高层建筑集中热水系统设计
关键词 ：高层,建筑,集中,系统,设计
引言
目前我国大力提倡环境保护和建设节约型社会，动员和激励全社会节约和高效利用各种资源。而太阳能以清洁、取之不竭、安全、经济效益好等显著优势，已越来越受到社会各方面的关注。而在太阳能产业的发展中，太阳能热水器的热利用转换技术无疑是最为成熟的。太阳能热水系统是吸收太阳辐射能为热源，将太阳能转为热能以达到加热水的目的的整套装置，包括太阳能集热装置、储热装置、循环管路装置等。本系统的最大优势在于，在日照充足条件下，整个系统运行成本几乎为零，这也是在太阳能比较丰富的地区以太阳能作为生产热水主要能源的重要原因。
1 工程概况
某高层建筑住宅群，总建筑面积约17万m2，分两期施工建造，其供热系统均采用太阳能集中供热。一期建设第1～15栋，均为13层，建筑高度40.1m，集热器集中放置在屋面能有效利用太阳光能的位置。二期建设第16～18栋，其中第16栋为30层，建筑高度87m，第17、18栋为32层，建筑高度92.6m，集热器除放置在屋面可有效利用太阳能位置外，还布置在女儿墙和侧立面及阳台上，以保证足够的热源。
2 太阳能热水供水系统的主要特点
建设方要求本项目全部18栋高层建筑群均采用太阳能集中热水系统，供应全部住户热水，要求投资省、运行费用低、管理简单，对热水供应的质量未作过高的要求。针对甲方要求，设计在太阳能利用上具有以下几个特点。
2.1 集热器的布置
太阳能集热器在中高层住宅中，首先考虑安装在建筑物顶部，在建筑外观上不会影响建筑景观;同时，集热器的安装排列不受建筑物走向的限制，可以达到系统最佳的集热效果。中高层住宅太阳能热水系统的设计，应满足太阳能集热器面积使所有的住户都有权利使用上太阳能热水。本项目采用太阳能集中供热系统，以单栋为一个小系统，相对独立。一期工程的15栋13层住宅，在屋面安装平板式集热器已能满足整栋热水需要的热量，与12层以下民用建筑的太阳能集热系统相同。二期的3栋高层建筑，楼层数均超过30层，单靠屋面安装集热器，不能满足供热需求，设计中利用了女儿墙和侧立面阳台安装集热器，以达到足够的集热面积从而满足用户的供热需求。第16栋住宅30层，分为A 座和B座两个完全对称结构，共有290户。设计所需集热面积为313m2，屋面面积为330m2，能安放集热器的有效面积约为250m2，按一块集热板的集热面积约为2m2 考虑，光靠屋面面积显然不能满足设计需要，因此利用女儿墙和南侧立面阳台安装集热器来补足。第17、18栋住宅32层，每栋的设计集热面积都超过1000m2，单纯依靠屋顶安装集热器根本无法满足要求，因此设计中在每栋建筑的女儿墙，东、南、西三个侧立面阳台都安装了集热器，侧面集热器的面积综合折减率约为55%。
2.2 集热器分组
由上述的集热器布置设计可以发现，高层住宅所需的集热器数量、面积比较庞大，常用的集热器串联连接会造成大量能量损耗，因此本项目对集热器进行分组，分组后热媒采用并联方式接入集水器，再进入储热设备。因设计中集热器数量较多，特别是第16、17、18栋楼中既有设于屋顶的平板型集热器，又有设于外墙和阳台的金属U型管式真空管集热器。以第16栋A座为例，共设置5组集热器，其中屋面集热器分成2组，每组集热器数量分别为43块和44块;女儿墙部分集热器分成2组，每组集热器数量均为36块;南侧立面阳台集热器为1组，集热器数量为58块;由于每组集热器的面积、热媒在管道中的输送距离、流量、集热器的类型都有差距，故设计根据每组集热器的流量、阻力损失的不同，配置流量、扬程相匹配的强制循环泵，并在回水管路上设置平衡阀调节，使得进入集热水箱的热媒符合设计要求。
3太阳能系统设计分析
考虑到每套太阳能控制系统在楼顶，对系统的监控比较麻烦，并且考虑到强电和弱电分离等因素，本工程设计远程控制显示器及楼顶强电控制柜，根据控制目的配置一套远程监控控制显示器放置在楼内值班室或控制室内(距屋顶1000米范围以内)。楼顶控制器与值班室之间通过串口通讯，对水位、水温、时间等信号进行采集，根据控制要求判断水位、水温等信号，并通过开关量输出模块控制相应的太阳能循环水泵运行、电加热等辅助能源自动加热、供回水循环泵启停、高温保护等并达到报警等功能。太阳能远程控制系统控制原理如下图所示：
(1)太阳能集中热水系统工作原理：
在储热水箱内，当T1(T1')-T2>Tm(设定为6℃)℃，循环热水泵P1 自动开启，通过强制循环把集热器内的热水置换到储热水箱内，当T1(T1')-T255℃时，电磁阀1 打开，冷水不断把集热水箱中的热水顶入恒温水箱，当T3<50℃时，关闭电磁阀1。如此往复太阳能加热和补水，恒温水箱水位逐渐上升，当储热水箱水位达到L2 高液位后电磁阀1 关闭，不再根据T3 温度控制补水。
(2)恒温水箱工作原理：
恒温水箱一直保持50℃-55℃的热水，水箱中的水位高低由太阳能集热量和储热水箱温度高低控制，当恒温水箱内的水位低于最低安全水位L2 后，电磁阀1 自动打开，进行补水;高于安全水位后，电磁阀1 自动关闭;当恒温水箱的温度T4 超过55℃时，电磁阀2 打开往恒温水箱内补凉水，当温度T4 降到50℃时电磁阀2 关闭停止补水。
(3)供热水管网工作原理：
为克服管网较长和长时间不用水造成主管路水温下降的缺点，在恒温水箱供水管路安装变频控制装置和增压水泵，使供水管路始终保持一定的压力。当用户用水时，管路内压力下降，增压水泵启动，达到一定压力后水泵自动停止;当系统长时间不用水，管路末端回水温度传感器T5 低于40℃时，打开电磁阀3，管路压力下降，增压水泵启动，当T5 达到45℃时，关闭电磁阀3。
(4)如果长时间不使用太阳能集热系统，需把整个系统中的水排空，以防水质变坏。
(5)冬季采暖热水辅助热源：采用采暖热水对恒温水箱进行加热，同时手动关闭电加热装置，水-水换热器换热面积按供水温度85 度，回水温度为60 度进行计算。当恒温水箱温度T4 低于50℃时，电磁阀4 自动打开，利用采暖热水对恒温水箱进行加热，当恒温水箱T4 高于55℃时，电磁阀4 自动关闭。
(6)补水系统工作原理：
低水位补水：当储热水箱的水位低于最低安全水位时，补水电磁阀自动打开，将冷水注入储热水箱(此时补入的是高温水);定时补水：系统可根据用水的时间定时定量补水，以保证系统充足的用水量;手动补水：连续阴雨天气或用水量较大时，可手动打开补水阀，保证储热水箱要求的水量。
(7)防冻系统：当管路温度传感器显示温度低于5℃时，循环水泵自动启动，防止管路冻结;当管路温度传感器显示温度高于8℃时，循环水泵自动停止。
(8)防垢设备的选择：水垢不仅影响系统集热效率而且可能堵塞管道，因此在管路上安装变频电子水处理器对水质进行处理。
结束语
如何解决能源问题和环境问题，已经是当今世界各国面临的重要挑战。我国政府也已大力开展节约资源、减少二氧化碳排放的相关工作。在新建和改扩建的工业和民用建筑中，大力开发和利用太阳能资源，对减少常规资源的消耗，提高生产和生活的品质，具有十分重要的意义。而随着新的产品技术的不断发展，如新型太阳集热器，太阳热泵等技术的开发应用，必将进一步推进此项工程的发展。
参考文献
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