广西大学平板太阳能热水系统分析
来源：中国太阳能产业联盟网
0 前言
鹏桑普中标的广西大学24栋宿舍楼太阳能中央热水系统项目近日全部完工（项目编号：GXU201208001）。该项目总投资1500万元，投入太阳能集热器6252m2，日供热水量627m3，满足学生12305人用水，是平板太阳能热水系统在广西南宁可再生能源示范的第一次规模化应用。
1 项目概况
广西大学位于广西壮族自治区首府南宁市，太阳能资源丰富，是国家“211工程”重点建设学校。此次安装太阳能热水系统的为该校24栋宿舍楼，入住规模为12305人。参考建筑给排水热水用水定额标准，设计每人每天用50℃热水量为50L。每个宿舍均设有一间淋浴间，采用花洒淋浴方式。太阳能集热器、储热水箱、空气源热泵等主要设备安装在楼面，不影响建筑整体外观。
2系统设计及设备选型
2.1气象参数
南宁市位于北回归线南侧，属湿润的亚热带季风气候，阳光充足，年平均气温在21.6℃左右。冬季最冷的1月平均气温在12.8℃左右，夏季最热的7、8月平均气温在28.2℃左右，基础水温按地下水温15℃设计。年均降雨量达1304.2mm，平均相对湿度为79%,主要气候特点是炎热潮湿。南宁市地区年日照时数1204.5h，水平面年太阳总辐射量为4375.56MJ/m2，年太阳能保证率40%~50%。。
在综合分析广西大学宿舍楼的构成，同时对学校学生用水规律，当地地理环境、太阳辐射量、年降雨量及年平均气温等数据进行仔细分析研究后，最终确定所有宿舍楼均采用太阳能为主、空气源热泵为辅的中央热水系统模式，力求以最节能的方式，最低的运行成本，给每个学生提供最舒适的热水。
2.2设计标准
本设计严格参照鹏桑普太阳能建筑设计标准及GB/50364-2005《民用建筑太阳能热水系统应用技术规范》、GB/T6424-2007《平板型太阳集热器》、GB/T18713-2002《太阳能热水系统设计、安装及工程验收技术规范》等国家相关标准、规范实施。
2.3系统配置设计
2.3.1集热器热效率核算
根据最高日用水量[kg/（人·d）]、总人数、日总水量（t/d），可根据公式（1）、（2）、（3）、（4）得出所需集热器面积。太阳能集热器热效率计算参数（《民用建筑太阳能热水系统应用技术规范》）。集热器进口温度ti的确定：ti=tL/3+te×2/3=15/3+50×2/3=38.33℃（1）
式中：
ti———集热器进口温度，℃；
tL———水的初始温度，℃；
te———贮水箱内水的终止温度，℃。
平均日太阳能能辐射度：
G=JT/（SY×3600）=11987×103/（3.3×3600）=1009.01W/m2
（2）式中：
JT———正南朝向，倾角为当地纬度的平面上年平均日太阳辐照量，11987kJ/m2；SY———年平均日照小时数，3.3h。
归一化温差：
T=（ti-ta）/G=（38.33-21.6）/1009.01=0.0166（m2·℃）/W（3）
式中：ta———使用期环境平均温度，此处取21.6℃。
原集热器参数采用鹏桑普集热器为参考，则本工程中太阳能集热器全日集热效率为：
ηcd=η0，a-U·T=0.8083-5.44×T=0.718（4）
式中：
η0，a———集热器基于采光面积、进口温度的瞬时效率截距，
此处取0.8083；
U———集热器总热损系数，5.44W/（m2·℃）。该项目选用平板太阳能集热器，每块集热器面积2m2，集热器瞬时效率截距为0.718。
2.3.2太阳能集热器设计
1.采用的太阳能集热器是鹏桑普出口欧洲达到国际一流质量标准的产品，在沿海地区气候条件下使用耐耗时间25年，重复循环60万次后（即25a后），循环静压无任何下降，是国内太阳能热利用领域中技术最先进的平板型集热器。
2.集热器采用铜铝复合阳极化处理有选择性高效吸收层、防盐雾的集热板芯，铝合金边框，内部由全紫铜管网及铜铝复合构成，具有抗霜冻、耐高温、耐腐蚀、无故障、使用寿命长等优点；集热器盖板采用优质浮法玻璃，透光率高，严寒天气下抗冰雹冲击，且保温及防冻效果好。
表1为平板型太阳能集热器主要技术参数。
太阳能热水系统是否安全、稳定、节能，关键在于3大方面：
一是合理的系统设计；二是使用符合质量标准的产品；三是科学的控制技术。其中科学的控制技术是太阳能工程最核心的内容。如何才可以更有效的利用太阳能，做到有太阳能的时候充分利用太阳能，太阳能辐射不足或阴雨天时适当启动辅助加热设备将是系统控制关键。
鹏桑普在热水系统的核心控制技术方面进行不懈努力，研发出具有自主知识产权的专利技术，取得了丰硕的成果。本项目系统设计充分运用了多项专利及专有技术，所有运行设备全部为全自动控制，具有自动进补冷水控制、太阳能温差强制循环加热控制、热泵分时段定温辅助控制、智能供应热水控制、冷水自动回收控制、热泵与应急电辅助自动转换控制等及过流、过载、缺水、缺相、漏电等保护功能。
3.1自动进补冷水控制
采用专有技术，受水箱水位及温度的控制，当水箱水位低于下限水位时，电磁阀自动打开，直到加热水箱水位达到上限水位，电磁阀自动关闭。
3.2太阳能温差强制循环加热系统
采用温差比较强制循环加热系统控制技术，其特点主要是在同等集热面积的条件下，强制循环方式可将系统的太阳能利用率提高20%，特别是提高阴天和春冬季多云天的产热水量和产热水温度。
其工作原理为：冷水通过太阳能热水系统下循环管进入集热器，在集热器中受太阳能辐射，使温度升高。当集热器水温高于太阳能水箱内水温5℃（可调）时，太阳能循环泵在温差控制器的作用下自动启动，将集热器内的热水经太阳能上循环管进入水箱上部，同时水箱底部温度较低的水又由下循环管进入集热器，继续受太阳能辐射加热，如此循环使水箱中的水温不断升高。当集热器与水箱的温差≤2℃时，太阳能循环泵停止。
3.3空气源热泵分时段定温检测控制
空气源热泵运行时间一般为8~12h，过早启动热泵，不利于充分利用太阳能热辐射，过迟启动热泵，又无法在太阳能热辐射不足或阴雨天时保障热水系统供应。因此热水系统是否节能，关键在于空气源热泵的启动控制是否科学合理。
鹏桑普研发的分时段定温检测控制技术完美地解决了这一问题，使系统做到了有太阳能热辐射的时候，充分使用太阳能，在不出太阳或太阳辐照量不足的时适当的启动热泵对其进行补偿。
3.4可编程智能供水控制
为了使系统更加节能，本项目设计充分考虑了春冬季与夏季用水温度、用水量不同的特点，按季节采用定液位自动进补冷方式灵活控制热水供给总量，使系统在满足需求的同时达到最好的节能效果。系统可编程定时供应热水，具体时间根据用户方要求确定。
3.5冷水自动回收系统
采用达到国际先进水平的、有自主知识产权的专利控制技术（专利号：Z200620016815X）《一种太阳能供热系统中的冷水回收系统》，其特点是保证管网中始终是恒温的热水，用户在打开阀门后，几秒钟内出热水，避免了使用热水时打开阀门后，需花较长时间排空低温水才有热水的缺点。
本系统属学校类定时供应热水系统，因此供水管网无需每时每刻均保持使用水温，系统配一套可编程定时回水装置，在供水时间前30分钟（可调）回水泵打开加压力回水即可保障用水要求，同时达到减少了回水泵的频繁启动从而降低能耗及延长水泵使用寿命目的。
3.6系统采用全自动微电脑控制
全自动运转，无须专人操作，并可根据实际用水情况调整产水量，避免造成浪费。还可在自动控制系统有故障时采用人工控制，保证系统正常运行。
4结论
在当地有关部门大力支持下，太阳能热水系统示范项目为广西大学学生宿舍提供热水达到了预期目的，这为广西其他地区推广应用太阳能热水系统提供了参考案例。该项目的成功应用，为太阳能等新能源在高校等公共建筑上的应用及节能降耗提供了可借鉴经验。在进行同步规划、同步设计、同步施工、同步验收、同步使用的前提下，达到规划合理、高效方便、结构坚固、美观协调、安全耐用，真正实现太阳能与建筑相结合。
