对太阳能热水系统的一些关注

0 引 言太阳能作为清洁能源,世界各国无不对其利用予以相当的重视,以减少对煤、石油、天然气等不可再生能源的依赖。我国拥有丰富的太阳能资源,2/3以上地区的年太阳辐照量超过5000MJ/m2,年日照时数在2200h以上。开发和利用丰富的太阳能,既是近期急需的能源补充,又是未来能源的基础。目前我国城乡建设发展迅速,建设规模不断扩大。近几年城镇每年建成的住宅面积达到4~5亿m2,农村则已达到7~8亿m2。在目前已经超过360亿m2的累计房屋建筑面积中,没有严格按照建筑节能标准建造的高达99.6%,建筑节能还有很大空间。在建筑物的规划、设计、使用、维护以及改造等活动中,主动与被动的利用太阳能的建筑统称为太阳能建筑。我国太阳能的利用技术特别是太阳能光热(制备热水)利用技术日趋成熟,太阳热水器行业经过20年的发展,取得了大批科技成果,并形成了产业化生产[1-10]。截至2006年我国太阳能热水器集热面积已经达到9000万m2,占到世界太阳能热水器集热面积的60%左右。根据国家发改委有关太阳能利用方案提出的中长期的发展目标,到2010年,太阳能热水器总集热面积达到1.5亿m2,替代约2000万t标准煤;到2020年,太阳能热水器总集热面积将达到3亿m2,替代约5000万t标准煤。1 太阳能热水系统简介太阳能热水系统即将太阳能转换成热能以加热水的装置,通常包括太阳能集热器、贮水箱、泵、连接管道、支架、控制系统和必要时配合使用的辅助能源。太阳能热水系统分类,按供热水范围可分为集中供热水系统、集中-分散供热水系统及分散供热水系统。按系统运行方式可分为自然循环系统、强制循环系统及直流式系统。按生活热水与集热器内传热工质的关系可分为直接系统和间接系统。按辅助能源设备安装位置可分为内置加热系统和外置加热系统。按辅助能源启动方式可分为全日自动启动系统、定时自动启动系统及按需手动启动系统。2 设计太阳能热水的思路太阳能热水系统设计应与规划建筑方案设计同步进行。规划建筑积极及时介入,就能从建筑设计之初就考虑太阳能热水系统应用,并为设备安装提供方便,使得太阳能热水系统在建筑上能得到有效的应用。安装太阳能热水系统的建筑单体或建筑群体,主要朝向宜为南向;建筑体形和空间组合应与太阳能热水系统紧密结合,并为接收较多的太阳能创造条件;建筑物周围的环境景观与绿化种植,应避免对投射到太阳能集热器上的阳光造成遮挡。另外集热器的位置、色泽及数量给排水专业也要与建筑师配合设计,在承载、控制等方面要与结构专业、电气专业配合设计,使太阳能热水系统真正纳人到建筑设计当中来。设计太阳能热水系统,给排水专业是牵头专业,要做好设计,首先要理清思路,确定设计步骤。(1)确定一个建筑要做太阳能热水之后,首先根据具体建筑类型选取相应太阳能热水系统。确定太阳能热水系统集热器选型和安装布置。根据太阳能热水系统在一年中运行时间,最低环境温度,水质条件,维护管理等多方面因素综合考虑,选用全玻璃真空管,金属-玻璃真空管或者平板型集热器。集热器是收集太阳能的主要部件,其安装的位置应避免其它建筑、树木及建筑自身遮挡阳光。特别是对于安装在集合建筑南向墙面上的集热器要根据规划中日照间距设置,确定最低的安装高度。从建筑的角度考虑集热器的维护使用问题,如果集热器安装在平屋顶、阳台等处,维护清洁比较容易进行;如果集热器安装在坡屋顶和南侧窗间墙等处,则要考虑今后使用中的维护问题。根据集热器安装位置,有具体安装要求:①集热器设置在平屋面上,应符合下列要求:对朝向为正南、南偏东或南偏西不大于30°的建筑,集热器可朝南设置,或与建筑同向设置;对朝向南偏东或南偏西大于30°的建筑,集热器宜朝南设置或南偏东、南偏西小于30°设置;对受条件限制,集热器不能朝南设置的建筑,集热器可朝南偏东、南偏西或朝东、朝西设置;水平放置的集热器可不受朝向的限制。②集热器设置在坡屋面上,可设置在南向、南偏东、南偏西或朝东、朝西建筑坡屋面上。③太阳能集热器设置在阳台上,对朝南、南偏东、南偏西或朝东、朝西的阳台,集热器可设置在阳台栏板上或构成阳台栏板。④太阳能集热器设置在墙面上,在高纬度地区,集热器可设置在建筑的朝南、南偏东、南偏西或朝东、朝西的墙面上,或直接构成建筑墙面;在低纬度地区,集热器可设置在建筑南偏东、南偏西或朝东、朝西墙面上,或直接构成建筑墙面。集热器倾角应与当地纬度一致,如系统侧重在夏季使用,其倾角宜为当地纬度减10°,如系统侧重在冬季使用,其倾角宜为当地纬度加10°。全玻璃真空管东西向水平放置的集热器倾角可适当减少。集热器可通过并联、串联和串并联等方式连接成集热器阵列,对自然循环系统,集热器阵列中集热器的连接宜采用并联。平板型集热器的每排并联数目不宜超过16个。全玻璃真空管东西向放置的集热器,在同一斜面上多层布置时,串联的集热器不宜超过3个,每个集热器联集箱长度不大于2m。对自然循环系统,每个系统全部集热器的数目不宜超过24个。大面积自然循环系统,可分成若干个子系统,每个子系统中并联集热器数目不宜超过24个。(2)确定系统太阳能保证率。太阳能保证率指系统中由太阳能部分提供的热量除以系统总负荷。根据当地条件,按照30%~80%的范围内设定,取值可按表1推荐值选用。(3)计算集热器面积。太阳能热水系统集热器面积的确定是一个十分重要的问题,而集热器面积的精确计算又是一个比较复杂的问题。在欧美等发达国家,集热器面积的精确计算一般采用专业软件来进行,根据系统所选太阳能集热器的瞬时效率方程(通过试验测定)及安装位置(方位角和倾角),再输入太阳能热水系统,使用当地的地理纬度、平均太阳辐照量、平均环境温度、平均热水温度、平均热水用量、贮水箱和管路平均热损失率、太阳能保证率等数据,按一定的计算机程序计算出来的。文献[1]规定了集热器总面积具体计算公式,具体可参考相关规范。方案设计阶段,可以根据建筑建设地区太阳能条件按表1推荐值估算集热器总面积。(4)确定加热方式,应根据冷水硬度、气候条件、冷热水供水压力平衡要求确定系统采用直接还是间接加热系统,具体可以参考相关文献选用。(5)设计储热水箱(罐)。首先计算储热水箱(罐)的容积。根据集热系统与供水系统的设计要求,按照规范公式分别计算两个系统的容积,取二者的大值定为太阳能热水的储热水容积;储热水箱(罐)材料,必须采用符合卫生要求,内置电加热的水箱内箱必须接地。储热水箱(罐)宜设置在室内,位置必须要保证其安全运转便于操作检修。(6)如果系统选用间接加热系统,按照规范进一步确定换热设备面积和数量;如果系统选用强制循环系统,按照规范进一步确定集热循环泵的流量和扬程。(7)设计辅助加热系统。太阳能热水受到天气等因素制约,热水品质不理想,所以还应设置辅助加热系统,辅助热源宜选择城市热网、热泵、燃气、燃油、电、农村地区还可以考虑沼气。辅助热源的供热量宜按文献[2]规定的耗热量计算,宜按照无太阳能热水系统状态配置。集中热水供应系统时,配套宜不少于2套;一套检修时,其他各套加热设备的总供热能力不小于系统耗热量50%。采用分散热水供应系统时,加热设备通常为一套电或燃气热水器。(8)热水系统管路设计,确定系统控制和计量方式。3 太阳能热水器与建筑一体化太阳能热水系统与建筑结合,就是把太阳能热水系统产品作为建筑构件安装,使其与建筑有机结合,不仅是外观、形式上的结合,重要的是技术质量的结合。从技术标准的解决太阳能热水系统与建筑结合问题,这是太阳能热水系统在建筑领域得到广泛应用、促进太阳能产业快速发展的关键。太阳能热水器与建筑的一体化设计首先会考虑到外观与风格的问题。太阳能热水器一体化建筑不完全是简单的形式观念,关键是要改变现有的建筑内在运行系统。具体的设计原则可以表述为吸取技术美学的手法,体现各类建筑的特点,强调可识别性,利用太阳能构件为建筑增加美学趣味。如居住建筑设计,平立面、结构和造型较规整,房间的功能性较强,建筑造价大的限制,在设计中应注意立面设计力求简单,使立面看上去简洁平整。集热器是收集太阳能的主要部件,其安装对于建筑设计影响最大。