人们的生活水平在逐年提高，热水供应消费已逐渐成为每个家庭不可缺少的日常开支。太阳能热水供应系统，以其环保、节能的特点正越来越受到人们的重视。目前常用的太阳能热水供应系统有2种，一种是分散供应热水系统，另一种是集中式太阳能生活热水系统与补充热源的组合方式。本文通过针对集中供应热水系统与分散供应热水系统的能耗进行对比与分析，根据结果表明，太阳能集中供应热水系统节能设计性能优于分散式供应热水系统。
1.工程概况
某地区属于太阳能资源的第三类地区，全年日照时间为 2200~3000h。本文对该地区新建6 层4000m2楼宇的太阳能集中供应热水系统进行设计。该楼共有34户住户，每户使用面积102m2,依据每户每日使用50℃、300L 热水计算，则整个楼宇每日需要10.8t热水。考虑到太阳辐射不足时仍需要热水的供应,电加热装置依据冬季最低室外温度下的自来水供水温度进行设计，采用80kW 的电加热装置。文中取全年日照时间2400h进行计算。
2.设计原理
2.1 系统形式的确定
太阳能供热水系统如图1所示。自来水经电磁阀1进入储热水箱内，储热水箱内的冷水与太阳能集热器进行温差循环，使储热水箱内水温上升，升温后的储热水经电磁阀2进入恒温电加热水箱，另一管路自来水经电磁阀3进入恒温电加热水箱，进行恒温控制。经恒温控制的热水供应至各用户。
图1 太阳能供热水系统
2.1.1 供水循环
储热水箱内的水来自自来水管，当水箱内水位低于设定水位时，控制柜控制供水管电磁阀增加阀门开度，使供水量增大，当水位达到水箱上限水位时，关闭电磁阀。
2.1.2 温差循环
太阳能集热器内的集热介质与储热水箱内的冷水在板式换热器处进行换热，当太阳能集热器出口处集热介质温度低于50℃，关闭循环水泵1，以使太阳能集热器充分集热；当储热水箱内水温高于70℃时，为防止循环水泵汽蚀，关闭循环水泵1、2，不再进行温差循环；当集热介质与储热水箱内温差大于8℃时，循环水泵1、2 同时开启，使集热介质与储热水箱内冷水在换热器内充分换热，当温差小于2℃时，关闭循环水泵1、2，完成温差循环。
2.1.3 恒温控制
储热水箱内的预热水流经处于低位的恒温供水箱内，当太阳能集热器集热不足时，储热水箱内水温较低，为保证用户的热水用量及温度，在恒温供水箱内安装80kW 电加热装置；当恒温水箱内水位低于设定水位时，增大电磁阀2的开度，当水位达到设定水位时，关闭电磁阀2；当恒温水箱出口水温低于55℃时，开启电加热装置，达到55℃时停止加热；当储热水箱内水温高于55℃时，控制柜发出指令，减小电磁阀2的开度，且增加电磁阀 3的开度，恒温水箱出口水温达到55℃时停止调节，且恒温水箱达到限定的水位上限时，关闭电磁阀2和3，完成恒温控制。
2.2 水箱尺寸的确定
集中供热水系统夜间使用时，由于生活用水量较大，且此时段只依靠电加热维持水温，投资成本较高。因此，若水箱设计过小，白天由利用太阳能制造的热量不能满足用户在夜间的热水需求，依靠电加热维持用热量，是不经济的。该设计在系统中加入8t 集热水箱和4t恒温供水水箱。
2.3 太阳能集热器面积的确定
由于该楼宇设计建筑面积较小，且采用坡顶结构，致使可使用太阳能平板面积较小，低于350m2。营口地区北纬40°40′，故太阳能集热板按照当地纬度进行安装。根据江苏某太阳能集热器生产厂家提供的数据，利用建筑可布置集热器的有效面积，安装了94 组该厂家生产的太阳能集热板(2.06m×1.08m)，前后排间隔 0.5m。依据《民用建筑太阳能热水系统应用技术规范》中公式，有：
Qw×Cw×f×(te-ti)
Ac= ——————————
JT×(1-nL )ncd
式中: Ac——集热器总面积，取333.72m2；
Qw——日均用水量，L；
Cw——水的定压比热容，取4180kJ/(kg·℃)；
f——太阳能保证率，取0.5；
te——储热水箱内水的设计温度，取50℃；
ti——自来水初始温度，取4.9℃；
JT——太阳能集热器的年平均日太阳辐照量，营口地区为15410kJ/m2；
nL——贮水箱和管路的热损失率，取0.2；
ncd——集热器的年平均采热效率，取0.4。
由上式计算可得，集热器总面积为206.44m2，由于单块集热板面积为2.2248m2，故布置 94 块太阳能集热板。
2.4 电加热器功率的确定
应考虑到恶劣气候条件下也能满足用户的热水需求，电加热器的功率即由最恶劣气候条件和用户最大用水量来确定，在不考虑太阳能集热的情况下，将恒温水箱内的4t水由5℃加热至50℃需要752400kJ的热量。采用80kW 电加热装置，可将5℃的水经2.61h加热至50℃,满足用户需求。
3.太阳能集中供应热水系统的计算
3.1 集中式与分散式供应热水系统的能耗计算
在太阳能供给不足时,需采用电加热器为用户提供热水，由于管网热损失过大的原因，分散式太阳能供应热水系统只适用于高层用户，文中设计的是6层高度的民用住宅，认为5、6 层的用户可以使用分散的太阳能系统进行热水供应，而4层以下(含4层)用户需要使用电热水器进行热水供应，每户每日使用 300L、50℃的热水。计算中应考虑到利用集中式太阳能供应热水系统时，会有日照不足的情况，日照时间系数为2400h/ 4380h=0.548，日照不足时，由电加热系统对用户所需热水进行供应。经计算，集中式和分散式太阳能供应热水系统日均能耗情况如表1 所示。
表 1 集中式与分散式太阳能供应热水系统日均能耗情况
3.2 具体应用及能耗对比
若使用户得到 50℃生活用水，各月份所需能耗如图2 所示。计算得知，在不计维护费用的情况下，太阳能集中供应热水系统比分散式供应热水系统年节电能37945.3kWh。若考虑分散式系统中冬季不利环境条件下，5、6 层用户得到水温较低的情况，集中式系统的节能效果会更加明显。此外，集中式系统可以使1~6层的小区居民均可使用太阳能生活用热水，非常方便。
图2 集中式与分散式供水系统能耗对比
4.结论
综上所述,通过对太阳能集中供应热水系统与分散式供应热水系统进行比较分析，得到了以下几方面的结论：
(1)集中供应热水系统形式简单，便于安装，使用寿命长，用户室内无复杂部件。
(2)集中供应热水系统可在太阳能不足时，稳定地向用户供应热水；可以满足各个楼层用户的热水需求。
(3)集中供应热水系统节能效果明显，年均节约电能37945.3kWh。
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gx663366
沙发
2019-09-01 10:22:01
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老有所为
板凳
谢谢分享。
2018-11-03 21:50:03
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