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【摘 要】对于热水用水量大的单体建筑而言，太阳能热水系统通常无法满足其热水负荷。以某高校宿舍太阳能热水系统工程为例，介绍了太阳能热水系统辅助电加热联合供应生活热水的设计方案。本项目既充分利用了太阳能，又满足了用户对热水的高品质要求。太阳能热水系统需设置辅助热源，供热量根据供水调节容积确定，辅助热源根据储热水箱上端面附近的水温控制启停。
【关键词】宿舍；定时热水供应系统；太阳能热水系统；电锅炉；储热水箱；集热器
1引言
近年来，我国利用太阳能制备生活热水的集中热水供应系统迅速发展，太阳能作为一种可再生的清洁能源，在建筑中的利用日益受到关注。目前很多大型建筑都有集中热水供应系统，如大型洗浴中心、宾馆、医院、高级公寓、宿舍等，此类建筑热水用量大、耗热量高，若仅考虑采用常规能源供应所需费用高，利用太阳能作为热水供应能源再配以辅助热源有较好的节能效果和经济效益。
2工程概况
本工程位于辽宁省沈阳市，为地上5层的Ⅳ类宿舍楼，总建筑面积3631.59㎡，建筑高度17.20m。除一层设6人间宿舍14间外，其余每层设6人间宿舍19间，每层均设一处集中盥洗间（每层11个盥洗水嘴），一层另设一处集中淋浴间（共计55个淋浴头），热水设备用房设于一层。本工程设定时集中热水供应系统，集中盥洗间供水时间为每天6：30～8：00和19：00～20：30，淋浴间供水时间为周三18：00～21：00和周日13：00～16：00。
3主要参数的确定
3.1设计日用热水量
宿舍床位数为540张，热水用水定额为60L/（人·d），热水温度为60℃，用水时间为3h，小时变化系数为3.5，则最大日热水量为32.4m?/d。
3.2 太阳能集热器面积
——直接加热集热器面积（）；
——设计日用水量（），取60；
——用水单位数，540人；
——水的比热（），；
——热水密度（），（60℃时）；
——热水温度（℃），；
——冷水温度（℃），；
——集热器采光面上年平均日太阳辐射量（），取17240
——太阳能保证率，取0.8；
——集热器年平均集热效率，取0.6；
——贮水箱和管路的热损失率，取0.15；
注：以上数据中，与太阳能相关数据均由太阳能厂家提供。
若本工程全部热水均由太阳能制取，经计算所需太阳能集热器总面积为607m2。本宿舍楼屋面面积688m2，且受到屋面风井及其他专业设备的影响，可供布置太阳能集热器的有效面积更小。
因此，在设计过程中，尽最大可能利用屋面面积布置太阳能集热器，最大限度利用太阳能。实际设计中，又因不影响建筑外立面美观及保证日常检修等问题，屋面共布置76组热管真空管太阳能集热器，每组集热面积为4m2，总集热面积为304m2。
3.3 储热水箱容积确定
太阳能集热系统贮热水箱的有效容积
——贮热水箱有效容积（L）；
——集热器单位采光面积平均每日产水量（），根据太阳能厂家提供，取60；
——集热器总面积（m2），304m2；
经计算得：太阳能贮热水箱的有效容积为16.2m3，本楼热水由太阳能与电锅炉联合制备，辅助热源无调节容积，故储热水箱的有效容积应为一天所需热水量（32 m3）。
3.4 辅助热源的供热量
辅助热源在太阳能热水系统中必不可少，其作用主要是在太阳能集热系统不产热或达不到设计产热量时辅助生产热水。本工程应业主要求，采用电锅炉作为辅助热源，供热量按全天太阳能系统不产热设计。
3.4.1定时热水供应系统的设计小时耗热量
——设计小时耗热量（）；
——卫生器具热水的小时用水定额（），淋浴头取450，盥洗水嘴取60；
——热水温度（℃），淋浴头取，盥洗水嘴取；
——冷水温度（℃），；
——热水密度（），（40℃时），（30℃时）；
——同类型卫生器具数，淋浴头55个，盥洗水嘴55个；
——卫生器具同时使用百分数，淋浴头100%，盥洗水嘴70%；
经计算：
。
3.4.2設计小时热水量
——设计小时热水量（）；
——设计小时耗热量（），；
——热水温度（℃），；
——冷水温度（℃），；
——水的比热（），；
——热水密度（），（60℃时）；
经计算：
。
3.4.3电锅炉的供热量（除使用前加热外，在使用中还继续加热时）
——电锅炉的供热量（）
——热水流量（），；
——热水使用时间（），；
——贮热水箱有效容积（L），；
——热水温度（℃），；
——冷水温度（℃），；
——水的比热（），；
——水加热器效率，取0.98；
经计算，，选用两台电锅炉，每台功率为180。若仅在使用前加热，则需预热时间可按下式计算：
经计算，。
热水供水泵，太阳能循环泵，电锅炉循环泵选型在此不做阐述。为减少电锅炉及太阳能集热器的结垢问题，在水箱进水管上设综合水处理器。
4、系统运行说明
4.1 贮热水箱的补水
A、低水位保护补水：当水箱水位降到20%（可调）时电动阀M1开启，当水位达到40%（可调）M1关闭；B、定时补水：每天凌晨3：00（可调）电动阀M1开启，水满关闭。 4.2 贮热水箱的加热
太阳能加热系统采用温差强制循环方式，最优化利用太阳能系统，减少泵及电锅炉的使用率。A、温差强制循环：当Ta-T1≥5℃（可调）时，启动泵1，使水箱中的水送入集热器加热，当Ta-T1≤1℃时，关闭泵1，如此循环使水箱内水温不断升高；B、电锅炉辅助加热：在太阳能系统达不到设计温度时，启动泵3及电锅炉辅助加热，加热到T1=60℃时，关闭电锅炉及泵3。
4.3 热水循环
为使用水一直保持热水状态，当T2<40℃（可调）时，电动阀M2开启，启动泵2，循环管路中的热水，当T1=60℃（可调）时，关闭电动阀M2及泵2，以确保热水及时供应。
4.4 安全保护：
A、在供水泵前加流量开关，只要有人用水（管道内水流动），水流开关就给控制系统信号，立即关闭电锅炉电源；B、避时保护：在高峰用水时间通过控制系统关闭电锅炉电源；C、接地保护：所有水泵与辅助电锅炉都要可靠接地；有漏电现象，系统立即自动断电，同时报警（报警电源为畜电池）。D、室外管路防冻：本系统方案采用自动落水式防冻，管道安装时管路有5‰的坡度，在寒冷的冬季当太阳能系统无法工作时，将管道内的水自流回到水箱内，根本上解决了管道冻坏的问题，同时也节省了大量的电能消耗。
4.5 故障报警
A、在泵1、泵2、泵3的出水口安装流量开关，系统启动时不工作，立即故障报警；B、在电动阀前面也安装流量开关，当控制柜控制电动阀开启时，电动阀不工作时报警。
5 结语
太阳能热水系统首先应选用高性能的集热产品，在功能切换中确保优先使用太阳能，也就是说只要有太阳能尽量不启动辅助加热，使用户能真切感觉到虽然太阳能热水系统比常规能源的初期投资大，但运行费用却比常规能源低的多，大大降低了热水的生产成本，长期运行能获得良好的经济效益，从而使太阳能热水系统比常规能源的热水系统有更强、更优越的市场竞争力。在设计中不能为了应用太阳能而应用，造成其他能量的浪费，或者降低了热水品质。这就要求设计人员必须与业主充分沟通，了解业主的需求，结合实际情况，从技术角度及经济性进行多方案比选，设计出最优方案。
参考文献：
1、丁昀，杨庆，高孟理，马东华.某宾馆太阳能预加热热水系统设计方案研究. 给水排水，2009，35（2）：76～79
2、赵世明，高峰.太阳能生活热水系统出热水箱和辅助热源设计探讨. 给水排水，2009，35（4）：77～81
3、郭飛.太阳能热水系统在医院建筑的应用. 给水排水，2010，36（4）：80～82
4、杜金娣，李露，刘晶.太阳能热水系统在医院住院部大楼的应用.给水排水，2011，37（7）：60～63
【关键词】宿舍；定时热水供应系统；太阳能热水系统；电锅炉；储热水箱；集热器
1引言
近年来，我国利用太阳能制备生活热水的集中热水供应系统迅速发展，太阳能作为一种可再生的清洁能源，在建筑中的利用日益受到关注。目前很多大型建筑都有集中热水供应系统，如大型洗浴中心、宾馆、医院、高级公寓、宿舍等，此类建筑热水用量大、耗热量高，若仅考虑采用常规能源供应所需费用高，利用太阳能作为热水供应能源再配以辅助热源有较好的节能效果和经济效益。
2工程概况
本工程位于辽宁省沈阳市，为地上5层的Ⅳ类宿舍楼，总建筑面积3631.59㎡，建筑高度17.20m。除一层设6人间宿舍14间外，其余每层设6人间宿舍19间，每层均设一处集中盥洗间（每层11个盥洗水嘴），一层另设一处集中淋浴间（共计55个淋浴头），热水设备用房设于一层。本工程设定时集中热水供应系统，集中盥洗间供水时间为每天6：30～8：00和19：00～20：30，淋浴间供水时间为周三18：00～21：00和周日13：00～16：00。
3主要参数的确定
3.1设计日用热水量
宿舍床位数为540张，热水用水定额为60L/（人·d），热水温度为60℃，用水时间为3h，小时变化系数为3.5，则最大日热水量为32.4m?/d。
3.2 太阳能集热器面积
——直接加热集热器面积（）；
——设计日用水量（），取60；
——用水单位数，540人；
——水的比热（），；
——热水密度（），（60℃时）；
——热水温度（℃），；
——冷水温度（℃），；
——集热器采光面上年平均日太阳辐射量（），取17240
——太阳能保证率，取0.8；
——集热器年平均集热效率，取0.6；
——贮水箱和管路的热损失率，取0.15；
注：以上数据中，与太阳能相关数据均由太阳能厂家提供。
若本工程全部热水均由太阳能制取，经计算所需太阳能集热器总面积为607m2。本宿舍楼屋面面积688m2，且受到屋面风井及其他专业设备的影响，可供布置太阳能集热器的有效面积更小。
因此，在设计过程中，尽最大可能利用屋面面积布置太阳能集热器，最大限度利用太阳能。实际设计中，又因不影响建筑外立面美观及保证日常检修等问题，屋面共布置76组热管真空管太阳能集热器，每组集热面积为4m2，总集热面积为304m2。
3.3 储热水箱容积确定
太阳能集热系统贮热水箱的有效容积
——贮热水箱有效容积（L）；
——集热器单位采光面积平均每日产水量（），根据太阳能厂家提供，取60；
——集热器总面积（m2），304m2；
经计算得：太阳能贮热水箱的有效容积为16.2m3，本楼热水由太阳能与电锅炉联合制备，辅助热源无调节容积，故储热水箱的有效容积应为一天所需热水量（32 m3）。
3.4 辅助热源的供热量
辅助热源在太阳能热水系统中必不可少，其作用主要是在太阳能集热系统不产热或达不到设计产热量时辅助生产热水。本工程应业主要求，采用电锅炉作为辅助热源，供热量按全天太阳能系统不产热设计。
3.4.1定时热水供应系统的设计小时耗热量
——设计小时耗热量（）；
——卫生器具热水的小时用水定额（），淋浴头取450，盥洗水嘴取60；
——热水温度（℃），淋浴头取，盥洗水嘴取；
——冷水温度（℃），；
——热水密度（），（40℃时），（30℃时）；
——同类型卫生器具数，淋浴头55个，盥洗水嘴55个；
——卫生器具同时使用百分数，淋浴头100%，盥洗水嘴70%；
经计算：
。
3.4.2設计小时热水量
——设计小时热水量（）；
——设计小时耗热量（），；
——热水温度（℃），；
——冷水温度（℃），；
——水的比热（），；
——热水密度（），（60℃时）；
经计算：
。
3.4.3电锅炉的供热量（除使用前加热外，在使用中还继续加热时）
——电锅炉的供热量（）
——热水流量（），；
——热水使用时间（），；
——贮热水箱有效容积（L），；
——热水温度（℃），；
——冷水温度（℃），；
——水的比热（），；
——水加热器效率，取0.98；
经计算，，选用两台电锅炉，每台功率为180。若仅在使用前加热，则需预热时间可按下式计算：
经计算，。
热水供水泵，太阳能循环泵，电锅炉循环泵选型在此不做阐述。为减少电锅炉及太阳能集热器的结垢问题，在水箱进水管上设综合水处理器。
4、系统运行说明
4.1 贮热水箱的补水
A、低水位保护补水：当水箱水位降到20%（可调）时电动阀M1开启，当水位达到40%（可调）M1关闭；B、定时补水：每天凌晨3：00（可调）电动阀M1开启，水满关闭。 4.2 贮热水箱的加热
太阳能加热系统采用温差强制循环方式，最优化利用太阳能系统，减少泵及电锅炉的使用率。A、温差强制循环：当Ta-T1≥5℃（可调）时，启动泵1，使水箱中的水送入集热器加热，当Ta-T1≤1℃时，关闭泵1，如此循环使水箱内水温不断升高；B、电锅炉辅助加热：在太阳能系统达不到设计温度时，启动泵3及电锅炉辅助加热，加热到T1=60℃时，关闭电锅炉及泵3。
4.3 热水循环
为使用水一直保持热水状态，当T2<40℃（可调）时，电动阀M2开启，启动泵2，循环管路中的热水，当T1=60℃（可调）时，关闭电动阀M2及泵2，以确保热水及时供应。
4.4 安全保护：
A、在供水泵前加流量开关，只要有人用水（管道内水流动），水流开关就给控制系统信号，立即关闭电锅炉电源；B、避时保护：在高峰用水时间通过控制系统关闭电锅炉电源；C、接地保护：所有水泵与辅助电锅炉都要可靠接地；有漏电现象，系统立即自动断电，同时报警（报警电源为畜电池）。D、室外管路防冻：本系统方案采用自动落水式防冻，管道安装时管路有5‰的坡度，在寒冷的冬季当太阳能系统无法工作时，将管道内的水自流回到水箱内，根本上解决了管道冻坏的问题，同时也节省了大量的电能消耗。
4.5 故障报警
A、在泵1、泵2、泵3的出水口安装流量开关，系统启动时不工作，立即故障报警；B、在电动阀前面也安装流量开关，当控制柜控制电动阀开启时，电动阀不工作时报警。
5 结语
太阳能热水系统首先应选用高性能的集热产品，在功能切换中确保优先使用太阳能，也就是说只要有太阳能尽量不启动辅助加热，使用户能真切感觉到虽然太阳能热水系统比常规能源的初期投资大，但运行费用却比常规能源低的多，大大降低了热水的生产成本，长期运行能获得良好的经济效益，从而使太阳能热水系统比常规能源的热水系统有更强、更优越的市场竞争力。在设计中不能为了应用太阳能而应用，造成其他能量的浪费，或者降低了热水品质。这就要求设计人员必须与业主充分沟通，了解业主的需求，结合实际情况，从技术角度及经济性进行多方案比选，设计出最优方案。
参考文献：
1、丁昀，杨庆，高孟理，马东华.某宾馆太阳能预加热热水系统设计方案研究. 给水排水，2009，35（2）：76～79
2、赵世明，高峰.太阳能生活热水系统出热水箱和辅助热源设计探讨. 给水排水，2009，35（4）：77～81
3、郭飛.太阳能热水系统在医院建筑的应用. 给水排水，2010，36（4）：80～82
4、杜金娣，李露，刘晶.太阳能热水系统在医院住院部大楼的应用.给水排水，2011，37（7）：60～63