太阳能热水系统与建筑一体化的工程实践

ＩＳＳＮ１６７２－９０６４ＣＮ３５－１２７２／ＴＫ可再生能源

太阳能热水系统

与解决方法。

关键词：太阳能集热器建筑一体化中图分类号：ＴＵ８３２．１７

文献标识码：

建筑一体化的工程实践４７３００９）

高军林朱吉顶刘玉山

（河南工业职业技术学院河南南阳

摘要：以河南工业职业技术学院新区太阳能洗浴工程为例，介绍太阳热水系统与建筑一体化设计时主要应考虑的问题及其

文章编号：（２００６）１６７２－９０６４０５－０１０６－０３

太阳能系统、自动控制系统、热交换系统与建筑一体化示范项目工程，是豫西南较大的太阳能系统热水工程。下面介绍一下我们在工程设计和实践中的一些基本思路和做法。

０前言

太阳能集热器的优越性早为人们所认同，利用太阳能提供采暖和生活热水的技术已经相当成熟。但对集热型大型太阳系统工程的开发，却是最近几年才出现的，特别是怎样处理好太阳能系统与建筑一体化的关系，成为当前太阳能业内亟待解决的问题。

太阳能与建筑一体化是太阳能健康发展的必由之路。国家、建设部为了支持这一事业的发展，相继在全国范围内建立了一批太阳能与建筑一体化试点工程项目，对这一事业的发展起到了推动的作用。国家建设部已将太阳能热水器建筑一体化应用作为建筑节能工作的重要组成部，并积极分，列入了建筑节能的《九五计划与２０１０年规划》筹备实施《中国住宅阳光计划》。为规范行业，提高产品的产业化程度，国家经贸委出台了《２０００～２０１５新能源与可再生能源产业发展规划》，明确规定将太阳能热水器产业作为主要任务。

我院在新区建设中贯彻落实教育部有关文件精神，积极建设节能环保型生态校园，在新区浴室建设中，经过有关人员考察论证，决定采用太阳能系统，并把它做为我院太阳能与建筑一体化试点科研项目，通过我院与厂家双方的密切配合，使项目本身达到非常好的效果，获得了河南省太阳能研究所有关专家的一致好评。

我院太阳能热（水）工程由真空管太阳集热器、储热水采用自动化箱、辅助热源、循环管道、自动控制５部分组成，温控、水位控制等原理，实现全年３６５天都能用上热水的太阳能热水器系统。

该系统是河北光源太阳有限公司与我院有关部门联合设计的示范系统。该系统采用６１２ｍ的插管式集热器，可日

２

１工程项目原始参数

示范工程地处河南南阳，位于我国华北地区南部，约位，北纬３３°。夏季气温可高达４０℃左右，冬于东经１１２°３２′００′基础水温为１５℃，太阳辐射量约为季气温可低到－１０℃左右，

晴天平均日照时间为８．５ｈ。５４４３ＭＪ／ａ．ｍ２，

２工程项目主要内容

（１）对太阳能洗浴系统、太阳能系统、锅炉热交换系统、一卡通系统、茶水系统进行总体优化设计，以保证系统运行的安全、可靠、节能、环保和实用。

（２）研究太阳能与建筑的结合方式，尤其是与建筑物屋顶和墙面的结合方式。

（３）插管式真空管太能集热器系统的管路与原建筑设计管道合理匹配。

太阳能集热器阵列的优化布置。（４）

（５）研制运行可靠、操作简便的自动控制系统，并对其进行智能化。

（６）对太阳能综合系统与常规系统的技术经济性进行比较。

３主要技术指标

（１）插管式太阳能集器：采光面积：涂层吸收率：６１２ｍ２，涂层反射率：玻璃管透过率：≥０．９３，≤０．０８，≥０．９０。（２）热水供应温度：４０～５５℃。（３）热水供应能力：热水４０ｔ。（４）太阳能集热器工作温度：８０～９５℃。太阳能集热器平均效率：（５）≥５３％。（６）太阳能保证率：全年平均６０％。

产４０℃热水４０ｔ，每天洗浴人数在８００～１０００人。该工程为

作者简介：高军林（１９６４￣），男，同济大学硕士研究生，副教授。

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能源与环境

可再生能源

ＩＳＳＮ１６７２－９０６４ＣＮ３５－１２７２／ＴＫ４设计理念

（１）采用整合设计原则，从项目立项到施工设计的整个过程，综合考虑用户的建筑物、使用工况、集热器规格及性能参数、系统配置及运行方式、使用和维修、节能与安全、经济效益等因素，均应符合工程系统的设计原则。

力求使太阳能与常规能源最佳组合，充分利用太（２）

阳能，最大限度降低燃料消耗量，从而达到节约费用之目的。

（３）系统设计的先进性、安全性、可靠性、耐久性等综合目标。

较好的经济效益和社会效益，并在环保、节能、文明（４）

用水、洗浴档次等方面提供一套完美的硬件设施。本系统工程设计使用寿命达到１５ａ以上。（５）

部件。

集热器安装与设计方案。系统设计总配置集热器为（２）

采光面积６１２ｍ２。利用真空管５７１２支，春、夏、秋３个１０２组。

季节晴好天气日产４５～５５℃以上热水４０ｔ。冬季在产水量不变的情况下，水温可达到３５℃以上。

按照提供的屋顶可占用面积，计划将太阳能集热器安装在浴室楼顶平面上。根据太阳能集热系统最佳循环方式及相关技术要求，系统安装确定采用强制循环方式。分为６个相对的循环区域。整体分２排３层布置，既节约了空间，又整齐统一，在选择玻璃真空管的颜色上，为了与屋面的装饰墙、凉亭的颜色相匹配，我们选择了蓝色的真空玻璃管，总体造型美观，适应建筑风格，与屋顶建筑装饰颜色与形状完美结合。同时集热器安装支架与屋顶同时设计施工，确保了与建筑结构一体化以及牢固性和防水性。另外由于大面积的太阳集热器等已占据了屋面，特别是今后与建筑材料一体化的光伏屋顶，它们的水、电循环系统、各种控制电线都可以成为雷电的载体，所以，从安全角度考虑，要求有高性能的避雷技术才不致于使太阳能系统及住户生命受到威协，为此设计建筑屋顶避雷网并与太阳能支架连接，既防雷，又一体化。同时由于屋顶有食堂的烟囱，可吸入颗粒物较多，因此要经常对热板进行清洁维护，在层面设计了消防栓，既起消防，又方便清洗太阳能系统。通过这些措施，基本达到太阳能系统与周围环境相协调。５．２储热水箱

根据用户的要求，考虑蓄热水箱水量、太阳能集热板的功率和用户用水量之间的关系，设计有效容积为４１ｔ长方体规格为：水箱设置在楼顶预设位储水箱１个，２ｍ×３ｍ×６．９ｍ，置，为了保证屋面荷载承重，特意在屋面预设位置设计了６根承重梁，从而保证建筑一体化。５．３辅助加热热源

对于阴雨天气或在光照不足时，特别是在冬季，需要相应的辅助热源才能满足热水需求。根据本院的实际情况，利用环保型燃煤蒸汽锅炉作为辅助热源。蒸汽加热方式设计安装浮动盘管式汽水交换器一台。热交换器的设计是按系统最不利工况，即太阳能系统不工作时的条件确定，此辅助加热方式技术先进，升温快，运行稳定，节能效果明显。５．４管道循环系统

太阳能系统水泵选择：一是热水系统循环泵，根据循（１）

环流量、水泵扬程、回水管的水头损失，配置区域循环泵５台；二是系统给水变频泵组，根据供水管的设计流量，配置日（其中备用泵１台）。本进口变频增压供水泵２台

（２）管道保温：采取两项防护措施，一是５０ｍｍ特制岩棉保温管，外缠防水布，化纤玻璃丝布，树脂胶涂刷包装；二是加装电伴热带，预防冬季管道冻堵。

（３）管路通过屋面预留管直接走室内管网，整个太阳能管道内置，既不破坏屋面，也不影响美观，达到了太阳热水系统与建筑一体化的设计、安装的效果。

５系统组件

本太阳能热水工程主要有集热器、储热水箱、辅助热源、循环管道、自动控制５部分组成。５．１集热器５．１．１热负荷

根据需用热水量４００００ｋｇ算得：Ｑ＝６６９９ＭＪ。５．１．２集热面积

太阳能热水系统的产水量与太阳辐射强度和日照时间密切相关，一年四季变化很大。因此本方案按春秋平均辐射进行设计。据资料查得南阳市春、秋两季日平均太阳辐射量太阳能热水系统集热效率为５３％，为２０．５ＭＪ／ｍ２，

集热面积按《太阳热水系统设计、安装及工程验收技术规范》ＧＢ／Ｔ１８７１３－２００２附录Ａ计算得：

为安装组合便利取６１２ｍ２。Ａ＝６１６ｍ２，

５．１．３集热器选型及铺设安装

设计选型。集热器产品主要有全玻璃真空管式、热管（１）

式、效率高，四季Ｕ型管式和平板式几种。全玻璃真空管式，均可提供生活热水，但与平板式集热器相比，存在一定的安全隐患，如可能发生爆管等问题；平板式集热器整体性好，寿命长，故障少，安全隐患低、成本造价低，但热效率低，抗冻性差，在冬季不能使用；热管式效率高，系统较成熟，无安全隐热效率较高（与全患，但对水质要求较高，造价高；Ｕ型管式，玻璃真空管式相比稍低），无安全隐患，但系统不够成熟，造价较高。

根据以上特点，我们采用由河北光源厂研制的专利产品插管式真空管作为集热元件，它在玻璃真空管内，内衬不锈钢管，当外层玻璃真空集热管破损时，集热器的导热介质不会泄漏，少量玻璃管破损时不影响系统正常工作，系统的可靠性、安全性得到有效保障，不会出现因骤冷、骤热引起爆管导致系统瘫痪。同时集热管内容水量减少，具有热效率高、耐冰冻、启动快、保温好、承压高、耐热冲击、运行可靠、维修方便等诸多优点，是组成高性能太阳能综合热利用系统的主要

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能源与环境

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进水电磁阀自动打开，向水箱注入冷水，箱水位降到２０％时，

达到设定水位时停止。同时启动辅助加热，温度升到设定温度时自动关闭，从而保证及时供应热水。③为了克服太阳能系统夏天热水过剩，更有效地利用太阳能，特意把太阳能系统与学校茶水箱相连，可以在夏季把过剩的热水输入茶水箱，最大限度降低燃料消耗量，从而达到综合利用太阳能，节约开支之目的。

５．５自动控制系统

根据本工程系统功能的要求，此控制系统全部设计制作完成，采用自动控制和手动控制两套控制系统。在自动控制方面实现自动化智能操作，按输入的控制程序对相关的泵组、设备自动进行起停控制，以及对各系统运行按需要进行自动切换，基本功能可实现自动上水停水，缺水报警，低温报警，定时供水洗浴，定温放水，数码显示水温水位，自动防同时具备手动强制启停功能，冻保护。系统安装控制柜１台，管理使用十分方便。

７结语

河南工业职业技术学院新区４０ｔ大型太阳能热水工程于２００５年１０月基本完工，对各个分系统分别进行了调试与验收，结果令人满意。太阳能集热系统调试运行正常，各项指标均达到设计要求，在试运行期间，得到师生的一致好评。据节水６０００ｔ，工程作不完全测算，整个系统每年可节煤２３０ｔ，为南阳节约型校园建设的示范工程，在太阳能与建筑一体化方面，基本上达到与建筑一体化的效果。对南阳的环境和能源建设发挥积极的推动作用，对经济、社会和环境的协调及可持续发展起到良好的示范作用。为进一步开展太阳能与建筑一体化研究与试点提供了参考。

６系统工作原理及运行方式

６．１工作原理

本系统采用多点定温控制上水与温差控制循环相结合的运行方式，晴好天气充分利用太阳能，阴雨天气或光照不足时，使用辅助加热。６．２运行方式

（１）多点定温进水：当集热器温度达到设定温度值４０℃时，单区域上水电磁阀自动开启，将热水顶进储热水箱，集热器温度低于设定温度时，电磁阀自动关闭，停止上水。系统吸收太阳热量储存于集热器内的水中，使温度继续升高，然后再开启，再关闭。通过这样一个不断重复的过程，把太阳能转化为热能。

温差循环：储水箱的水满后，只要有阳光辐射，集热（２）

器的水温继续升高，当集热器的水温高于水箱底部温度８℃时，循环泵启动，系统开始循环，水箱继续增温，直到集热器与水箱的水温接近时，循环泵停止工作。这样保证太阳能得到最充分的利用。

（３）恒温恒压供水：为了节约用水，釆用自动控水系统装置，即划卡计时收费系统。因此，太阳能系统必须实现恒温供水，为此，设计安装恒温供水装置一套，以确保洗浴时水温保持不变；恒压供水依靠变频增压泵实现完成，保证了每个淋浴头供水是恒温与恒压。

辅助加热：（４）①阴雨天气或光照不足水箱水温低于设定温度４０℃时，控制辅助加热阀门自动开启，并自动报警，通知锅炉房开启加热设施，当水温达到设定温度值时，辅助加热热源阀门自动关闭。用水量过大，水②当洗浴人数较多，

参考资料

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ＰｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．ＴｈｅＷｏｒｌｄＤｉｒｅｃｔｏｒｙｏｆＲｅｎｅｗａｂｌｅＥｎｅｒｇｙＳｕｐｐｌｉｅｒｓａｎｄＳｅｒｖｉｃｅｓ１９９６４

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（６）２００３

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（４）２００４

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!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!中国首次发布绿色ＧＤＰ２００４年因污染损失５１１８亿

环境污染问题已成为阻障经济发展的重要因素之一，在中高消耗的问国经济发展快速发展的大背景下，存在着高污染、题，保护环境越来越重要。

环保总局和国家统计局向媒体联合发布了《中国绿色国，研究结果表明，民经济核算研究报告２００４》２００４年全国因环

境污染造成的经济损失为５１１８亿元，占当年ＧＤＰ的３．０５％。占当年ＧＤＰ的１．８０％。虚拟治理成本为２８７４亿元，

这是中国第１份经环境污染调整的ＧＤＰ核算研究报告，标志着中国的绿色国民经济核算研究取得了阶段性成果。

（羽中）

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