北京西四环某住宅小区办公配套楼,太阳能生活热水系统为“闭式集热间接换热+开式储热”全循环热水系统,采用进口蓝膜平板集热器,辅助热源为商用燃气锅炉(研究期间未通气不能使用),系统原理见图1。

　　 检测时间:2014年5月~2015年4月。在这段时间里,5~9月热水可用(37℃以上),10~4月,无法提供37℃以上热水(详见图2)。

　　 最高日设计热水量为1.5m³,本项目所配置的水箱体积为3m³内置不锈钢换热盘管,通过水位高低4档控制存水量(0.5m³、1m³、1.5m³、2m³),满足设计热水储存量和实际运行使用情况要求。

　　 设计并安装集热器16块,每块2 m²,共计32m²。间接供水系统的日均产水量30~70L/(m²·d)[平均50L/(m²·d)],本项目太阳能可产热水量为0.96~2.24 m³/d,满足设计集热水量要求。

　　 《建筑给水排水设计规范》(GB 50015-2003,2009年版,以下简称“建规”)式5.4.2A-1中太阳能保证率f要求30%~80%;《太阳能集中热水系统选用与安装》(06SS128)要求,北京地区太阳能保证率50%~60%;《居住建筑节能设计标准》(DB 11/891-2012)5.3.3条,提到太阳能保证率为0.5。

　　 本项目实际运行情况,从2014年10月~2015年4月太阳能储热水箱温度未超过37℃(共7个月),估算太阳能保证率f=(12-7)/12=42%。实际情况在可用的7个月中预计有至少15%的天气情况(雾霾、阴雨天)不能满足太阳能集热使用要求,故实际太阳能保证率f=42%×(1-15%)=35%<50%。因此,本项目太阳能系统实际运行保证率远低于50%,节能效果不好,辅助热源变为主要热源。

　　 根据“建规”式(5.4.2A-1): (符号释义详见“建规”),进行原因分析。

　　 (1)其他值不变的情况下,集热面积越大保证率越高。本工程集热面积设计已经符合规范要求,故不是导致保证率低的原因。

　　 (2)其他值不变的情况下,热损失越小保证率越高。热损失有可能是造成保证率低的原因。

　　 (3)其他值不变的情况下,热水量需求越小保证率越高。本工程设计储热水量符合规范要求,而且储水量可调,故不是导致保证率低的原因。

　　 (4)其他值不变的情况下,太阳辐照量越大保证率越高。太阳辐照量受到天气、建筑遮挡、安装方位角、前后集热板间距等因素影响,有可能是造成保证率低的原因。

　　 (5)热损失与太阳辐照情况分析。(1)热损失情况。参考03S401《管道和设备保温、防结露及电伴热》,管道、储热水箱的总热损失Q_s=Q₁+Q₂,其中Q₁=Q_室外+Q_室内=65 m×14 W/m+96 m×12.9W/m=2 148 W,水箱热损失Q₂=11.25 m×45.9W/m²=516 W,故Q_s=2 664 W。集热量Q_j=32×50×0.98×(45-5)×4.187/7=37 516(kJ/h)=10 421(W)。热损失率为η=2 664/10 421=26%在规范规定值15%~30%范围内。故热损失不是造成太阳能热水保证率低的主要原因,但是一个重要因素。(2)太阳辐照情况。如图3所示,太阳能集热器安装倾斜角40°,由于受到前方住宅楼的遮挡影响,导致10~4月共7个月平均日照时间不足5h,太阳能集热器设计平均日照时间一般为6~8h,本工程太阳能集热板设置位置与前楼间距系数1.42看似合理,实际前楼宽度大,以12月为例全天有效日照仅为上午8:00~10:30(北京冬季太阳能日照最优时间为10:00~15:00)。

　　 从表1、表2计算结果分析可见日照遮挡对太阳能热水系统运行保证率的影响非常大,且遮前方建筑物的宽度越大遮挡时间越长;同时热损失的影响较大,闭式系统防冻液热损失规范计算公式中缺少相关明确规定,如果全部含在管路和水箱热损失中,在冬季不太合理(全年平均影响不大)。

　　 根据以上工程实测分析,得出影响太阳能热水实际运行保证率的4方面主要因素:

　　 (1)集热器面积计算:一般都按最小需求设计参数计算,如果存在建筑遮挡导致太阳能辐照热量不足或热损过大等问题,运行保证率必然达不到设计保证率,建议集热面积附加安全系数,提高运行保证率。

　　 (2)热损失:通过加强保温措施(室外一般聚氨酯发泡外加铝板保护壳保温效果与耐久性更好,室内可采用橡塑保温管壳),减少管路等方式,尽量降低热损失量;平板集热器冬季热损失明显大于真空管集热器;同时,不建议换热盘管设置于储热水箱内,因为一般在盘管区域的存水为无效加热水量,导致实际加热水量超过设计用水量,等于变相增加热损失。另外闭式集热系统的防冻液加热,在冬季占很大比例热损失,规范中没有提到这部分热损失,也是需要单独计算的。

　　 (3)储热水量:一般按最小需求设计,建议储热水箱设置3档以上水位可调,可根据季节性用水量不同进行调整,以提高运行保证率。

　　 (4)重点是集热器的布置须避免各种不利遮挡因素。建筑或构筑物前后排布置太阳能集热器时应重点关注日照影响,必要时需进行日照模拟分析(因为前方物体宽度对日照影响很大,仅用间距系数判断并不合理)。同时重点注意,如果部分集热板日照被遮挡后,不但不能集热,而且会起到加速散热效果,在冬季尤为明显,对集热效率影响非常大,对此情况解决办法是根据集热器被遮挡情况合理设置不同片区,通过电动阀关闭遮挡片区的集热器,尽量避免散热和集热同时发生。