太阳能热水系统工程设计及检验测试
来源：太阳能联盟网
一、工程简介：
天津顶秀欣园经济适用房项目位于华明镇新家园居住区，由天津顶秀置业有限公司开发，是2007年天津市政府二十项“民心”工程之一。项目总用地面积153595.20平方米，规划建筑面积153600平方米，项目总投资约56000万元。
本地块西侧和北侧组团全部采用20层高层住宅，南侧组团采用11层小高层住宅，中间部分采用16和18层的住宅,点式与短板式相结合。
二、太阳能热水系统的优势
天津顶秀欣苑太阳能热水系统是国内首个采用集中集热-分户供热(以下简称集中分散系统)的大型太阳能系统的公建小区。集中分散系统将传统的供热水模式创新为供热能模式，虽只一字之差，却开创了太阳能热水系统应用于中高层建筑的先河，并日趋形成为一种模式而广为应用。
集中分散系统方案的设计原理为：以整栋建筑为单位，将所需太阳能集热器集中在一起，采集的热量通过传热工质进入各户，平均分散到每户中的贮水箱中进行换热；辅助热源辅以电加热进行补充，与普通的家用电热水器用法一样。
集中分散系统的技术优势
1)利用效率高：集中分散系统摆脱了以往家用太阳能热水器的束缚，集热系统的设备利用率明显提高，使得设备的初投资降低，维护费用降低。
2)实现建筑一体化：集中分散系统可做到了与建筑工程统一规划、同步设计、同步施工、同步验收、同步投入使用；安装、维护和维修均很方便。
3)系统稳定性：集中分散系统设备可以优先采用更高效率、更安全的产品，提高系统稳定性。
4)利益均好：集中分散系统避免了建筑物间相互遮挡以及建筑本身体型多样所带来的房间日照条件不均的情况，可以最大限度的实现利益均好性，无论是住在高层还是底层的住户都能享受到太阳能所带来的便利和实惠。
5)管理方便有效：集中分散系统集热器及循环控制设备均设于公共空间，便于物业统一管理，统一维护，能够更有效的保证系统长期正常运行。
6)使用成本低廉：因系统仅通过热媒换热向住户提供热量，故无需计量收费，且系统运行费用低廉，用户易于承受。
7)建筑主体设计影响较小：集中分散系统集热器集中设于屋顶或采光最好的位置，可以根据楼面建筑情况灵活布局,最容易实现与建筑物相协调。
8)得利者付费：太阳所产生的热量对于用户来说是免费的，因此用户无须支付太阳能产生热量的费用，在运行过程中，用户仅支付少量运行公摊费;
三、设计方案
1.设计内容
根据项目特有的形式，选择了“集中分散系统系统，集中分散系统适用于建筑类型为小高层及高层住宅：以一栋建筑为一个单元，安装一套或两套太阳能集热系统，每户安装一台储热换热式双能源贮水箱，每户使用自己的自来水和电辅助加热。天气好日照足，太阳能集中系统提供热源，日照不足时，用户自己启动电辅助加热。
2.项目背景
最初设计集中分散系统是为了完成“天津市建委”针对“2007年民心项目”推广使用太阳能提出的程基本要求：要让每户老百姓都使用上太阳能热水，并且不能为热量付费。
2007年民心项目是经济适用房性质的，我们设计主要遵循了三个基本原则：
(1).设计安全可靠的系统
(2).设计满足基本使用的需要；
(3).设计越简单约可靠就越合理。
3.设计难点
集中集热-分户供热系统简单的说就是把太阳能集中集热方式和住宅采暖的分户散热形式有机的结合在一起，系统设计没有设计复杂的调节功能，一切以满足基本要求为目标。
在系统设计中，热量平衡是核心难点，无论是太阳能集热时的热量平衡还是分户换热时的热量平衡，以及分户后的平均分配都需要在设计中认真考虑。
(1).循环动力的设计
最初设计为单组泵循环方式，即利用一套泵组满足系统所需的全部循环动力，这种设计为一般项目常用模式。在本项目的实际设计时，通过计算发现单组水泵运行很难达到平衡，简单的说太阳能系统的循环流量很难匹配贮热水箱的换热流量，单组泵的方案不可行。
(2).贮热水箱的设计
由于集中分散系统属国内首推，基本没有可参考的项目。阳台式热水器贮水箱普遍采用夹套水箱（外胆换热方式），但夹套水箱承压能力差无法满足需要，因此需要开发新型的储热换热水箱。
(3).同时使用保证率（或同时满足率）：
类似于酒店的同时入住率，在全年或者更长的时间段内，热水系统的同时使用或同日使用率很难达到100%。因此设计集中分散系统时不能按100%完全满足考虑，同时太阳能热水系统已经配备了辅助加热设备，因此设计时引入同时使用率的概念是科学的。
经过查阅大量的参考文献和充分论证，本系统最终选取了一个标准：即低层建筑、总住户少于20户的住宅同时满足率要按100%设计，高层建筑、住户总量在20-60户的住宅按80-90%的同时满足率设计，超高层建筑住户总量在60户以上的按70-80%的同时满足率考虑。这个数据有待项目的测试来完善。
4.设计方案
(1).设计依据
1)略
(2).设计参数
1)天津市气象参数:
查询文献资料：天津市年太阳辐照量：水平面5152.363MJ/m2，太阳能集热器采光面上5966MJ/m2，年日照时数：2612.7h，年平均温度：13.0℃，年平均日太阳辐照量：水平面14.106MJ/m2，太阳能集热器采光面上15.804MJ/m2。
(3).热水设计参数
每户储热换热贮水箱设计容积80L，配置一个1.5KW的电加热。设计热水温度：50℃，设计冷水温度：10℃
(4).太阳能集热器效率计算
由全年平均天气情况下,太阳辐照强度平均可达600-640W/㎡。在这样的日照情况下“桑普”热管真空管太阳能集热器的效率为：
η=a-b(ti-ta)/G(检测报告上的效率公式)，a、b——集热器效率计算系数，η——集热器瞬时效率，ti——集热器进口温度(℃)平均进口温度为(最高进口温度+最低进口温度)/2，ta——环境温度(℃)，G—太阳能辐照强度(W/㎡)。
根据设计条件,可计算出桑普热管集热器得热效率为60—68%。
(5).太阳能集热器的面积计算:
太阳能热水系统的计算还是国家标准GB50364-2005中的计算公式先计算直接系统的集热面积：
其中，——直接系统集热器采光面积，㎡；——日均用水量；——贮水箱内水的设计温度，℃；按照60℃计算；——水的定压比热容，4.18KJ/（㎏·℃）；——水的初始温度，℃；——当地集热器采光面上的年平均日太阳辐照量KJ/㎡；——太阳能保证率，％；——集热器的年平均集热效率；具体数值应根据集热器产品的实际测试结果而定（需要提供相应检测报告）；——贮水箱和管路的热损失率。
由于以上计算出来的为直接系统的集热面积，根据直接系统与间接系统集热面积之间的关系，可以得出间接系统集热器面积计算
(6).集中集热系统的循环流量
依据《民用建筑太阳能热水系统工程技术手册》（郑瑞澄主编）：真空管型太阳能集热器按照0.015~0.02L/(s.m2)进行估算，只要确定了集热器的面积，循环流量即可准确的计算出来了。
(7).分户供热系统的循环流量
分户供热水泵的选择，必须要考虑如何匹配流量和扬程。每个储热换热贮水箱的设计流量是150-200L/h，根据所用用户的水箱数量，可以计算出所需水泵的大致流量。
太阳能循环系统的扬程为8米左右，功率大约在200-300W，换热系统循环泵的扬程在28米左右，功率大约在900-1500W左右。
(8).管路的设计
管路设计的目的是要实现每户得到的热量相同。这就要求流经各个户内换热水箱的管路长度保持一致，即同程原理。本系统采用的三管同程式管路设计，既保证了管线的长度一致，又兼顾了实际施工时的可操作性。详见典型系统图。
2)管径的设计
本项目管径的设计为：主管同径、支管同径的方式。对于是否应该采用主管逐级变径还是采用主管同径、支管同径的方式，因缺少可比较的实例，无法进行横向比较，只能待以后的工程再总结。
3)防冻措施
防冻措施为落差排空式防冻。其主要原理：吸收太阳能量时，循环水泵强制循环加热；循环泵停止工作时，利用重力的作用使循环管路中的水全部落回到供水水箱，这样循环回路中没有积水存在，自然也就没有结冰冻坏管路的问题。
落差排空式防冻，既保证减少储热水箱中的热水的热量损失，又不需要启动循环泵，达到节源开支的目的。
4)系统过热平衡保护
过热保护，主要是指贮热水箱的过热保护，即贮热水箱水温过高时，容易造成使用人员烫伤。集中分散系统设计严格的控制了系统参数，并且将每个单元楼栋作为一个整体考虑，因此出现换热水箱温度过高的几率很低。即使个别水箱出现了过热的现象，由于每个单元楼所有水箱并联在一个循环系统管路中，系统的自平衡性也能及时地将过度的热量平衡到其他水箱中。
5)防雷措施
根据国家屋面设备防雷标准，如果设备处于楼面最高位，需要竖立避雷针，保证避雷针的避雷区覆盖所有设备。如果设备并非处于楼面最高位，只需要将设备与楼面避雷网连接便可。在实际安装中会根据实际情况和相应标准做好避雷系统，使太阳能热水系统的避雷装置和楼房建筑整体的避雷设施成为一体，保证设备在安全运行。
6)漏电保护措施
本系统采用漏电保护开关和双重接地保护，确保用电安全。
7)控制系统的设计
(1).太阳能加热控制
采用温差循环控制：通过检测集热器的温度与贮水箱中水温温度差来控制太阳能循环泵的启动和停止,不断加热贮水箱中的热水。
(2).用户水箱加热控制
用户贮水箱加热有两种方式：
①当太阳能充足时,通过检测贮水箱中水温和用户末端的温度差来控制一次热水循环换热泵的启动和停止,利用太阳能通过换热形式来加热用户热水水箱内的热水。
②当太阳能不足时,每户的储热水箱中都配有一个1.5KW的水电隔离的电加热,用户可以自行开启电加热加热热水。
(3).用户洗浴热水使用控制
本套系统的设计实则是为用户提供一个“最大限度利用太阳能的高品质电热水器”,因此用户卫生间内的太阳能热水器在使用方式上与常规电热水器没有任何不同,可以承压使用,用户自付水费。
5.过程照片
远景效果晴空下集热器特有的光泽彰显了建筑的科技韵味
楼顶专门设计并预制的结构造型,可与太阳能集热器稳固连接,外观很酷
6.运行分析
由于系统的实际运行性能与理论设计情况之间难免会有偏差，这就需要对太阳能热水系统的长期运行性能进行测试，了解系统的实际运行特点，为热水系统的改进提供参考，提高其实际运行效果。
为此我们对天津市顶秀欣园经济适用房23#楼太阳能热水系统的运行进行了长达1年的实时监测，以客观正确评价太阳能热水系统的各项技术经济指标，为系统的优化提供可靠依据。
从测试数据上看，夏季太阳能热水系统一天中的集热量较大，集热期间进出口温差多在3.5℃以上，集热效率基本都在33%以上；而在冬季，太阳能热水系统的集热效率略差，但也多在25%以上，这说明该太阳能热水系统在天气条件较差时，亦能达到较好的集热效率。
同时也可以看出系统实际运行阶段的集热效率与调试运行阶段间有一定的差距，这是由于集热器温度与贮水箱中水温具有一定温差时，循环泵才开启使得贮水箱中的水得到循环加热，这是因为调试运行阶段是按照接近与理论设计的工况运行系统的，而用户入住后，其热水用水时间、用水量、用水温度等习惯千差万别，使得系统的实际整体运行工况与理论设计间的差距较大，因此实际集热效果与调试运行阶段相比有所降低。
太阳能热水系统的集热只有送到用户处满足用户的热水使用需求，才能实现其价值，因而对于太阳能系统的性能衡量，在测定其集热性能外还要确定其供热性能。天津顶秀欣园太阳能热水系统采用间接换热的方式，将上循环的热水与用户水箱的冷水进行换热，以达到用户用水温度要求。用户水箱的温度随着集热水箱温度的变化而变化，同时用户水箱的得热量还与竖管沿程热损和沿程阻力有关，而集热水箱的温度又变化取决于太阳辐射强度，故可以用平均太阳能保证率来衡量太阳能热水系统的供热性能。此外，本测试也考察不同楼层间是否存在水力失调情况，并用EQH系统热力平衡系数考察高层与低层是否存在热力失调情况。
由于调试期间太阳能热水系统的集热效率高于设计运行期间的集热效率，相应地调试期间的太阳能保证率也高于实际运行阶段的值。在辐射量大于15MJ时，太阳能保证率均在40%以上，由此可见，系统全年运行的热水节能效果相当明显，故该系统具有很好的推广前景。
调试期间以2009年10月14日的数据为例，考察不同层用户的热力平衡情况。每天保证8小时日照，设计流过用户水箱换热器热水日平均小时流量ms=81kg/h；设计流过用户水箱换热器热水日平均小时温差Δts=5℃；实际测得11层流过用户水箱换热器热水日平均小时流量m11=124kg/h，流过用户水箱换热器热水日平均小时温差Δt11=3℃；实际测得6层流过用户水箱换热器热水日平均小时流量m6=65kg/h，流过用户水箱换热器热水日平均小时温差Δt6=5.5℃；因此可以得日平均热力平衡系数：11层：=8%<15%；6层：=11%<15%。实际用户得热量与设计用户得热量相差在15%以内，满足设计误差要求。11层与6层的热力平衡系数相差2%，可以认为不同层用户是热力平衡的。
不同楼层间的水力存在失调现象，热水累积流量与天气条件密切相关，随楼层高度的下降而下降，且其下降趋势逐渐增大。一天中，累积流量的差值逐渐增大，说明随辐射量的上升，水力不平衡状况有所增强。
系统调试运行阶段的运行效果（太阳能保证率、用户热力平衡性等）要好于实际运行阶段，这是因为调试运行阶段入住的用户较少，系统运行工况与理论设计条件比较接近，而随着用户的陆续入住，系统的运行工况与理论设计条件的偏差加大，使得系统的实际性能要低于理论设计。
由于测试是要对整个系统全面实时进行，难免会有考虑不周的地方，在测试中碰到了不少问题，如一些用户入住后破坏了卫生间内的测量设备，使得数据的监测经常会出现中断；依据系统的设计预先选用的测试仪器并不太合适；对用户入住率考虑不全；系统本身的特殊性，没能设立用户水箱混水装置且未能在不破坏水箱结构的前提下对用户水箱的温度分层情况进行监测等等。正是在不断地发现问题与解决问题的基础上，我们不断地总结经验教训，以更好地完成系统性能的测试。
7.顶秀欣园项目的社会效益
(1).太阳能光热系统全年太阳能保证率
太阳能光热系统全年太阳能保证率：65%
(2).集热系统年节能量
本项目共设计安装桑普热管真空管集热器1492(3).全年系统常规能源消耗量
全年系统需要消耗的常规能源主要为公共循环系统部分水泵消耗的电能和用户洗浴电加热电能。分别为：
水泵耗电能：W=32（套系统）×0.8（kW/每套系统）×6（小时/每天）×300天/年=46kW·h/年=1658.88MJ/年
用户电加热开启由用户需求自由掌握，初步估算为5683.6MJ/年
(4).月节能量计算
如下图所示，根据各个月份的太阳能辐照不同，太阳能系统月节能量为54%-91%，全年平均节能达到65%以上。
贮热水箱热损系数：由于配置了太阳能水箱间，且储热水箱采取了良好保温措施，因此热量损失较小，系数10%。
(5).全年系统常规能源替代量及CO2、SO2、粉尘减排量
项目共设计安装了桑普热管真空管集热器年节能量约为10414488MJ。折合节约常规能源替代量及CO2、SO2、粉尘减排量见下表：
太阳能热水系统年节能、减排对比表年节能量对比煤炭对比电能对比天然气对比燃油
10414488.24546686.563045172731919.90283002.40
MJkgKWhm3kg
二氧化碳年减排量相比1361249.5330451721990822.12865987.34
kgKWhm3kg
二氧化硫年减排量相比6997.5991355.16461.113296.98
kgKWhm3kg
烟尘年减排量相比2624.10828286.784221.04679.21
kgKWhm3kg
表中参数：能源类别标准煤电能天然气燃油
热值a29.308MJ/Kg3.6MJ/KWh16.74MJ/m346MJ/kg
效率b65%95%85%0.8
总结
天津市顶秀欣园项目是集太阳能节能技术、建筑一体化技术于一体的综合性的中高层居民住宅小区，小区所有住宅楼的热水供应由太阳能提供，全年热水节能率平均能够达到65%，不仅是解决了住户热水使用的问题，而且为国家、为社会节约了能源，该项目的主要推广亮点有：
1.太阳能集热器与屋面坡面完美结合，不仅保证建筑外立面的美观，同时保证集热器的高效、安全运行；
2.太阳能热水系统的设计具有创新性，打破了传统集中采热、集中供热的太阳能运行方式，采用集中采热、分户供热的运行方式，解决了中高层住宅安装太阳能困难的长久、尴尬的局面。集中采热、分户供热系统的应用经过北京市太阳能研究所集团有限公司、北京建筑设计院等多方面的专家和工程师的论证，是科学可行的绿色节能方案，可以说示范项目的成功应用已经掀起一波高层住宅太阳能建筑一体化项目的建设高潮。
3.太阳能集热器与屋面坡面完美结合，不仅保证建筑外立面的美观，同时保证集热器的高效、安全运行。
4.对于设计院而言,由于近年来国家对新建建筑节能的强制规定,节能设计已经成为了工程师在设计工作中必不可少的一部分内容,而与太阳能设备厂家在再配合中完成设计,有助于工程师不断完善设计理念并提高设计品质;
5.对于太阳能设备供应商来说,首先要向开发商提供优秀、适用的太阳能产品,而后要积极配合设计院完成太阳能系统的深化设计,同时还要对住户承担保修责任,通过完成以上相关的工作,最终达到销售盈利,得到回报;
6.对每一位用户来说,购置房屋时要支付一定的产品费用(均摊到房屋成本中),但在太阳能设备寿命期内(15年),用户所节约的电费远远超过了其所支付的产品费用,对用户来说不仅能够减少常规能源的消耗,而且减少了热水电费开支,同时净化小区环境、回报了社会。
先进的设计理念,成功的示范小区,多方参与、多方投入、多方受益的运作模式,集中采热-分户供热太阳能热水系统必将具有非常大的项目推广前景，可以预见,集中采热-分户供热系统的应用将对城市化建设中的节能配套贡献巨大。
