小高层住宅太阳能热水系统设计探讨

以某住宅小区小高层(10层)住宅为例,对其太阳能热水系统设计进行分析,介绍了其采用的集中集热、分散利用两用燃气炉(采暖、生活热水)辅助加热的系统形式(即采用集中集热,分户供热的方式)。对该系统冷热水压力平衡,管网内的存水利用,系统的过热和防冻,热水计量、计费与住户使用意愿的协调等问题进行解析、探讨。

工程概况：

北京某拟建小区,甲方要求设计太阳能热水系统。该小区由5栋6层(1#、2#、3#、4#、5#)住宅楼及2栋小高层住宅楼(6#楼10层,7#楼11层带跃层)组成,每栋楼均独立设置集中式太阳能热水系统。对于小高层住宅的太阳能热水系统的设计,存在以下难点:󰀂在分区供水且冷、热水供水压力不同源的情况下,如何解决冷热水压力平衡的问题; 热水供水管网内的存水利用问题;!系统的过热和防冻问题;∀热水计量、计费与住户使用意愿的协调问题。围绕这些问题,在系统设计时,经过反复斟酌，采用了集中集热、分散利用两用燃气炉(采暖、生活热水)辅助加热的系统形式(即采用集中集热,分户供热的方式)。现以6#楼为例,对这种系统进行介绍。

系统组成：

系统由太阳能集热系统,热水储水箱,热水供、回水管道,热水变频加压设备(兼热水供水、回水循环)及两用燃气壁挂炉辅助加热设备组成。系统原理见图1。

太阳能集热器与热水储水箱通过温差控制、强制循环对冷水作预加热。制备的预加热热水经热水变频加压供水设备,通过生活热水管道送至各户的两用燃气壁挂炉,壁挂炉内的进水管路上设置感温分流控制阀,若进水温度%45&,热水通过炉体内的分流阀直接向用户供应热水,若进水温度<45&,热水通过分流阀进入燃气壁挂炉进行辅助加热后向用户供应热水,辅助加热的出水温度建议不超过60&。在此,用户也可以自由设定进水管路上的温度判定值。

解决方案：

(1)冷热水压力平衡问题。首先通过对最不利点进行水力计算,选择和给水供水末端压力匹配的热水变频加压设备的扬程参数,尽量做到压力源头平衡。再进行系统分析,生活给水分高、低区,2层及以下层由市政压力供水(0.16MPa),3~11层跃层由小区给水变频调速加压设备供水,供水方式为下行上给。热水水箱及变频供水设备设置于屋顶,供水方式为上行下给,热水不再分区,对于1、2层(低区给水)供水压力显然不平衡,故热水1~6层采取支管减压,给水3~6层采取支管减压,冷热水减压阀后压力定为0.16MPa(3~6层冷热水压力可在0.3MPa内调节),如此不但保证用水末端的冷热水压力平衡,还可以把入户水压控制在合理范围内,达到节水节能的目的。

(2)管网内的存水利用问题。可以通过系统强制循环来缩小管网水温同热水箱存水的温差。 最好的是此系统形式可以通过终端的燃气两用炉对管网存水辅助加热后使用,这样就做到了节水,并且对大系统的运行是节能的。

(3)系统的过热和防冻问题。采用屋面集中集热的形式,集热系统作开式循环,相对于分户独立太阳能系统,其集热器的利用率更高,而且集热系统过热时,热水水箱收集膨胀水量以解决系统过热膨胀问题;防冻可以采用温差及定温循环,辅以电伴热保温解决,如果场地条件允许,集热系统也可以采用设置双向单流阀等排回防冻的形式,运行更节能。

(4)热水计量、计费与住户使用意愿的协调问题。此系统形式、设备均由甲方进行土建投资,日常运行管理费用可以包含在物业费中,各户设热水表计量,但其收费可以按冷水收费,或稍高于冷水收费,这样就不会出现因热水收费高而住户不愿使用的情形,以达到充分利用清洁能源的目的。

系统设计(以6#楼为例)

1、设计参数

本楼地上10层,无地下室。5个单元共120户,规划人数336人;设计日耗热量:36.5kW(生活热水供水计算温度为60℃,冷水计算温度为4℃);热水用水定额40L/(人·d);热水储水箱容积为13.5m3(按本楼设计人数的热水日用水定额全部储存计算);集热器循环水泵流量取1.5L/(min·m2);集热器采用真空管,集热器总面积约为232㎡ 。

2、系统控制

（1）集热系统循环控制

采用循环水泵进行强制循环,循环水泵由设在管道及储水水箱上的温度传感器控制,包括：

(1)温差加热循环控制。T1-T2≥△T1(8℃)时,循环泵自动启动;T1-T2<△T2(3℃)时,循环泵自动关闭;T2=60℃时,循环泵自动关闭。

(2)定温防冻循环控制。T3<5℃时,循环泵自动启动,且启动电伴热系统;T3≥10℃时,循环泵自动关闭,电伴热系统停止加热。

其中T1为太阳能集热器阵列出口温度;T2为距储水箱底部300mm处温度;T3为太阳能集热器阵列探测的最低温度。

（2）生活热水系统循环控制

兼用热水变频加压供水设备进行强制循环。

(1)采用温差控制方式控制电磁阀的开、关。T4-T5≥△T3(10℃)时,循环回水管道上的电磁阀自动开启,热水变频加压供水设备启动,开始强制循环;T4-T5<△T3(5℃)时,电磁阀自动关闭。电磁阀设置于生活热水系统回水管的末端。

(2)定温防冻循环控制。T5<5℃时,循环回水管道上的电磁阀自动开启,热水变频加压供水设备启动,开始循环,且启动电伴热系统(电伴热系统只对暴露于室外屋顶部分的管道采用);T3≥10℃时,电磁阀自动关闭,电伴热停止加热。其中T4为太阳能热水水箱出水口高度的温度;T5为回水管道末端电磁阀前温度。T1、T2、T3、T4、T5的具体位置详见图1。

（3）变频加压泵的控制

屋面太阳能热水水箱间内设置一组生活热水变频加压供水设备(主泵1用1备),生活热水变频加压供水设备控制要求:变频泵组的运行由设在水泵出水干管上的压力传感器及压力开关控制,恒压设定值为0.15MPa,厂商配套提供变频控制柜。

（4）管材及保温

热水、回水立管及其干管采用热水用(内筋嵌入式)衬塑钢管道,卡环式快装连接。入户水表后热水支管采用PE-RT增强型聚乙烯管S3.2系列产品,热熔焊接;屋面管道设置电伴热防冻保温,户内热水供、回水立管及热水水箱保温。

设计探讨：

(1)燃气炉需和太阳能热水系统匹配,因为普通燃气炉是靠通过水流实现压力点火的,如果来水温度已经很高,燃烧室依然点火加热,则会出现高温水,极易发生烫伤。因此,本系统形式需要燃气炉根据进水温度选择是否点火,目前一些厂家有此类产品,有的方案是通过炉体内设置分流控制阀来选择 加热还是旁通来水,详见图2。

(2)在太阳能热水系统中,热水供、回水系统的循环控制采用纯温差循环、定温循环还是定时循环值得探讨。采用纯温差循环,各用户得到的预加热热水随时都是相对均衡的,有一定公平性,但是相对较耗能(供水系统运行)。定温循环的出发点则是,经过较长时间集热循环之后,水箱热水温度升到一定值,比如38℃以上,这时候再对热水供、回水系统进行温差循环。所以,当水箱水温较低时,由于没有循环,首先使用或远端使用热水的住户相对(吃亏),会多耗用燃气。但是相对而言,整个系统会更节能。这三种循环里,最节能的莫过于定时循环,即在晚上用水高峰前将热水供、回水管道定时循环运行30min,如此热水箱获得的热能都尽可能保留下来用于晚间的居民洗浴用水。其实对太阳能热水系统而言,实质是在于利用太阳能,所倡导的生活理念是节能,从此角度出发,将太阳能热水系统的供应定位于晚间的洗浴用水,更具现实意义。实际运行中,可根据运行需要进行选择。