太陽(yáng)熱水器設計分析的論文
摘要：本文根據建筑工程設計中太陽(yáng)熱水器應用系統的設計實(shí)踐和體會(huì )，論述了太陽(yáng)熱水器應用在工程設計方面的現狀及存在的一些問(wèn)題，總結了部隊營(yíng)區多年使用平板式太陽(yáng)熱水器防凍問(wèn)題，提出了一些有關(guān)在高層建筑中推廣太陽(yáng)熱水器與建筑設計相結合的建議。
關(guān)鍵詞：太陽(yáng)能熱水應用建筑給排水設計推廣應用
0引言
隨著(zhù)能源消費量的不斷增長(cháng)和人們對環(huán)境質(zhì)量要求的不斷提高，各種新能源已經(jīng)越來(lái)越受到人們的重視。
新能源中的太陽(yáng)能雖然不需要開(kāi)采和運輸，隨處可得，清潔安全。但是，由于陽(yáng)光照射到地面的熱量受季節、晝夜及天氣陰晴云雨的影響，間斷而不穩定；加上太陽(yáng)熱水系統的日常運行及換季節維護方面也存在一些問(wèn)題，因而對于廣泛地推廣應用太陽(yáng)能造成了一定影響。本文結合太陽(yáng)能應用在部隊營(yíng)房工程設計方面的實(shí)踐，談一些體會(huì )，供同行們參考。
1部隊營(yíng)房建筑太陽(yáng)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(yáng)熱水器的采光面積就已超過(guò)兩萬(wàn)多m2，約占當時(shí)全國使用面積的五分之一。尤其在云南、廣西、西藏、新疆等日照條件較好的地區，太陽(yáng)熱水的利用很受部隊的歡迎。如當時(shí)川藏運輸線(xiàn)上有2個(gè)兵站，利用自然循環(huán)熱虹吸直流熱水系統建立了太陽(yáng)能浴室，基本解決了過(guò)往運輸部隊的洗浴問(wèn)題。西藏駐軍某醫院也利用這種系統為醫院手術(shù)室和病房提供熱水，效果甚好。駐守云南、廣西等地的邊防部隊，其洗浴熱水也都主要依靠太陽(yáng)能系統解決。太陽(yáng)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(wèn)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(yáng)能的天數超過(guò)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(lái)輔助補充熱量，解決太陽(yáng)能系統供熱間斷和不穩定問(wèn)題。小型工程�？捎秒娸o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(lái)安裝一臺燃油爐供應生活熱水，每天定時(shí)供應一次洗浴熱水，每月的耗油量約500多kg，后在屋頂加裝了太陽(yáng)熱水器系統，共安裝了72m2平板式集熱板和1臺不銹鋼蓄熱水箱，原有燃油爐改用作屋頂太陽(yáng)能系統的輔助加熱設備，在蓄熱水箱內設溫度探頭，由設定的溫度上下限自動(dòng)控制燃油爐的啟停，當水箱熱水溫度低于設計溫度（陰雨天），燃油爐自動(dòng)啟動(dòng)循環(huán)加熱，當蓄水箱水溫到達設計溫度，燃油爐自動(dòng)停止加熱。太陽(yáng)系統投入使用以后，燃油爐平均月耗油量下降到50kg以下。且供應熱水的時(shí)間也大大延長(cháng)。
據我們近期到云南等地邊防部隊實(shí)地考察，到目前為止，部隊所用的太陽(yáng)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，但由于基層部隊對所用太陽(yáng)能設備都比較愛(ài)護，管理和維護都很認真及時(shí)，所以，部隊所用的平板型管板式太陽(yáng)能集熱設備均比較完好，在陰雨天，輔助以電加熱，基本可以解決部隊的洗浴熱水問(wèn)題。以后新建的太陽(yáng)熱水系統以及原有系統的更新?lián)Q代，當然以采用真空玻璃管集熱器為好。但這與工程造價(jià)及當地設備廠(chǎng)家的設備水平有關(guān)，因為真空玻璃管屬易碎品，長(cháng)距離運輸不易。
2北方地區太陽(yáng)能系統的防凍問(wèn)題
在北方地區，部隊營(yíng)房建筑安裝利用太陽(yáng)能解決洗浴熱水的工程項目也不少，但因冬季氣溫低，設在屋頂的太陽(yáng)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(lái)年春天啟用太陽(yáng)能系統之前，還需對整個(gè)系統進(jìn)行試水和維修，因經(jīng)過(guò)一個(gè)嚴冬的的氣溫變化，空置一冬的太陽(yáng)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(yáng)能管道系統冬季的防凍問(wèn)題，在設計和使用方面都想了許多措施。對于真空玻璃管太陽(yáng)集熱器系統，目前了解主要有三類(lèi)措施：一是加保溫層；二是采用電伴熱帶；三是在冬季把系統排空。在我國某高寒地區太陽(yáng)熱水工程中，晝夜溫差大，系統采用了保溫層加電熱自動(dòng)保溫的措施，可使系統在-30℃的環(huán)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，當管中水溫低于5℃時(shí)自動(dòng)通電加熱，高于5℃自動(dòng)斷電。但是，即使上述系統也并不能絕對保證系統的安全，比如正在嚴冬季節遇到臨時(shí)停電、或電伴熱設施故障等情況，系統仍有可能凍壞。同時(shí)，冬季系統按最不利溫度計算，會(huì )使費用增加很多，影響系統經(jīng)濟性。由于悶曬式和平板式熱水器自身防凍性能很差，根本無(wú)法在寒冷環(huán)境中使用，因此對其管道系統進(jìn)行防凍是沒(méi)有意義的。綜上所述，就目前的技術(shù)條件，在多數情況下，在北方嚴寒地區，太陽(yáng)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(yáng)能系統冬季的防凍和正常使用問(wèn)題，仍是建筑設計人員與太陽(yáng)能應用廠(chǎng)家的一個(gè)有待繼續研究和探討的課題。
3高層住宅太陽(yáng)熱水器的安裝問(wèn)題
目前在城市，因建筑用地越來(lái)越緊張，因而高層住宅越來(lái)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(yáng)能來(lái)解決洗浴熱水問(wèn)題。但對于高層塔樓來(lái)說(shuō)，因屋面的面積限制，基本不可能擺下足夠的集熱器。對于高層板樓來(lái)說(shuō)，屋面面積除去屋頂水箱間、電梯機房、出屋面的廚房通氣孔、排水通氣管等占用的地方之外，所剩的太陽(yáng)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(hù)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(yáng)能熱水的利用受到一定的限制。近年來(lái)，隨著(zhù)建材工業(yè)的發(fā)展，采暖和生活冷熱水管道很多已走在住宅建筑的墊層里。由此，有希望將太陽(yáng)集熱器安裝在各家自己的南陽(yáng)臺上面或陽(yáng)臺外攔板上，其與室內衛生間之間相連接一去一回的管道則可設在自家房間的'墊層中，如同分戶(hù)采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(méi)有什么問(wèn)題。就是廠(chǎng)家需要和建筑師配合，解決好建筑立面的處理，使得太陽(yáng)熱水器與建筑南立面很好的配合，如能成為建筑南立面的裝飾，增加建筑南立面的美感，則可為高層住宅太陽(yáng)集熱器的安裝應用開(kāi)辟一種新的方式。
4利用太陽(yáng)能和夜間低谷電能相結合解決生活熱水問(wèn)題
近年來(lái)，我院在工程設計中，采用了利用太陽(yáng)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(yáng)能熱水利用工程設計中。它的作法是，優(yōu)先利用太陽(yáng)能，由屋頂的太陽(yáng)熱水器將水預熱，作為電熱鍋爐的給水來(lái)源。系統采用溫差循環(huán)，根據預先設定的太陽(yáng)集熱器出口水溫的上下限自動(dòng)啟停太陽(yáng)上水泵，（集熱器和熱水儲水罐之間的循環(huán)泵）。當陽(yáng)光和溫度適宜，集熱器出口溫度達到某一設定值時(shí)，太陽(yáng)上水泵運轉，使被加熱水在連接儲水罐和集熱器的管道系統中不斷循環(huán)將水加熱；而當溫度低于某一設定值時(shí)，上水泵停止運行，同時(shí)系統通過(guò)雙向單流閥自動(dòng)排空（排空的水仍可進(jìn)入熱水儲水罐）。從而解決系統及管路的防凍問(wèn)題，并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，并單獨分時(shí)計量。因現在很多城市都實(shí)行了夜間低谷廉價(jià)的用電政策，在22時(shí)到6時(shí)之間的電價(jià)是白天正常電價(jià)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并做好保溫，從而解決陰雨天和冬季太陽(yáng)能系統產(chǎn)水少，熱水供應不足的問(wèn)題。當儲水罐中水溫低于設定溫度時(shí)，電熱鍋爐自動(dòng)啟動(dòng)加熱。系統所有過(guò)程全部自動(dòng)控制，平常不需人員值守，只需定期對系統進(jìn)行檢查維護保養即可。在北方的這種屋面太陽(yáng)能、熱水儲水罐、電熱鍋爐綜合的太陽(yáng)能利用系統，不但需要各設備廠(chǎng)家的配合，還需要在建筑設計時(shí)就進(jìn)行建筑方面的配合，預留屋頂的儲熱水罐間、電熱鍋爐間及便于單獨分時(shí)計量的供電電源和電表等。對于熱水供應可靠程度要求較高的建筑，采用這種電熱輔助的太陽(yáng)能系統是適宜的。
5進(jìn)一步推廣太陽(yáng)能熱水利用的建議
建議把太陽(yáng)能推廣應用的要求列入有關(guān)建筑設計規范和建筑給排水設計規范的推薦條文中，首先從規范上提出要求，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(yáng)能的利用問(wèn)題。解決當前太陽(yáng)能的推廣利用與建筑設計結合不緊密的問(wèn)題。不少單位都是工程建成后才請一些太陽(yáng)能專(zhuān)業(yè)廠(chǎng)家在屋面后加太陽(yáng)能系統。這樣不但對太陽(yáng)能系統造成許多先天不足，而且對建筑結構、屋面防水、建筑景觀(guān)等也影響較大。
此外，作者呼吁并鼓勵各太陽(yáng)能熱利用設備廠(chǎng)家與建筑設計人員加強溝通和聯(lián)系，相互結合，對于解決如屋面太陽(yáng)能系統的冬季防凍、太陽(yáng)集熱器與建筑立面的結合與美化、太陽(yáng)能與建筑相結合如何更方便檢修、維護、管理等問(wèn)題，找出更好的解決辦法。
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