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摘要：太阳能热水系统是一项具有巨大节能潜力、成熟技术和政府大力支持的可再生能源技术。然而，通过大量的实际工程调查，发现太阳能热水系统在城市居住建筑中的应用存在许多问题。其中，仅以太阳能保证率作为太阳能热水系统的评价指标，不能反映太阳能热水系统的实际能耗，将导致太阳能热水系统不能达到预期的节能效果。基于此，本文主要对太阳能生活热水系统储热水箱和辅助热源设计进行分析探讨。
关键词：太阳能；生活热水系统；储热水箱；辅助热源设计
1、工程介绍
本工程为繁华地段上的一栋11层住宅，地上11层，地下一层为自行车库和设备用房，地上部分建筑高度为32m，地下部分建筑高度为3.60m，地上部分总建筑面积9355.61m2，地下部分建筑面积846.65m2，属于二类高层住宅，耐火等级为二级。考虑利用建筑屋面设集中太阳能热水系统，供应1～11层淋浴使用，辅助热源采用电能。
2、储热水箱
2.1容积确定
储热容积是为了储存集热器生产制备的热水。太阳能集热是按日用水量（平均日用水量）设计的，储热容积理论上应根据设计条件下24小时太阳能集热和系统用水的变化规律确定。太阳能集热的规律是白天集热，晚上不集热，系统用水的变化规律和建筑的使用性质有关。
对于住宅、酒店、宿舍等居住类建筑，热水主要在晚间使用，太阳能白天的集热量需要储存起来以备晚间使用，储热水箱容积按集热器一天的热水产量计算为宜。
对于办公、展馆类建筑，热水是在白天使用，和太阳能集热器的工作时间吻合，储热水箱容积可以减小，如可储存半日的产水量。对于商店、体育类建筑，热水在白天和晚上都同样使用，储热水箱容积可介于住宅和办公类建筑之间。
集热面积的日产水量B1和产品的性能密切相关，需要详细了解产品。当条件不具备时，可按目前常用的经验值选取。单水箱系统中，当辅助热源按设计秒流量耗热功率配置时，则供热（水）调节容积为0，储热水箱的容积即为储热容积；当辅助热源按最大小时耗热功率配置时，则储热水箱由储热容积和供热（水）调节容积两部分构成，水箱总容积应为储热容积和供热（水）调节容积之和。
需要指出的是，《民用建筑太阳能热水系统应用技术规范》把集热系统的储热容积按供热水系统的供热（水）调节容积确定，是不合适的。
2.2加热运行控制
强制循环加热系统储热水箱中的水加热一般采用温差控制。在储热水箱的底部和屋面集热器的出水口分别设置温度控制器，前者温度低，后者温度高。在水箱内水温小于设计终止温度条件下，当二者的温差大于某一数值时，循环泵开启，将集热系统的热量传递到水箱；当二者温差小于设定值时，循环泵停止工作。如此往复循环，直至达到终止设计温度。温差取值见表1。
另外，如果水箱中的水温超过了终止设计温度，说明水箱出现了过热现象，循环泵应被强制停止工作，不再受温差控制。
3、辅助热源
3.1辅助热源的必要性
辅助热源在太阳能热水系统中必不可少，其作用主要是：
（1）在太阳能集热系统不产热或达不到设计产热水量时辅助生产热水。
（2）在太阳能集热器按设计能力产热水条件下，系统的用热量仍有可能超过集热器产热水量，因为太阳能的热水制备能力是按平均日用热功率而不是按最大小时用热功率设计的，所以需要辅助生产热水。
（3）在太阳能集热器按设计能力生产热水，并且系统的热水用量等于设计水量的条件下，仍需要辅助加热，因为太阳能集热面积按热水负荷的40%～80%（保证率）配置，小于100%。总之，辅助热源是为了在太阳能产热水能力供不应求时辅助加热。
3.2辅助热源的供热量
对于辅助加热系统，应保证太阳能完全不工作条件下的用水需求，因此，供热量的设计应与常规热水加热系统相同。根据系统供热（水）调节容积的设置情况，辅助热源的设计供热量应满足下列要求：
（1）在设置供热（水）调节容积的条件下，按最高日最大时耗热功率配置辅助热源，且供热（水）调节容积应满足常规热源热水系统的规定。
（2）当不设置供热（水）调节容积时，按瞬时高峰用水设计秒流量耗热功率配置辅助热源。
3.3辅助热源加热器的运行控制设计
3.3.1运行控制方法
太阳能系统运行中所产热水量是否供不应求、需要辅助加热，可通过储热水箱上端面附近的水温进行判别。当水温不低于系统的设计供水温度（如60℃），说明产热水量足够，无需辅助加热；当低于该温度，说明产热水量供不应求，需要辅助加热。根据上述判别方法，可以对辅助热源加热器的自动控制运行方式进行设置。自动控制方式如下：在太阳能储热水箱的上端面处设置温控计，并设定供水温度。当感应温度低于供水温度，开启辅助热源；当感应温度高于供水温度，关闭辅助热源。允许温度波动范围可采用常规系统的取值。这样，就完全避免了工程中常见的太阳能系统产热水量足够时，辅助热源对储热水箱中的水进行加热的现象，使太阳能集热真正发挥作用。
3.3.2控制温度
设计供水温度的取值应满足如下要求：
（1）防烫伤要求，即供水温度不可太高。《建筑给水排水设计规范》（GB50015—2003）已经规定了限定值，见表2。
（2）水质卫生要求。近年来，生活热水系统中的军团菌已越来越引起关注，水温在60℃左右或以上，军团菌会被很快杀灭；水温低于50℃，军团菌很难被杀灭。
综合考虑防烫伤和水质卫生两方面的要求，供水水温宜按表2中的值控制，不应再低。
3.3.3辅助热源运行的常见问题
有些工程感温点的设置位置偏离储热水箱的上端面，这会产生下列弊端：
（1）当感温点设在储热水箱顶端面的下方时，由于越往下水温越低，会造成辅助热源过早投入工作，致使储热区内的水温加快上升并达标，减少太阳能集热器的工作时间，降低太阳能利用率和节能效率。
（2）感温点设在供热（水）调节容积的上部。这会导致辅助热源不能在太阳能储热水箱的出水温度达不到设计温度时立刻启动，使储热水箱内存有过多的低温水，影响高峰用水时的出水温度，以至达不到设计水温。
3.4辅助热源加热器的布置
辅助热源加热器是用于保障供水温度的，只是在太阳能制热温度不足时投入运转，在太阳能热功率够用时不应运转。因此，加热器的设置位置应在太阳能制热区的末端，即储热水箱的上端面处，并且处于供热（水）调节区的前端，即供热（水）调节容积的底部或下部（当设有供热（水）调节容积时）。工程中有些单水箱系统把辅助加热器放在供热（水）调节容积的上部，这是错误的，其道理同常规热源容积式系统不可把加热器放置在容器的顶端一样。这样设置的后果是造成热水储量不足，高峰用水时水温不够。
4、结论
（1）储热水箱容积的取值应考虑建筑的用水特性。主要晚上用水的居住类建筑，水箱容积应取集热器全天的产热水量；主要白天用水的公共建筑，水箱容积可取小于全天产热水量。
（2）太阳能热水系统必须设置辅助热源，其供热量根据供热（水）调节容积确定，容积为0时，按设计秒流量供热；容积按常规系统的容积式加热器设置时，按最大小时流量供热。
（3）辅助热源应根据储热水箱上端面附近的水温控制启停，温度值宜取60℃左右。水温低于设定值时，开启辅助热源，水温高于设定值时，关闭该热源。
（4）辅助热源加热器应放在供热（水）调节容积的底部，当供热（水）调节容积为0时，应放在储热水箱的上部。
参考文献：
[1]陈希琳，郝斌，彭琛，等.住宅太阳能生活热水系统测试与调查研究[J].建筑科学，2015，31（10）：154-161.
[2]于瑞.住宅太阳能生活热水系统现状及适宜性研究[D].北京：北京建筑大学，2015.