太陽熱水器設計分析的論文
太陽熱水器設計分析的論文
摘要：本文根據建築工程設計中太陽熱水器應用系統的設計實踐和體會，論述了太陽熱水器應用在工程設計方面的現狀及存在的一些問題，總結了部隊營區多年使用平板式太陽熱水器防凍問題，提出了一些有關在高層建築中推廣太陽熱水器與建築設計相結合的建議。
關鍵詞：太陽能熱水應用建築給排水設計推廣應用
0引言
隨著能源消費量的不斷增長和人們對環境質量要求的不斷提高，各種新能源已經越來越受到人們的重視。
新能源中的太陽能雖然不需要開採和運輸，隨處可得，清潔安全。但是，由於陽光照射到地面的熱量受季節、晝夜及天氣陰晴雲雨的影響，間斷而不穩定；加上太陽熱水系統的日常執行及換季節維護方面也存在一些問題，因而對於廣泛地推廣應用太陽能造成了一定影響。本文結合太陽能應用在部隊營房工程設計方面的實踐，談一些體會，供同行們參考。
1部隊營房建築太陽能熱水利用的情況
據20多年前的統計，1981年底全軍已在使用的太陽熱水器的採光面積就已超過兩萬多m2，約佔當時全國使用面積的五分之一。尤其在雲南、廣西、西藏、新疆等日照條件較好的地區，太陽熱水的利用很受部隊的歡迎。如當時川藏運輸線上有2個兵站，利用自然迴圈熱虹吸直流熱水系統建立了太陽能浴室，基本解決了過往運輸部隊的洗浴問題。西藏駐軍某醫院也利用這種系統為醫院手術室和病房提供熱水，效果甚好。駐守雲南、廣西等地的邊防部隊，其洗浴熱水也都主要依靠太陽能系統解決。太陽能熱水的利用，不但節約了大量常規能源，更重要的是解決了能源運輸較困難、缺煤少電的邊防海島部隊的洗浴熱水問題。
華南地區冬季不結冰，每年9月至第二年3月晴天居多，全年可利用太陽能的天數超過200天，陰雨天可用電加熱裝置或小型燃油熱水爐加熱裝置來輔助補充熱量，解決太陽能系統供熱間斷和不穩定問題。小型工程常可用電輔助加熱，中型工程一般多用燃油爐輔助加熱。南方某部隊招待所，共4層，33間客房，原來安裝一臺燃油爐供應生活熱水，每天定時供應一次洗浴熱水，每月的耗油量約500多kg，後在屋頂加裝了太陽熱水器系統，共安裝了72m2平板式集熱板和1臺不鏽鋼蓄熱水箱，原有燃油爐改用作屋頂太陽能系統的輔助加熱裝置，在蓄熱水箱內設溫度探頭，由設定的溫度上下限自動控制燃油爐的啟停，當水箱熱水溫度低於設計溫度（陰雨天），燃油爐自動啟動迴圈加熱，當蓄水箱水溫到達設計溫度，燃油爐自動停止加熱。太陽系統投入使用以後，燃油爐平均月耗油量下降到50kg以下。且供應熱水的時間也大大延長。
據我們近期到雲南等地邊防部隊實地考察，到目前為止，部隊所用的太陽集熱器大部分還是前些年安裝的平板型管板式集熱器。雖然平板型集熱器集熱效率不如玻璃真空管式的集熱效率高，但由於基層部隊對所用太陽能裝置都比較愛護，管理和維護都很認真及時，所以，部隊所用的平板型管板式太陽能集熱裝置均比較完好，在陰雨天，輔助以電加熱，基本可以解決部隊的洗浴熱水問題。以後新建的太陽熱水系統以及原有系統的更新換代，當然以採用真空玻璃管集熱器為好。但這與工程造價及當地裝置廠家的裝置水平有關，因為真空玻璃管屬易碎品，長距離運輸不易。
2北方地區太陽能系統的防凍問題
在北方地區，部隊營房建築安裝利用太陽能解決洗浴熱水的工程專案也不少，但因冬季氣溫低，設在屋頂的太陽集熱器和管道系統需要在入冬之前放空存水，否則存在凍裂的危險。冬季的洗浴熱水還需要用別的方式解決。此外，在來年春天啟用太陽能系統之前，還需對整個系統進行試水和維修，因經過一個嚴冬的的氣溫變化，空置一冬的太陽能管道系統難免有許多地方出現滲漏現象。
為解決屋面太陽能管道系統冬季的防凍問題，在設計和使用方面都想了許多措施。對於真空玻璃管太陽集熱器系統，目前瞭解主要有三類措施：一是加保溫層；二是採用電伴熱帶；三是在冬季把系統排空。在我國某高寒地區太陽熱水工程中，晝夜溫差大，系統採用了保溫層加電熱自動保溫的措施，可使系統在-30℃的環境中不凍壞。其具體做法是：在管道表面纏繞電伴熱帶，其加熱功率為4.5~5W/m，電伴熱帶外再敷設6cm厚保溫層，當管中水溫低於5℃時自動通電加熱，高於5℃自動斷電。但是，即使上述系統也並不能絕對保證系統的安全，比如正在嚴冬季節遇到臨時停電、或電伴熱設施故障等情況，系統仍有可能凍壞。同時，冬季系統按最不利溫度計算，會使費用增加很多，影響系統經濟性。由於悶曬式和平板式熱水器自身防凍效能很差，根本無法在寒冷環境中使用，因此對其管道系統進行防凍是沒有意義的。綜上所述，就目前的技術條件，在多數情況下，在北方嚴寒地區，太陽系統還只是在春、夏、秋三季使用較為合適。怎樣更好地解決北方地區太陽能系統冬季的防凍和正常使用問題，仍是建築設計人員與太陽能應用廠家的一個有待繼續研究和探討的課題。
3高層住宅太陽熱水器的安裝問題
目前在城市，因建築用地越來越緊張，因而高層住宅越來越多。高層住宅主要有塔樓和板樓兩種。其中有些單位也提出想用太陽能來解決洗浴熱水問題。但對於高層塔樓來說，因屋面的面積限制，基本不可能擺下足夠的集熱器。對於高層板樓來說，屋面面積除去屋頂水箱間、電梯機房、出屋面的廚房通氣孔、排水通氣管等佔用的地方之外，所剩的太陽能可用面積也很有限，要擺下足夠的集熱器也有一定困難。而且，傳統作法通常每戶需要一上一下2根管道，這樣如18層樓，到了上層衛生間就需要有36根立管的位置，要擺的下也很困難。因而高層住宅太陽能熱水的利用受到一定的限制。近年來，隨著建材工業的發展，採暖和生活冷熱水管道很多已走在住宅建築的墊層裡。由此，有希望將太陽集熱器安裝在各家自己的南陽臺上面或陽臺外攔板上，其與室內衛生間之間相連線一去一回的管道則可設在自家房間的'墊層中，如同分戶採暖的暖氣管一樣埋設在墊層中，可在地面預留管槽。這種作法理論上分析沒有什麼問題。就是廠家需要和建築師配合，解決好建築立面的處理，使得太陽熱水器與建築南立面很好的配合，如能成為建築南立面的裝飾，增加建築南立面的美感，則可為高層住宅太陽集熱器的安裝應用開闢一種新的方式。
4利用太陽能和夜間低谷電能相結合解決生活熱水問題
近年來，我院在工程設計中，採用了利用太陽能和夜間低谷電能輔助相結合解決洗浴熱水供應的設計。這種作法從理論上分析，似乎也可推而廣之應用到住宅樓的太陽能熱水利用工程設計中。它的作法是，優先利用太陽能，由屋頂的太陽熱水器將水預熱，作為電熱鍋爐的給水來源。系統採用溫差迴圈，根據預先設定的太陽集熱器出口水溫的上下限自動啟停太陽上水泵，（集熱器和熱水儲水罐之間的迴圈泵）。當陽光和溫度適宜，集熱器出口溫度達到某一設定值時，太陽上水泵運轉，使被加熱水在連線儲水罐和集熱器的管道系統中不斷迴圈將水加熱；而當溫度低於某一設定值時，上水泵停止執行，同時系統透過雙向單流閥自動排空（排空的水仍可進入熱水儲水罐）。從而解決系統及管路的防凍問題，並具有一定的防垢功能。系統以電熱鍋爐為輔助，對此電熱鍋爐單設一路供電，並單獨分時計量。因現在很多城市都實行了夜間低谷廉價的用電政策，在22時到6時之間的電價是白天正常電價的三分之一到四分之一。
充分利用夜間低谷電能加熱儲水罐內的熱水並做好保溫，從而解決陰雨天和冬季太陽能系統產水少，熱水供應不足的問題。當儲水罐中水溫低於設定溫度時，電熱鍋爐自動啟動加熱。系統所有過程全部自動控制，平常不需人員值守，只需定期對系統進行檢查維護保養即可。在北方的這種屋面太陽能、熱水儲水罐、電熱鍋爐綜合的太陽能利用系統，不但需要各裝置廠家的配合，還需要在建築設計時就進行建築方面的配合，預留屋頂的儲熱水罐間、電熱鍋爐間及便於單獨分時計量的供電電源和電錶等。對於熱水供應可靠程度要求較高的建築，採用這種電熱輔助的太陽能系統是適宜的。
5進一步推廣太陽能熱水利用的建議
建議把太陽能推廣應用的要求列入有關建築設計規範和建築給排水設計規範的推薦條文中，首先從規範上提出要求，從政策上加以引導和鼓勵，從工程設計的源頭上就考慮太陽能的利用問題。解決當前太陽能的推廣利用與建築設計結合不緊密的問題。不少單位都是工程建成後才請一些太陽能專業廠家在屋面後加太陽能系統。這樣不但對太陽能系統造成許多先天不足，而且對建築結構、屋面防水、建築景觀等也影響較大。
此外，作者呼籲並鼓勵各太陽能熱利用裝置廠家與建築設計人員加強溝通和聯絡，相互結合，對於解決如屋面太陽能系統的冬季防凍、太陽集熱器與建築立面的結合與美化、太陽能與建築相結合如何更方便檢修、維護、管理等問題，找出更好的解決辦法。
參考文獻
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