摘　要：某办公建筑顶层新增面积拟采用太阳能热水系统实现冬季供暖、楼内卫生间洗手热水供应、春夏秋季部分洗浴热水供应。对太阳能热水系统的流程设计与控制策略进行了探讨。

关键词：办公建筑　太阳能热水系统　流程设计　控制策略

Process Design and Control Strategy of Solar Energy Hot Water for Office Buildings

Abstract：The solar energy hot water svstenl intends to be adopted newly added area at the top of an office building for winter heating，hot water supply to wash hands inside toilet and some bath hot water supply in spring，summer and autumn in．The process design and control strategy of solar energy hot water system are discussed．

Key words：office building；solar energy hot water system；process design；control strategy

我国的供暖、空调能耗年增长幅度较大，开发利用包括太阳能、风能在内的可再生能源，是降低化石类能源消耗的有效途径。但由于太阳能能流密度低以及间歇性、不均匀性，太阳能的利用存在不连续或供热量不足的情况。我国学者对太阳能的利用进行了许多研究和实践^[1-7]，本文结合工程实例，对办公建筑太阳能热水系统流程设计与控制策略进行探讨。

1　工程概况

1.1　工程概况

青岛某集团办公楼为6层建筑，位于热电厂内，采用热电厂低温循环水供暖(热电厂2009年进行低温循环水供暖改造，办公楼散热器供暖系统的供、回水温度为70、50℃)，卫生间无洗手热水供应。

根据办公楼扩建需要，计划在顶层增加一层(建筑面积约487m²)。新增层(即7层)拟利用太阳能热水系统进行供暖，供应楼内1～7层卫生间的洗手热水，春夏秋季为浴室提供部分洗浴热水。

1.2　工程要求

①集热器集中设置在楼顶，蓄热水箱、循环泵、控制系统设置在第7层预留的设备间内。

②冬季，在白天日照良好的情况下充分利用太阳能热水系统提供热量，不足部分由现有低温循环水供暖系统补充。夜间及节假日仅需考虑低温运行，实现进一步节能^[8]。

③春夏秋季，太阳能热水系统仅为浴室提供部分洗浴热水，不足部分由浴室原有蒸汽加热系统制备。

1.3　设计参数

新增建筑面积为487m²，实际供暖面积约400m²，供暖热负荷指标按70W／m²计算，室内采用地板辐射供暖系统。工作日(工作时间7：00—17：00)设计供、回水温度为45、40℃，下班及节假日设计供、回水温度为25、20℃。每层楼的卫生间设有2个洗手盆，共l4个，设计日用水量3.5m³／d。洗浴热水设计供水温度为50℃。春秋季自来水平均温度取l3℃，夏季取17℃，冬季取10℃。太阳能集热器倾斜角度与当地纬度一致，集热器单位面积日总辐射量取15.7MJ／(m²．d)。

2　太阳能集热器选择

太阳能集热器主要有平板集热器、真空管集热器、热管集热器等。平板集热器的传热介质为水，表面设置集热板，集热器内设铜管(采取下进冷水上出热水方式)，铜管底部设保温层。由于保温效果较差，平板集热器仅适用于需要低温热水的场所，且比较适合南方使用。平板集热器在冬季运行容易结冰，因此我国绝大多数应用平板集热器的太阳能热水系统采用了低温回流排空技术。由于循环水系统为金属管焊接，能满足承压要求。真空管集热器适用的温度范围较宽，但由于真空管与联箱的连接部位采用硅橡胶密封圈进行密封，当循环水系统压力超出连接部位承压范围时，易导致真空管脱离联箱，并造成联箱内水的整体流失。热管集热器的承压能力不仅强于真空管集热器，而且更换其中一根故障热管，不会对整个循环水系统造成影响。

以上3种集热器的造价差别较大，热管集热器的造价为真空管集热器的3～4倍，平板集热器造价最低。该太阳能热水系统主要是为冬季供暖，为保障连续供暖及方便维护，采用热管集热器。

3　流程设计及控制策略

①流程设计

太阳能热水系统由集热器、循环泵、供暖蓄热水箱、洗浴蓄热水箱、辅助热源(低温循环水供暖系统)、控制系统组成，流程见图l。

②控制策略

控制系统采用可编程(PLC)控制、触摸显示屏操作界面，通过监测测点的温度、压力等参数，根据运行策略自动控制泵的启停、电磁阀的动作、电动调节阀的相对开度，来控制太阳能热水系统的运行。

a．整体控制

太阳能热水循环泵采用温差控制：当测点Tl温度高于测点T2、T3温度7℃及以上时，控制系统启动太阳能热水循环泵；当小于或等于3℃时，控制系统关闭太阳能热水循环泵。运行人员可根据季节及天气情况，设置温差范围。

冬季，洗浴蓄热水箱停用检修并进行清理，太阳能热水系统以满足供暖需求为主，控制系统监测测点他温度。当测点T2温度低于设定温度40℃时，控制系统打开低温循环水供水管道上的电动调节阀，辅助加热供暖蓄热水箱中的水；当测点T2温度高于设定温度45℃时，控制系统关闭该电动调节阀。卫生间洗手盆采用混水龙头调节出水温度，为了使洗手盆混水龙头即开即热，在洗手热水循环系统中设置一个小功率(40W)洗手热水循环泵。

春夏秋季，供暖蓄热水箱停用检修并进行清理，洗浴蓄热水箱中被加热的热水由洗浴热水泵送至浴室。考虑到太阳能热水系统与浴室距离较远，无法共用一个蓄热水箱，因此太阳能热水系统另外设置一套独立的洗浴热水供应系统(包括一个浴室蓄热水箱)。当测点T3温度达到设定温度50℃时，控制系统启动洗浴热水泵，将热水送入浴室蓄热水箱，当测点T3温度降至设定温度48℃或水箱水位降到下限水位时(此时将开始自动补水)，洗浴热水泵停止。这样，经加热后的热水间歇性地送入浴室蓄热水箱。

b．地板辐射供暖系统控制

在回水管道上设有温度传感器、电动调节阀和供回水之间的自力式压差控制阀，控制地板辐射供暖系统不会过热，保持资用压力恒定。

c．蓄热水箱补水控制

供暖蓄热水箱的水位基本固定，一般情况下水位不易下降，但应考虑正常蒸发造成的水位下降，及渗漏造成的事故水位下降。因此，供暖蓄热水箱仅设置浮子开关保持水位即可。

洗浴蓄热水箱设有上下限液位传感器。当水位降至下限水位时，控制系统打开自来水管道上的电磁阀强制补水；当水位达到上限水位时，控制系统关闭该电磁阀。

d．防冻控制

太阳能热水系统采用落水防冻控制。在屋顶设有室外温度测点，当冬季室外温度降至3℃以下时，设在设备间内的防冻落水电磁阀自动打开，太阳能热水循环泵连动停止，集热器及管道中的水在重力作用下落回供暖蓄热水箱，实现了防冻。防冻落水电磁阀旁还设计了防冻落水手动阀，可根据实际情况配合防冻落水电磁阀同时使用，并可作为电磁阀动作失灵时的备用阀门。集热器及管道设计安装时均已考虑合理坡度，避免了循环水系统存水结冰的发生。无论设置在设备间的蓄热水箱、水泵、管道，还是室外管道均进行了保温处理，最大限度地保证了循环水系统不结冰。

e．防结垢控制

由于洗浴蓄热水箱的温度控制在50℃内，集热器内部水温也基本在60℃左右，因此结垢现象并不严重。为了进一步控制结垢，在自来水管道上设计安装电子水处理仪(图1中未表示)，不但有效遏制了结垢问题，也起到了杀菌、灭藻的作用。蓄热水箱补水时，电子水处理仪自动启动，反之自动关闭。

4　结语

对于该工程，建筑室内采用了地板辐射供暖系统，可充分利用太阳能热水系统制取的较低温度的热水。不仅实现了冬季太阳能的利用，还实现了春夏秋季的综合利用。目前，国内对于太阳能用于制备生活热水的技术已比较成熟，但用于供暖还应进行深入研究与实践。

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本文作者：许征　张厚栋

作者单位：青岛市热力规划设计研究院有限公司