北京雁西湖国际会展中心太阳能热水系统案例分析

提要：本太阳能热水工程位于北京市怀柔区雁栖湖生态示范区内，在南环路与范岐路交口东南地块。总用地面积10.8公顷，建筑面积79000m2(其中含地下建筑面积35000m2)。建筑特征：地上5层，地下2层，建筑高度32m，为钢筋混凝土框架结构。

　　1 项目概况　

　　本工程热水采用太阳能加热系统每天为厨房、卫生间等提供55℃生活热水，容积式换热器总储水量为36m3，太阳能保证率为50%。散热器散热量为100KW/台，共两台。

　　本系统集热元件选用桑普水平热管真空管集热器，共安装138组，集热器总面积为593m2，可水平安装，安装整齐美观，与建筑浑然一体，能满足建筑一体化设计。

　　本系统为集中集热、集中供热间接换热系统，辅助能源为锅炉，当地源热泵有额外热量时自动为太阳能系统提供辅助加热。系统优先采用太阳能，终端根据使用情况按需进行补热，以最大程度地使用太阳能，减少辅助热源的使用，实现节能最大化。

　　2 系统设计

　　2.1 设计原则

　　本太阳能系统采用智能化、自动化控制，在安装调试投用后无需要专人值守操作，就能够保证太阳能水箱中生产出达到使用要求的热水，从而满足用户对热能的需求。在阴雨天太阳能不能满足要求时，可自动开启辅助热源，使水箱内热水温度达到用户的使用要求，实现24小时全天候供应热水。与建筑一体化设计。

　　2.2 与建筑结合措施

　　本项目水平热管真空管太阳能集热器集中安装在六层屋面K-1~R-1轴，CI-0d~CI-2轴区域内；太阳能热水机房设在地下二层。

　　根据本项目具体情况，集热元件采用国际先进的水平式热管真空管太阳能集热器，该集热器可实现水平安装，不需考虑集热器前后排遮挡问题，因此，在同等占地面积下，可布置的集热器组数最多，可以最大限度地利用太阳能。

　　深化设计集热器支架，使其与集热器基础牢固焊接，且使集热器阵列组形成一个平面，以N-1轴为中心线对称布置。这样，即可保证集热器阳光照射，满足太阳能采光要求，又可以不破坏建筑整体效果，使其具有良好的展示效果。水平热管集热器外形美观，可以很好的与建筑结合，真正满足“建筑一体化”的概念。

　　2.3 系统组成及运行原理

　　本太阳能系统的主要设备包括：“桑普”水平热管真空管太阳能集热器阵列、集热容积式换热器、低区容积式换热器、高区容积式换热器、太阳能集热循环泵、低区热水循环泵、高区热水循环泵、补液泵、太阳能高温散热器、膨胀罐等。

　　主要配件有：在集热器处安装太阳能辐照仪，在热水供水总管道安装流量计。

　　主要阀门有：散热电动三通阀M1、泄压电动阀M2。

　　传感器有：太阳能循环热供处设温度传感器T1，在集热容积式换热器处设温度传感器T2，在低区容积式换热器处设温度传感器T3，在高区容积式换热器处设温度传感器T4，在低区热水回水总管设温度传感器T5，在高区热水回水总管设温度传感器T6。在补液箱内设压力传感器H。

　图1北京雁西湖国际会展中心太阳能热水系统原理图

　　太阳能集热系统以防冻液为传热介质，集热循环控制采用闭式-温差强制循环控制，主要控制原理如下：

　　(1)温差循环：

　　温度传感器将集热器出口温度T1、集热容积式换热器温度T2传递给控制器。当T1-T2>启动设定值时，控制器发出控制信号，启动太阳能循环泵，系统开始循环，不断地将集热器产生的热量换到集热容积式换热器中。这是一个反复循环的过程，随着集热容积式换热器内热水温度不断提高，T1与T2之间温差越来越小，直至T1-T2<关闭设定值时，控制器发出控制信号，关闭太阳能循环水泵。本系统温差循环启动设定值默认为6℃，可调范围为5~10℃，通过定时上水键来调节；温差循环关闭设定值默认为2℃，可调范围1~5℃，通过设置键来调节。

　　太阳能集热泵一用一备，可自动手动切换。

　　(2)自动补液： 

　　太阳能集热系统采用防冻液做换热介质，采用补液泵自动补液。系统可自动判断集热管道压力，当管道压力小于0.2MPa时，补液泵自动启动，当管道压力大于等于0.3MPa时关闭补液泵。

　　(3)自动泄压：

　　当集热管道压力大于等于0.35MPa，泄压电磁阀M2开启，将太阳能循环管道防冻液泄回补液箱；当管道压力小于等于0.25MPa时关闭电磁阀。集热管道设安全阀，当管道压力超过0.4MPa时，安全阀自动开启，将管道内防冻液泄回补液箱。(集热管道设膨胀罐，满足管道压力稳定)

　　(4)辅助加热：

　　辅助加热采用地源热泵及锅炉热媒辅助加热，地源热泵由其自动控制，太阳能仅需提供锅炉相关开关信号。当低区容积式换热器中的温度T3低于设定温度50度(可调)时，开启锅炉自动补热；当高区容积式换热器中的温度T4低于设定温度50度(可调)时，开启锅炉自动补热；当T3、T4均高于设定温度60度(可调)时关闭锅炉。

　　若长时间内不用热水，可在太阳能控制柜手动将辅助加热启动温度提高(可调为80℃)，也可手动关闭辅助加热功能，或在锅炉房及热泵机房人工手动关闭锅炉和热泵辅助加热功能。

　　(5)热水供水：

　　承压运行，稳压供水泵提供稳定的热水压力。在热水回水管道上设高区循环泵及低区循环泵，变频控制，两个水泵一用一备。

　　(6)系统防冻

　　太阳能集热系统采用防冻液的形式防冻；集热器侧安装自动排气阀。

　　(7)防过热：

　　太阳能集热器及容积式换热器温度控制防过热，当集热容积式换热器的温度T2≥80℃时(可设定)，开启集热循环泵、电动三通阀M1及屋顶散热器；当集热容积式换热器的温度T2≤70℃时(可设定)，关闭集热循环泵、电动三通阀M1及屋顶散热器，系统恢复温差循环模式。

　　(8)即开即热：

　　当低区热水回水管道温度T5≤50℃时(可设置)启动低区热水循环泵，将管道内低温热水顶回容积式换热器，同时将换热器内的热水顶进管道，满足用户一开水龙头就有热水;当低区回水管道温度T5≥55℃时(可设置)关闭低区循环泵。

　　同理，当高区热水回水管道温度T6≤50℃时(可设置)启动高区热水循环泵，将管道内低温热水顶回容积式换热器，同时将换热器内的热水顶进管道，满足用户一开水龙头就有热水;当高区回水管道温度T6≥55℃时(可设置)关闭高区循环泵。

　　(可根据需要设置每天三个用水时间段，在时间段内启动此功能，非时间段内不启动，以满足节能)

　　(9)报警：

　　高温报警：当低区容积式换热器内温度T3≥80℃时(可设定)低区高温报警，同时停止低区热水循环泵；当低区容积式换热器内温度T3≤70℃时(可设定)低区高温报警解除(可手动解除)，同时恢复低区热水循环泵。

　　同理，当高区容积式换热器内温度T4≥80℃时(可设定)高区高温报警，同时停止高区热水循环泵；当高区容积式换热器内温度T4≤70℃时(可设定)高区高温报警解除(可手动解除)，同时恢复高区热水循环泵。

　　低温报警：当低区容积式换热器内温度T3≤30℃时(可设定)低区低温报警，同时停止低区热水循环泵；当低区容积式换热器内温度T3≥40℃时(可设定)低区低温报警解除(可手动解除)，同时恢复低区热水循环泵。

　　同理，当高区容积式换热器内温度T4≤30℃时(可设定)高区低温报警，同时停止高区热水循环泵；当高区容积式换热器内温度T4≥40℃时(可设定)高区低温报警解除(可手动解除)，同时恢复高区热水循环泵。

　　补液箱设压力传感器，当达到保护水位时补液箱低水位报警，达到设定水位后恢复。(可手动解除)

　　(10)显示：

　　太阳能控制系统为PLC系统，可提供485接口，modbus协议。具有太阳能集热器温度T1显示，容积式换热器水温T2、T3、T4显示，回水温度T5、T6显示，太阳能辐照量显示，供水流量显示，每天理论可提供热水量显示等。并向能源站传输提供相应数据信息。

　　(11)应急供水：

　　集热容积式换热器均设旁通，当集热容积式换热器故障时关闭换热器进出水阀门，开旁通，自来水经锅炉及热泵二次加热至用水温度供向用水端。

　　当高区容积式换热器故障时，开阀门①②③，关闭阀门④⑤⑥⑦⑧,利用低区其中一个容积式换热器作为高区备用罐向高区供水，另一个低区容积式换热器仍向低区供水。

　　2.3 集热元件选型

　　考虑到建筑特点和与建筑一体化设计的要求，该系统选用选用桑普水平热管式真空管集热器作为集热元件。

　　热管式真空管太阳能集热器是北京市太阳能研究所于1994年在国内首先研制成功的，它是金属吸热体真空管中的一种，具有一般全玻璃真空管所不及的诸多优点：耐冰冻(真空管内无水)、抗冰雹(采用高强度的硼硅玻璃)、保温性能好(热管具有“热二极管效应”)、承压能力强(采用金属吸热体)、耐热冲击性能好(采用金属吸热体)、运行安全可靠(真空管与连集管之间采用“干性连接”)等，在国内外市场已得到广泛的应用。

　　热管式真空集热管中采用的是重力热管。在较冷的热管冷凝段内表面上凝结后的液体工质，依靠其自身的重力流回到热管蒸发段，这也就是说，蒸发段应置于冷凝段的下方。正由于这个原因，在安装普通热管式真空集热管时，要求热管式真空集热管与水平面保持一定的倾角(通常在15°以上)，从而成为普通热管式真空管集热器在使用中的一种局限，而水平热管式真空集热管正好克服了重力热管的这种局限性[3]。

　　这种水平热管式真空管太阳能集热器除具体传统的重力式热管集热器的优点外，还有其独特的优点：

　　1)与建筑一体化设计安装适应性强 ，不会突兀于建筑之上，影响美观；

　　2)可以水平安装，节省空间，可有效增加屋顶面积利用率，尽最大可能提高太阳能保证率；

　　3)安装简单、安全，抗风能力强；

　　4)安装成本低廉，不需要三角架等辅助材料和安装费用；

　　5)运行可靠，维护简单，便于维护 ；

　　6)更适合安装在低纬度地区，比如海南，避免有角度安装的集热器夏天可以使用，到了冬天太阳能照射在另一面而不能使用的情况；

　　7)集热管内吸热板可根据当地纬度调整到合适的角度，这样既能达到与建筑的完美结合，又不降低系统的能效。

　　水平热管式真空管的外形尺寸为ф100×2000mm，它主要由热管、吸热板、玻璃管、金属端盖和消气剂等部件组成，其结构如图1所示。

　　图2 水平热管式真空管结构示意图

　　水平热管真空管集热器结构和普通的热管真空管集热器类似，由真空管、集管和保温盒等部件组成，如图3所示。

　　图3 水平热管真空管集热器结构示意图

　　经国家太阳能热水器质量监督检验中心(北京)检测，水平热管式真空管集热器的热性能和瞬时效率曲线都高出国家标准要求，瞬时效率方程(基于集热器采光面积、工质进口温度)为：

　　式中，ηa 为集热器瞬时效率，无因次；ti 为工质进口温度，℃；ta 为环境温度，℃；G 为采光面上总太阳辐照度，W/m2。

　　根据屋面的具体情况，系统设计安装桑普水平热管真空管集热器138组，集热器总面积为593m2，安装在六层屋面K-1~R-1轴，CI-0d~CI-2轴区域内，以N-1轴为中心线对称布置。

　　图4北京雁西湖国际展览中心太阳能集热器阵列

　　3 系统运行结果及安装实景图

　　本太阳能热水系统项目已于2015年2月份竣工验收，已投入运行使用1年时间，运行情况良好。

　　　　图5 北京雁西湖国际会展中心太阳能系统机房实景

　　4 结语

　　作为太阳能热水系统应用于工程实际的倡导者和推广者，北京市太阳能研究所集团有限公司已在全国各地的工程项目中积累了丰富的设计与施工经验，技术水平在全国太阳能企业中处于领先地位。北京雁西湖国际会展中心工程为在全国推动绿色建筑的建立，提供了较为坚实的技术基础。

　　在高楼耸立，安装空间有限，且与建筑结合要求日益完美的情况下，新型水平热管式集热器独特的优点在工程应用中具有很大的优势，市场前景广阔！

 延伸阅读