本文选自省级期刊《能源与节能》，《能源与节能》创刊于1996年，本刊坚持科学发展观，关注我国能源经济现象，报道能源与节能领域最新科研成果，探求我国该领域的方针、政策和发展战略， 积极普及节能知识。同时为从事教学、管理、科研、以及广大一线工作的技术人员就能源、环保及节能等相关问题提供了一个政策研讨、理论交流及节能和环保等新 技术推广的平台。
摘要：随着我国经济的快速发展和对环境保护的重视，太阳能作为一种环保新能源，一种简单、经济、环保、可靠的改善建筑环境的方法，很适合我国经济现状的采暖及供热方式，在建筑施工中得到了大力的推广和广泛的使用。
关键词：新能源,太阳能采暖,太阳能建筑
1项目概况
本项目位于石家庄开发区，其中的3号综合楼总建筑面积3256m2,采用集中式太阳能热水系统，要求24小时提供热水，通过供水干管循环方式保证用户用水即可即热。该项目集中热水供水系统采用太阳能热水机械循环直接供水系统，供水温度为55℃，回水温度为50℃。由于综合楼内设有数据机房，夏季机房空调制冷量较大，设燃气制冷机组及燃气锅炉房，故此集中热水供水夏季以太阳能集热为主，以燃气热水锅炉作为辅助热源（该项目不具备市政供热条件）生活水补水温度按15℃计；冬季则以燃气热水锅炉作为主要热源，生活水补水水温度以５℃计。
因本市具有较丰富的太阳能资源，太阳直接辐射的利用时数较多，每天平均能达到6小时左右，在冬季及夏季长阴雨天，太阳能集热器收集到的热能不足，故需要设置辅助加热系统补热。
２工程设计
2.１设计依据。《民用建筑太阳能热水系统应用技术规范》GB50364-2005。《太阳能热水系统施工技术规程》BD11/T461-2007。《建筑给水排水设计规范》BG50015-2003(2009版)。《全国民用建筑工程设计技术措施•给水排水》2009版
2.2太阳能热水机械循环直接供水系统及辅助加热系统。
太阳能热水机械循环直接供水系统及辅助加热系统包括“Ｕ”型真空管集热器组、太阳能热水贮水箱、集热器至贮热水箱间集热循环泵、两贮热水箱间热水循环泵、热水供水系统循环泵、辅助热源及导流型容积式换热器、膨胀罐、温度、压力及水位等信号取源部件、电动执行阀、电控柜或PLC、DDC等。
2.3集中热水供水系统设计。
集中热水供水采用机械循环系统。热水供水管与回水管同程布置，并采用支管循环。淋浴热水供水管在淋淋浴间内环形布置。供水温度为55℃，回水温度为50℃。热水经导流型容积式换热器由热水管道系统输送至地下一层餐厅／厨房、卫生间、淋浴室、后勤服务区、员工宿舍等用水点。
2.4太阳能集中热水系统运行控制。太阳能集中热水系统中有两个热水贮水箱（Ａ和Ｂ），Ａ水箱通过集热循环泵P1-a、P1-b（一用一备）与集热器组相连；A、B水箱间通过换热循环泵及高位连通管相连；Ｂ水箱通过热水供水管道与换热器相连；热水供水系统循环泵为P2-ab（一用一备）；太阳能集热器取源温度为T1，贮热水箱Ａ取源温度为T2，贮热水箱Ｂ取源温度为T3,A、B水箱由低到高依次设有1、2、3、4四个水位。
2.4.1自动补水：白天当Ｂ水箱水温≤60℃且水位至３水位及以上时，自动补水阀停止补水；当Ｂ水箱水温≥63℃时，自动补水阀开始补水（至４水位时停止），超４水位溢流并报警；当Ｂ水箱水位低于２水位时，自动补水阀开启并补水至３水位时停止；当Ｂ水箱水位低于１水位时，自动补水阀强制开启并报警；夜间定时（如凌晨２点，可调）补水至４水位。（注：自动补水设有旁通阀，在自动阀出现故障状态下，可切换为手动操作）
2.4.2集热板与Ａ水箱之间的温差循环：T1—T2≥5℃（可调）时，P1-a或P1-b启动；T1－T2≤2℃（可调）时，P1-a或P1-b停止。
2.4.3冬季运行模式的切换。①当连续５天Ａ水箱内最高温度T2＜30℃（可调）时，进入冬季运行模式，Ｂ水箱的出水、回水、自动补水管切断；②当T1≤5℃（可调）时，P1-a或P1-b开启进行循环，当T1≥15℃（可调）时，Ｂ水箱出水、补水管启用，回水管切断，出水作为预热水使用。
2.4.4夏季高温断续循环模式：当T1≥90℃（可调）且仅高于Ａ水箱水温度2～10℃（可调）范围内时，P1-a或P1-b每循环运行10分钟，停止运行20分钟，以防炸管。
2.4.5Ａ、Ｂ水箱间循环泵的温差循环：当Ｂ水箱水温≤60℃（可调）且T2－T3≥5℃（可调）时，换热循环泵开启；当Ｂ水箱水温≥63℃时，换热循环泵强制停止循环，T2－T3≤2℃（可调）时，换热循环泵停止循环。
2.4.6导流型容积式换热器辅助热源的运行。①当Ｂ水箱出水温度≤55℃（可调）时，热媒供水电动阀开启（并可调节开度），当Ｂ水箱出水温度≥63℃（可调）时，热媒供水管电动阀关闭。②Ｂ水箱内水温≥55℃（可调）时，供至Ｂ水箱的回水管电动阀开启，供至换热器的回水管电动阀关闭。③Ｂ水箱内水温＜55℃（可调）时，供至Ｂ水箱的回水管电动阀并闭，供至换热器的回水管电动阀开启。④供至换热器的补水管控制：当处于冬季运行模式①或Ａ、Ｂ水箱故障检修时开启，其余条件下关闭。
2.4.7Ａ或Ｂ水箱故障检修（备用模式）：当Ａ或Ｂ水箱处于故障检修时，可通过其备用管道实现与集热板的连接，水箱间的循环泵停止运行，运行中水箱的水温在30～63℃（可调）范围内时，可按正常状态运行，当水箱的水温＜30℃（可调）时，进入冬季运行模式；当水箱中水温≥63℃（可调）且水位已至４水位时，其出水管、回水管切断；当T1≥90℃（可调）且仅高于水箱水温度2～10℃（可调）范围内时，进入夏季运行模式。
2.5太阳能集热器设计参数。
2.5.1用水温度：由于太阳能集热器效率随产热水温度升高而降低，且热水用途为主要为厨房洗涤和洗浴，确定太阳能热水供水温度为55℃。
2.5.2用水水质：对于普通太阳能热水系统，热水水质是考虑热水是否结垢和对管道、设备是否腐蚀的重要因素，由于水加热后，温度升高使钙、镁盐类溶解度降低，易形成水垢而附在管壁和设备内壁上，降低管道输送能力和设备的导热系数，同时水温升高，会使溶解氧逸出，增加水的腐蚀性。关于水质对管材的影响设计时予以考虑。
2.5.3产水量：根据《建筑给水排水设计规范》GB50015-2003（2009版）的规定，各项生活热水用水定额均按规范中规定的生活热水用水定额的下限值选取。以此计算平均日生活热水用量约为10m3/d（60℃），折合成55℃的热水为11m3/d。
2.5.4单位集热器日产水量：根据GB/T50364-2005《民用建筑太阳能热水系统应用技术规范》中列出的直接加热集热器面积计算公式计算:
Ac=Qrd×C×ρr(tr-tL)f/(Jt×η×(1-ηL))
式中：
Ac：直接加热集热器总面积，(m2)；
Qrd：日产水量(L/d)；
C：水的比热容，4.187kJ/(kg•℃)；
ρr：对应热水温度tr下的热水密度(kg/L)
tr：集、贮热水箱内热水设计温度，℃；
tL：冷水温度，℃；
f：太阳能保证率，无量纲，根据系统使用期内的太阳辐照量、系统经济性及用户要求等因素综合考虑后确定，宜为0.3~0.8，北京地区属太阳能资源较富区，设计选取0.5；
Jt：当地集热器采光面上的年平均日太阳辐照量[kJ/(m2•d)，设计集热器按50°倾角安装，采光面上设计取值为14188.37kJ/(m2•d)；
η：集热器年平均集热效率，按集热器产品实测数据确定，经验值为45~50%，设计取值为50%；
ηL：贮水箱和管路热损失率，取15~30%，设计取值为20%。
根据上述公式，计算得出本项目产生1m3/d生活热水（55℃），太阳能系统需配置14.8m2集热器。
2.5.5系统配置集热器面积：太阳能热水系统产水量为11m3/d（55℃），太阳能系统需配置14.8×11=163m2集热器。该工程采用真空管集热器，真空管中走“U”型管，“U”型管内走水，而真空管中不走水，当真空管破裂时，可单独对其进行更换，系统其它部分不受影响。U型管的进出水管串接，再将所有组件并联连接在供回水管路上，通过水泵强制循环将经太阳能加热后的热水输送到机房贮热水箱中。
2.5.6太阳能集热器屋面占地面积：为满足太阳辐照量要求，该项目太阳能集热器的安装倾角为50°(侧重冬季使用时，安装角度=当地纬度+10)，共163/5.4=30组（依据某品牌太阳能单组集热器面积），占用屋面积约为320m2（含太阳能换热机房面积）。
2.5.7太阳能贮水箱容积：为充分利用太阳能的热量，设置有效容积为11m3的不锈钢贮热水箱两个，贮存全天生活热水用水量。
2.5.8辅助热源及容积式换热器：为保证在阴雨、低温等太阳能资源不足的气候条件下，生活热水系统能够满足使用要求，在太阳能系统供水管路上串联导流型容积式换热器，以生活-采暖两用燃气热水锅炉作为辅助热源，加热生活热水。辅助热源及容积式换热器均按全日供应生活热水配置，设计小时耗热量为146.5kW，设计小时热水量为2.33m3，采用导流型容积式换热器两台，总贮水量为3m3。
3设计总结
3.1在太阳能资源丰富地区有效地利用太阳能可达到建筑物绿色节能的目的。
3.2集中式太阳能热水系统的设计难点在运行模式的控制，运行模式的合理分配可保证对太阳能的充分利用，以达到节能减排的目的。
3.3太阳能集热系统的冬季防冻和夏季防过热问题的解决，可保证太阳能集热系统的安全可靠运行。
3.4辅助热源的合理设置是热水供水系统可靠运行的保证。
参考文献:
[1]《建筑节能》杨善勤，郎四维，涂逢祥编著.北京:中国建筑工业出版社，2011
[2]《新型太阳能吸附式制冷系统研究》李云苍，Eric,J.Hu等.新能源，2000,22(11):1一5,15
[3]《新型太阳能连续型固体吸附制冷及供热复合机设计及性能模拟》张学军，王知竹.太阳能学报
