝４１９ｋＷｈ生活热水负荷由太阳集热系统完全提供，平均有效日照时间按每天８小时计。采暖换热负荷：８号楼３６户每户建筑面积１００．21ｍ2，合计建筑面积３，６００ｍ２，采暖设计室内温度１６℃～20℃，采暖设计热负荷４５Ｗ/ｍ２，建筑耗热量指标２１．３Ｗ/ｍ２，则采暖设计换热负荷为３，６００×４５÷１，０００＝１６２ｋＷ，日均建筑耗热量为３，６００×２１．３÷１，０００×２４＝１，８４０ｋＷｈ采暖换热负荷由太阳集热系统部分提供，平均有效日照时间按每天８小时计。由上可知：采暖期８号楼３６户日平均综合耗热量：４１９＋１，８４０＝２，２５９ｋＷｈ，采暖设计热负荷：１６２ｋＷ按太阳集热系统完全提供采暖期生活热水及采暖的日平均小时热负荷为２，２５９÷８＝２８２ｋＷ，按太阳集热系统部分提供采暖期采暖及完全提供生活热水的日平均小时热负荷为（１，８４０÷２４）＋（４１９÷８）＝１２９ｋＷ按太阳集热系统完全提供非采暖期生活热水的日平均小时热负荷为４１９÷８＝５２ｋＷ。太阳集热器选型：本系统太阳集热器选用ＴＭＱＲＺ５８１８Ｐ/３．０/５８*１８００型热管真空管太阳集热器ＴＭＱＲＺ５８１８Ｐ/３．０/５８/１８００型热管真空管太阳集热器工作原理：ＴＭＱＲＺ热管真空管是金属芯玻璃真空集热管的一种形式，是继闷晒型、平板型、全玻璃真空管之后的新型太阳能集热产品。ＴＭＱＲＺ系列热管全玻璃真空管集热器是全玻璃真空管集热器的升级产品，集全玻璃真空管集热优势和热管传热优势于一体，热管干插式连接，金属传热、承压运行，全面解除全玻璃真空管集热器易冻裂、易炸管、易结垢、易漏水等隐患。本产品性价比高，经济实用。ＴＭＱＲＺ热管真空管太阳集热器由热管真空管、联集管、保温盒、支架等部分组成。其工作原理见上图所示。太阳光透过玻璃管，照射在真空管内管外壁的选择性吸收涂层上，高吸收率的太阳选择性吸收膜将太阳辐射能转化为热能通过内置导热铜带或蓄能导热砂传至热管，迅速将热管蒸发端内的少量工质汽化，被汽化的工质上升到热管冷凝端，使冷凝端快速升温，集热器联集管上的导热套管吸收冷凝端的热量加热集管内流体。热管工质放出汽化潜热后，冷凝成液体，在重力作用下流回热管蒸发端，再汽化再冷凝。热管真空管集热器通过热管内少量工质的汽—液相变循环过程，连续不断地吸收太阳辐射能为热水系统或采暖系统提供热源。ＴＭＱＲＺ系列热管真空管结构示意图纯平热管真空管太阳能集热器突破了普通集热器安装角度的限制，可以水平安装于建筑屋面，在保证集热效率的情况下更容易实现太阳能与建筑的结合，并且安装集热器所占用的建筑空间更小。１．系统上水：系统采用自控上水，根据水箱温度及水箱液位自控定温上水，满水自锁防溢。集热定温上水功能：在太阳能集热工作状态下，系统根据水箱温度执行集热定温上水功能。辅热定温上水功能：在电辅助加热工作状态下，系统根据水箱温度执行辅热定温上水功能。２．温差循环设定太阳集热器与储热水箱温差值（启动温差值予设定８℃，停止温差值予设定２℃），系统达到启动温差值，即太阳集热器比储热水箱温度高８℃以上时，启动温差循环，系统达到停止温差值，即太阳集热器与储热水箱温度差值为２℃时，停止温差循环。系统通过温差循环控制启动循环泵，对水箱中的水进行循环加热，充分利用太阳能集热。３．辅助加热系统电辅助加热需人工开启辅助加热电源空气开关。系统自动检测储热水箱温度：当储热水箱温度达到设定加热控制温度下限值予设值５０℃，系统开始电辅助加热；当储热水箱温度达到设定尤瓤刂莆露壬舷拗担熡枭柚担叮啊妫牐低匙远Ｖ沟绺ㄖ尤取Ｏ低车绺ㄖ尤茸钥胤肿橥度搿BR>４．恒温供水系统检测热供水回水管路温度，当管路温度达到设定控制温度下限值予设值３８℃，系统启动供水管路循环泵，储热水箱内热水进入供水干管，通过回水管回到储热水箱；当管路温度达到设定控制温度上限值予设值４２℃，系统自动停止供水管路循环泵，完成供水管路恒温功能，保证各层用户用水即开即热。５．供暖循环系统检测供暖二次水回水管路温度，当管路温度达到设定控制温度下限值予设值２５℃，系统自动启动供暖循环泵，当管路温度达到设定控制温度上限值予设值３５℃，系统自动停止供暖循环泵。６．定时控制系统电辅助加热可分时段设定运行，此时电辅助加热电源空气开关应在开启状态。系统进入加热运行时段后，自动执行电辅助加热及箱温上水功能。７．防冻保护为有效降低系统热损，屋面集热场