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[摘 要] 本文对某职工浴室平板太阳能热水系统进行简介，同时介绍该系统集热器的类型和热水系统的设计方法、控制原理。并结合该浴室热水系统与常规供热水系统的对比，对其在应用过程中减少能源浪费从而产生的节能效应进行分析，阐述了该热水系统产生经济效益和社会效益。
[关键词]一次能源；平板太阳能热水系统；厂区浴室热水系统；节能
中图分类号：TK513 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）06-0515-01
1 系统简介
该职工浴室一楼为男女洗浴室，屋顶水箱间原热水箱作为恒温水箱使用。为增大集热面积，前后两个阵列集热器采用阶梯式设计，与建筑完美结合。设计用水人数为500人/日，用水量为100L/人，设计供水温度55℃。在冬季和阴雨天采用蒸汽辅助加热。
2 热水系统太阳能集热器选择
2.1 各类型太阳能集热器对比
太阳能热水系统关键设备是集热器，目前太阳能集热器按吸热体和基本原理的不同，可分为平板式、真空管式等。
2.1.1 平板太阳能集热器特点：
（1）金属管板式结构，热效率高，产热水量大，可承压，耐空晒，水在铜管内加热，质量稳定可靠，免维护，寿命长。（2）平板集热器集中供热系统采用回流排空技术或双循环（采用防冻传热介质）换热技术，解决了系统的防冻结问题。（3）规格：2m×1m，晴天产55℃热水量：70-100Kg/平方米。（4）日平均热效率ηd≥55%。（5）安全可靠，可实现与建筑一体结合。
2.2.2真空管式集热器特点：
（1）规格：晴天产55℃热水量：60-100Kg/平方米。（2）日平均热效率ηd≥50%。（3）与建筑的结合受其性能限制。（4）不承压，无法抗冻。
2.2 职工浴室集热器使用类型
该厂职工浴室热水系统属集中供热，系统需承压，在寒冷天气下须正常运行。因此选择平板集热器，通过介质吸热，二次循环换热，实现24小时供热。
3 热水系统设计及控制原理
3.1 平板集热器面积设计计算[1][2]
通过每日洗浴人数、洗浴时段、洗浴方式或者淋浴喷头个数确定集热器面积，计算如下：
3.1.1设计日用热水量
系统最高日产热水量：Q水=m·qr=50000L/d
其中：Q水—最高日产热水量（L/d）；m —用水计算单位数（人）；qr—热水用水定额（L/人·d）。
3.1.2集热系统采光面积（即平板太阳能集热器面积）
（1）集热系统直接采光面积
AC = Q水×c×ρ× （te-tl）×f/[JT×η×（1-ηL）×1000]=684m2
其中：AC—直接系统集热器采光面積（㎡）；Q水—设计日用热水量（L/d）；c—水比热容，4.187KJ/（kg·℃）；ρ—热水密度（kg/L）；te—保温水箱的设计温度（℃）；tl—水的初始温度（℃）；f —太阳能保证率，无量纲，选50%；JT—集热器倾斜面上的日平均辐照量，17.991MJ/m2；η—集热器全日集热效率，集热器效率取50%；ηL—管路及储水箱热损失率，无量纲，此处取0.15。
（2）集热系统间接采光面积
AIN=Ac×1.05=718m2
式中：AIN——间接系统的集热器面积（m2）；Ac——直接系统集热器总面积（m2）；
根据计算，每平米平板集热器产热水70L。本着合理布局的原则，该系统安装平板集热器720m2，平均每天产55℃热水50吨。
3.2 系统控制原理
系统采用太阳能集中集热、二次换热方式：即集热器中注入防冻循环介质，吸收热量，使循环介质温度升高。集热器中的高温介质通过板换与太阳能水箱中的水进行热量交换。
（1）集热温差循环：当集热器温度T1和太阳能水箱温度T2的温差达到设定值时（设定5℃），太阳能循环水泵、板换循环泵同时启动，通过板换加热太阳能水箱内的水。当温差低于设定温度时（设定3℃），停止工作；
（2）辅助系统工作控制：阴雨天时，恒温水箱里的水温达不到用户设定温度，蒸汽辅助加热启动，加热恒温水箱中的水至设定温度，辅助加热停止工作。
（3）补冷水系统控制：由补冷水装置自动定时定量补给。
3.3 系统原理图
4 供热水方式能耗对比
职工洗浴用水通常由电或蒸汽进行加热，下面就电加热、蒸汽加热、平板太阳能热水系统进行比较，分析能源使用情况。
计算条件：
（1）用水量：50吨/日；（2）△t（水温变化）： 50℃。（3）年均晴朗天数：300天（剩余65天属阴雨或者无阳光天气，平板太阳能集热系统在这段时间内也需通过辅助加热对洗浴用水进行加热，因此三个系统在这段时间不做比较。）
4.1 电加热系统
计算公式：Q电=cm△t ，m= Q电/ c△t=17.14Kg
其中c：比热容， 4187 J/（kg.℃）；m：水的质量；△t：水温的变化，50℃；Q电 =1kWh=3.6×106J
理想状态下，无热损失，每日加热50吨水，需耗2917 kWh电能。在热水系统计算中，该地区晴朗天气按照300天/年计算，那么每年将耗电87.51万kWh，按照每度电0.7元计算，每年消耗费用约612570元。
4.2 蒸汽加热系统
通常浴室用蒸汽压力为0.8MPa，温度为170℃。查焓值表可得2763.29kJ/Kg。蒸汽加热冷水后凝结成压力0.1MPa，温度为100℃的凝结水，查焓值表可得417.52kJ/Kg。 根据公式：
Q汽 = cm1△t=m2（h〞-hˊ）
=4.187kJ/（Kg.℃） ×m1×50℃= 1Kg×（2763.29-417.52）kJ/Kg
其中：C：水比热容，4.187kJ/（Kg.℃）；m1：加热水量；m2：蒸汽用量
根据理想状态计算，1Kg蒸汽可将11.1Kg水加热50℃，加热50T水将耗用4.5T蒸汽。按照蒸汽时价125元/吨（税后）计算，每日需花费562.5元，全年花费约合168750元。
4.3 平板太阳能热水系统
（1）在平板太阳能热水系统中，采用保温效果最好、导热系数最小的聚氨酯发泡进行保温，能阻断箱体、管道等与外界的对流换热损失。
（2）为提高系统集热效率，减少管路热损，水泵和水箱均安装在设备间内。
（3）该系统中耗电设备主要为水泵，选用节能效果很好的进口泵。水泵均为定时或定温开启，使用率低于10%，因此每天耗电量极低。
5 经济性分析
5.1 经济效益
根据以上计算分析，三類系统在全年300天晴好天气下的运营费用分别为：
（1）电加热系统：61.257万元；
（2）蒸汽加热系统：16.8750万元；
（3）平板太阳能热水系统：2.58万元。
分析中不包含维护人工、备件费用。由于常规加热采用的备件为易损件，容易出现跑冒滴漏等现象，将产生大量维护费用。
5.2 社会效益
如今，节能减排已经是关系到国家经济、生态环境是否可持续发展的大问题。使用环保、可替代传统不可再生能源来获取能量的技术，是目前亟待解决的问题。一次能源中太阳能的集热利用将成为实现节能减排、能源替代的有效途径，是未来集热技术发展的主要方向。
按该系统平板集热器实际使用数量计算，可节约标煤108-129.6吨，减排CO2 216吨、SO2 1.44吨、NOx 1.44吨、粉尘2.16吨。
参考文献
[1] GB50364-2005.民用建筑太阳能热水系统应用技术规范[S].
[2] GB50495-2009.太阳能供热采暖工程技术规范[S].
[关键词]一次能源；平板太阳能热水系统；厂区浴室热水系统；节能
中图分类号：TK513 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）06-0515-01
1 系统简介
该职工浴室一楼为男女洗浴室，屋顶水箱间原热水箱作为恒温水箱使用。为增大集热面积，前后两个阵列集热器采用阶梯式设计，与建筑完美结合。设计用水人数为500人/日，用水量为100L/人，设计供水温度55℃。在冬季和阴雨天采用蒸汽辅助加热。
2 热水系统太阳能集热器选择
2.1 各类型太阳能集热器对比
太阳能热水系统关键设备是集热器，目前太阳能集热器按吸热体和基本原理的不同，可分为平板式、真空管式等。
2.1.1 平板太阳能集热器特点：
（1）金属管板式结构，热效率高，产热水量大，可承压，耐空晒，水在铜管内加热，质量稳定可靠，免维护，寿命长。（2）平板集热器集中供热系统采用回流排空技术或双循环（采用防冻传热介质）换热技术，解决了系统的防冻结问题。（3）规格：2m×1m，晴天产55℃热水量：70-100Kg/平方米。（4）日平均热效率ηd≥55%。（5）安全可靠，可实现与建筑一体结合。
2.2.2真空管式集热器特点：
（1）规格：晴天产55℃热水量：60-100Kg/平方米。（2）日平均热效率ηd≥50%。（3）与建筑的结合受其性能限制。（4）不承压，无法抗冻。
2.2 职工浴室集热器使用类型
该厂职工浴室热水系统属集中供热，系统需承压，在寒冷天气下须正常运行。因此选择平板集热器，通过介质吸热，二次循环换热，实现24小时供热。
3 热水系统设计及控制原理
3.1 平板集热器面积设计计算[1][2]
通过每日洗浴人数、洗浴时段、洗浴方式或者淋浴喷头个数确定集热器面积，计算如下：
3.1.1设计日用热水量
系统最高日产热水量：Q水=m·qr=50000L/d
其中：Q水—最高日产热水量（L/d）；m —用水计算单位数（人）；qr—热水用水定额（L/人·d）。
3.1.2集热系统采光面积（即平板太阳能集热器面积）
（1）集热系统直接采光面积
AC = Q水×c×ρ× （te-tl）×f/[JT×η×（1-ηL）×1000]=684m2
其中：AC—直接系统集热器采光面積（㎡）；Q水—设计日用热水量（L/d）；c—水比热容，4.187KJ/（kg·℃）；ρ—热水密度（kg/L）；te—保温水箱的设计温度（℃）；tl—水的初始温度（℃）；f —太阳能保证率，无量纲，选50%；JT—集热器倾斜面上的日平均辐照量，17.991MJ/m2；η—集热器全日集热效率，集热器效率取50%；ηL—管路及储水箱热损失率，无量纲，此处取0.15。
（2）集热系统间接采光面积
AIN=Ac×1.05=718m2
式中：AIN——间接系统的集热器面积（m2）；Ac——直接系统集热器总面积（m2）；
根据计算，每平米平板集热器产热水70L。本着合理布局的原则，该系统安装平板集热器720m2，平均每天产55℃热水50吨。
3.2 系统控制原理
系统采用太阳能集中集热、二次换热方式：即集热器中注入防冻循环介质，吸收热量，使循环介质温度升高。集热器中的高温介质通过板换与太阳能水箱中的水进行热量交换。
（1）集热温差循环：当集热器温度T1和太阳能水箱温度T2的温差达到设定值时（设定5℃），太阳能循环水泵、板换循环泵同时启动，通过板换加热太阳能水箱内的水。当温差低于设定温度时（设定3℃），停止工作；
（2）辅助系统工作控制：阴雨天时，恒温水箱里的水温达不到用户设定温度，蒸汽辅助加热启动，加热恒温水箱中的水至设定温度，辅助加热停止工作。
（3）补冷水系统控制：由补冷水装置自动定时定量补给。
3.3 系统原理图
4 供热水方式能耗对比
职工洗浴用水通常由电或蒸汽进行加热，下面就电加热、蒸汽加热、平板太阳能热水系统进行比较，分析能源使用情况。
计算条件：
（1）用水量：50吨/日；（2）△t（水温变化）： 50℃。（3）年均晴朗天数：300天（剩余65天属阴雨或者无阳光天气，平板太阳能集热系统在这段时间内也需通过辅助加热对洗浴用水进行加热，因此三个系统在这段时间不做比较。）
4.1 电加热系统
计算公式：Q电=cm△t ，m= Q电/ c△t=17.14Kg
其中c：比热容， 4187 J/（kg.℃）；m：水的质量；△t：水温的变化，50℃；Q电 =1kWh=3.6×106J
理想状态下，无热损失，每日加热50吨水，需耗2917 kWh电能。在热水系统计算中，该地区晴朗天气按照300天/年计算，那么每年将耗电87.51万kWh，按照每度电0.7元计算，每年消耗费用约612570元。
4.2 蒸汽加热系统
通常浴室用蒸汽压力为0.8MPa，温度为170℃。查焓值表可得2763.29kJ/Kg。蒸汽加热冷水后凝结成压力0.1MPa，温度为100℃的凝结水，查焓值表可得417.52kJ/Kg。 根据公式：
Q汽 = cm1△t=m2（h〞-hˊ）
=4.187kJ/（Kg.℃） ×m1×50℃= 1Kg×（2763.29-417.52）kJ/Kg
其中：C：水比热容，4.187kJ/（Kg.℃）；m1：加热水量；m2：蒸汽用量
根据理想状态计算，1Kg蒸汽可将11.1Kg水加热50℃，加热50T水将耗用4.5T蒸汽。按照蒸汽时价125元/吨（税后）计算，每日需花费562.5元，全年花费约合168750元。
4.3 平板太阳能热水系统
（1）在平板太阳能热水系统中，采用保温效果最好、导热系数最小的聚氨酯发泡进行保温，能阻断箱体、管道等与外界的对流换热损失。
（2）为提高系统集热效率，减少管路热损，水泵和水箱均安装在设备间内。
（3）该系统中耗电设备主要为水泵，选用节能效果很好的进口泵。水泵均为定时或定温开启，使用率低于10%，因此每天耗电量极低。
5 经济性分析
5.1 经济效益
根据以上计算分析，三類系统在全年300天晴好天气下的运营费用分别为：
（1）电加热系统：61.257万元；
（2）蒸汽加热系统：16.8750万元；
（3）平板太阳能热水系统：2.58万元。
分析中不包含维护人工、备件费用。由于常规加热采用的备件为易损件，容易出现跑冒滴漏等现象，将产生大量维护费用。
5.2 社会效益
如今，节能减排已经是关系到国家经济、生态环境是否可持续发展的大问题。使用环保、可替代传统不可再生能源来获取能量的技术，是目前亟待解决的问题。一次能源中太阳能的集热利用将成为实现节能减排、能源替代的有效途径，是未来集热技术发展的主要方向。
按该系统平板集热器实际使用数量计算，可节约标煤108-129.6吨，减排CO2 216吨、SO2 1.44吨、NOx 1.44吨、粉尘2.16吨。
参考文献
[1] GB50364-2005.民用建筑太阳能热水系统应用技术规范[S].
[2] GB50495-2009.太阳能供热采暖工程技术规范[S].