太陽熱水器設(shè)計(jì)分析的論文
摘要：本文根據(jù)建筑工程設(shè)計(jì)中太陽熱水器應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)踐和體會，論述了太陽熱水器應(yīng)用在工程設(shè)計(jì)方面的現(xiàn)狀及存在的一些問題，總結(jié)了部隊(duì)營區(qū)多年使用平板式太陽熱水器防凍問題，提出了一些有關(guān)在高層建筑中推廣太陽熱水器與建筑設(shè)計(jì)相結(jié)合的建議。
關(guān)鍵詞：太陽能熱水應(yīng)用建筑給排水設(shè)計(jì)推廣應(yīng)用
0引言
隨著能源消費(fèi)量的不斷增長和人們對環(huán)境質(zhì)量要求的不斷提高，各種新能源已經(jīng)越來越受到人們的重視。
新能源中的太陽能雖然不需要開采和運(yùn)輸，隨處可得，清潔安全。但是，由于陽光照射到地面的熱量受季節(jié)、晝夜及天氣陰晴云雨的影響，間斷而不穩(wěn)定；加上太陽熱水系統(tǒng)的日常運(yùn)行及換季節(jié)維護(hù)方面也存在一些問題，因而對于廣泛地推廣應(yīng)用太陽能造成了一定影響。本文結(jié)合太陽能應(yīng)用在部隊(duì)營房工程設(shè)計(jì)方面的實(shí)踐，談一些體會，供同行們參考。
1部隊(duì)營房建筑太陽能熱水利用的情況
據(jù)20多年前的統(tǒng)計(jì)，1981年底全軍已在使用的太陽熱水器的采光面積就已超過兩萬多m2，約占當(dāng)時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(qū)，太陽熱水的利用很受部隊(duì)的歡迎。如當(dāng)時川藏運(yùn)輸線上有2個兵站，利用自然循環(huán)熱虹吸直流熱水系統(tǒng)建立了太陽能浴室，基本解決了過往運(yùn)輸部隊(duì)的洗浴問題。西藏駐軍某醫(yī)院也利用這種系統(tǒng)為醫(yī)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(duì)，其洗浴熱水也都主要依靠太陽能系統(tǒng)解決。太陽能熱水的利用，不但節(jié)約了大量常規(guī)能源，更重要的是解決了能源運(yùn)輸較困難、缺煤少電的邊防海島部隊(duì)的洗浴熱水問題。
華南地區(qū)冬季不結(jié)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(shù)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(bǔ)充熱量，解決太陽能系統(tǒng)供熱間斷和不穩(wěn)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(duì)招待所，共4層，33間客房，原來安裝一臺燃油爐供應(yīng)生活熱水，每天定時供應(yīng)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熱水器系統(tǒng)，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能系統(tǒng)的輔助加熱設(shè)備，在蓄熱水箱內(nèi)設(shè)溫度探頭，由設(shè)定的溫度上下限自動控制燃油爐的啟停，當(dāng)水箱熱水溫度低于設(shè)計(jì)溫度（陰雨天），燃油爐自動啟動循環(huán)加熱，當(dāng)蓄水箱水溫到達(dá)設(shè)計(jì)溫度，燃油爐自動停止加熱。太陽系統(tǒng)投入使用以后，燃油爐平均月耗油量下降到50kg以下。且供應(yīng)熱水的時間也大大延長。
據(jù)我們近期到云南等地邊防部隊(duì)實(shí)地考察，到目前為止，部隊(duì)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，但由于基層部隊(duì)對所用太陽能設(shè)備都比較愛護(hù)，管理和維護(hù)都很認(rèn)真及時，所以，部隊(duì)所用的平板型管板式太陽能集熱設(shè)備均比較完好，在陰雨天，輔助以電加熱，基本可以解決部隊(duì)的洗浴熱水問題。以后新建的太陽熱水系統(tǒng)以及原有系統(tǒng)的更新?lián)Q代，當(dāng)然以采用真空玻璃管集熱器為好。但這與工程造價及當(dāng)?shù)卦O(shè)備廠家的設(shè)備水平有關(guān)，因?yàn)檎婵詹ＡЧ軐僖姿槠罚L距離運(yùn)輸不易。
2北方地區(qū)太陽能系統(tǒng)的防凍問題
在北方地區(qū)，部隊(duì)營房建筑安裝利用太陽能解決洗浴熱水的工程項(xiàng)目也不少，但因冬季氣溫低，設(shè)在屋頂?shù)奶柤療崞骱凸艿老到y(tǒng)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(tǒng)之前，還需對整個系統(tǒng)進(jìn)行試水和維修，因經(jīng)過一個嚴(yán)冬的的氣溫變化，空置一冬的太陽能管道系統(tǒng)難免有許多地方出現(xiàn)滲漏現(xiàn)象。
為解決屋面太陽能管道系統(tǒng)冬季的防凍問題，在設(shè)計(jì)和使用方面都想了許多措施。對于真空玻璃管太陽集熱器系統(tǒng)，目前了解主要有三類措施：一是加保溫層；二是采用電伴熱帶；三是在冬季把系統(tǒng)排空。在我國某高寒地區(qū)太陽熱水工程中，晝夜溫差大，系統(tǒng)采用了保溫層加電熱自動保溫的措施，可使系統(tǒng)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(shè)6cm厚保溫層，當(dāng)管中水溫低于5℃時自動通電加熱，高于5℃自動斷電。但是，即使上述系統(tǒng)也并不能絕對保證系統(tǒng)的安全，比如正在嚴(yán)冬季節(jié)遇到臨時停電、或電伴熱設(shè)施故障等情況，系統(tǒng)仍有可能凍壞。同時，冬季系統(tǒng)按最不利溫度計(jì)算，會使費(fèi)用增加很多，影響系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性。由于悶曬式和平板式熱水器自身防凍性能很差，根本無法在寒冷環(huán)境中使用，因此對其管道系統(tǒng)進(jìn)行防凍是沒有意義的。綜上所述，就目前的技術(shù)條件，在多數(shù)情況下，在北方嚴(yán)寒地區(qū)，太陽系統(tǒng)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(qū)太陽能系統(tǒng)冬季的防凍和正常使用問題，仍是建筑設(shè)計(jì)人員與太陽能應(yīng)用廠家的一個有待繼續(xù)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，因建筑用地越來越緊張，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。但對于高層塔樓來說，因屋面的面積限制，基本不可能擺下足夠的集熱器。對于高層板樓來說，屋面面積除去屋頂水箱間、電梯機(jī)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(tǒng)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(wèi)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(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(nèi)衛(wèi)生間之間相連接一去一回的管道則可設(shè)在自家房間的'墊層中，如同分戶采暖的暖氣管一樣埋設(shè)在墊層中，可在地面預(yù)留管槽。這種作法理論上分析沒有什么問題。就是廠家需要和建筑師配合，解決好建筑立面的處理，使得太陽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集熱器的安裝應(yīng)用開辟一種新的方式。
4利用太陽能和夜間低谷電能相結(jié)合解決生活熱水問題
近年來，我院在工程設(shè)計(jì)中，采用了利用太陽能和夜間低谷電能輔助相結(jié)合解決洗浴熱水供應(yīng)的設(shè)計(jì)。這種作法從理論上分析，似乎也可推而廣之應(yīng)用到住宅樓的太陽能熱水利用工程設(shè)計(jì)中。它的作法是，優(yōu)先利用太陽能，由屋頂?shù)奶枱崴鲗⑺A(yù)熱，作為電熱鍋爐的給水來源。系統(tǒng)采用溫差循環(huán)，根據(jù)預(yù)先設(shè)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循環(huán)泵）。當(dāng)陽光和溫度適宜，集熱器出口溫度達(dá)到某一設(shè)定值時，太陽上水泵運(yùn)轉(zhuǎn)，使被加熱水在連接儲水罐和集熱器的管道系統(tǒng)中不斷循環(huán)將水加熱；而當(dāng)溫度低于某一設(shè)定值時，上水泵停止運(yùn)行，同時系統(tǒng)通過雙向單流閥自動排空（排空的水仍可進(jìn)入熱水儲水罐）。從而解決系統(tǒng)及管路的防凍問題，并具有一定的防垢功能。系統(tǒng)以電熱鍋爐為輔助，對此電熱鍋爐單設(shè)一路供電，并單獨(dú)分時計(jì)量。因現(xiàn)在很多城市都實(shí)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(nèi)的熱水并做好保溫，從而解決陰雨天和冬季太陽能系統(tǒng)產(chǎn)水少，熱水供應(yīng)不足的問題。當(dāng)儲水罐中水溫低于設(shè)定溫度時，電熱鍋爐自動啟動加熱。系統(tǒng)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(tǒng)進(jìn)行檢查維護(hù)保養(yǎng)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(tǒng)，不但需要各設(shè)備廠家的配合，還需要在建筑設(shè)計(jì)時就進(jìn)行建筑方面的配合，預(yù)留屋頂?shù)膬崴揲g、電熱鍋爐間及便于單獨(dú)分時計(jì)量的供電電源和電表等。對于熱水供應(yīng)可靠程度要求較高的建筑，采用這種電熱輔助的太陽能系統(tǒng)是適宜的。
5進(jìn)一步推廣太陽能熱水利用的建議
建議把太陽能推廣應(yīng)用的要求列入有關(guān)建筑設(shè)計(jì)規(guī)范和建筑給排水設(shè)計(jì)規(guī)范的推薦條文中，首先從規(guī)范上提出要求，從政策上加以引導(dǎo)和鼓勵，從工程設(shè)計(jì)的源頭上就考慮太陽能的利用問題。解決當(dāng)前太陽能的推廣利用與建筑設(shè)計(jì)結(jié)合不緊密的問題。不少單位都是工程建成后才請一些太陽能專業(yè)廠家在屋面后加太陽能系統(tǒng)。這樣不但對太陽能系統(tǒng)造成許多先天不足，而且對建筑結(jié)構(gòu)、屋面防水、建筑景觀等也影響較大。
此外，作者呼吁并鼓勵各太陽能熱利用設(shè)備廠家與建筑設(shè)計(jì)人員加強(qiáng)溝通和聯(lián)系，相互結(jié)合，對于解決如屋面太陽能系統(tǒng)的冬季防凍、太陽集熱器與建筑立面的結(jié)合與美化、太陽能與建筑相結(jié)合如何更方便檢修、維護(hù)、管理等問題，找出更好的解決辦法。
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