太阳能具有节能环保无污染等优点。随着国家节能政策在各个领域的严格实施,太阳能热水系统在全国高校得到了越来越广泛的应用。

　　 高校学生洗浴具有人数多、洗浴时间相对规律、管理方式相似等特点。在太阳能热水系统设计和运行中,会出现一些相同或相近的技术问题。本文拟对这些问题进行探讨,并提出解决办法。

　　 高校学生公寓和集中浴室洗浴人数多、洗浴时间相对规律和固定,人均热水量高于非高校公寓需求。太阳能系统规模较大,集热器数量较多,集热器摆放时既要考虑获得最大采光面,又必须考虑校园学生活动安全,同时需要兼顾校园风格统一、立面效果一致等特点,全玻璃真空管集热器因具有集热效率高,相同场地采光面积最大,摆放安全性好、造价低廉,符合高校自身特点,是高校太阳能热水系统选择较多的一种集热器。

　　 虽然全玻璃真空管集热器具有上述诸多优势,但在实际工程应用中,因多种因素引起的真空管炸管问题却时有发生,现提出主要原因及解决办法如下。

　　 (1)在不同高度的屋面上摆放同一系统的全玻璃真空管集热器常出现炸管现象。例如,大多数高层建筑,屋面均设有消防水箱间,在屋面面积摆放集热器数量不够时,通常也会在水箱间顶布满集热器,以求有效面积最大化。有时不同两个高度的屋面,高差会达到3m左右。使用中,如果自来水水压较低或不稳定时,就会导致高处集热器缺水而造成较大数量的真空管炸管。为避免此现象发生,设计中宜将高低区集热器自成系统,单独供水,并确保各区供水压力稳定。

　　 (2)高校学生公寓建筑体量较大、人数多。集中浴室集热器数量较多,在平面布局中,集热器距离屋面太阳能贮热水箱的远近会导致集热器供水压力差别很大,造成供水不平衡也会导致真空管炸管。解决办法是:系统设计中宜采用温差循环加热,即当集热器内水温高于太阳能贮热水箱水温设定值时,太阳能加热系统自动转入温差循环。将太阳能贮热水箱内较低温度的水打入集热器,而将集热器内高于水箱温度的热水顶入太阳能贮热水箱;当温差值小于设定值时,循环自动停止。通过升高太阳能贮热水箱水温来储存系统集热能量。当太阳能贮热水箱水温达到设定水温后,将水箱内热水全部放到地下室热水贮水箱内;如此不断循环重复。

　　 真空管虽均为全玻璃真空管,但由于数量较多,其材料特性也会有差异,生产、安装中部分真空管存在应力集中现象,在使用中会因受热膨胀出现炸管。这类问题的解决办法,一是尽量采购市场占有率大、知名度高的大品牌以保证质量;二是使用中出现这类问题,可通过几个月的运行筛查,将存在问题的真空管陆续更换至正常;三是采用抗炸管全玻璃真空管集热器作为替代品。

　　 为保证太阳能热水系统运行稳定可靠,设计中会考虑辅助热源作为补充,以弥补太阳能的不足。目前普遍采用的2种辅助热源类型分别是电加热辅助热源和锅炉热源。虽然前者具有加热速度快,安装简单等优势,但从安全性、经济性、可持续性等方面比较,后者具有更多优点。提高加热速度可通过技术手段解决。如在热水贮水箱内设蒸汽盘管或热媒热水盘管。盘管供回水管与锅炉供回(汽)水管连接,当热水贮水箱温度低于设定值时,系统自动打开锅炉辅助加热补水电磁阀,锅炉蒸汽温度100 ℃左右,热媒热水水温通常在80 ℃以上,通过盘管换热可将热水贮水箱的水迅速加热;当水温达到设定值时,电磁阀自动关闭。故当上述两种辅助热源均具备采用条件时,宜选择后者。

　　 目前屋面太阳能热水系统防冻措施除采用传统的管道外包覆保温材料外,通常还在管道外设置电伴热带。如果整个冬季全部采用这种形式,将会带来较大的耗电,一旦发生断电会造成防冻失败、材料寿命期较短等问题,从节能和防冻可靠性考虑,此种防冻措施不理想。而采用低温循环+电伴热带的防冻方法能够保证防冻的可靠性。屋面太阳能热水循环管路水温低于5℃时,管路循环泵启动,维持低温循环;当循环管路水温高于15 ℃时,管路循环泵停止。根据北京近几年冬季温度统计和对实际工程的考察,低温循环防冻基本能够满足太阳能系统全冬季防冻要求。电伴热带的补充,主要作为停电或屋面太阳能热水循环管路循环泵故障等原因造成防冻失效,导致太阳能热水循环管路结冰,在系统恢复通电后将结冰管路化开,以实现自动解冻功能的补救措施。

　　 学生公寓、集中浴室热水供应基本采用单管淋浴系统供水,供水温度40~45 ℃,学生配置IC卡,洗浴时插卡自动计费,因此,在热水系统设计时,采用恒温混水保证出水温度的稳定性至关重要。但日常运行中常因恒温混水方法选用不当而出现忽冷忽热、温度变幅较大现象。

　　 (1)多个电磁阀调节法(见图1),这种方法优点是成本低,结构简单,占地面积小;但存在的问题是冷热水比例不能线性调节,热水温度上下变动幅度大,会出现水温忽冷忽热问题。

　　 (2)多个自力式混水阀调节法(见图2),这种方法优点与方法1相同,缺点是冷热水压力、流量变化对恒温混水效果影响较大。大流量自力式混水阀在小流量出水时,恒温效果差。

　　 (3)电动三通阀调节法(见图3),这种方法优点是可任意调节电动三通阀冷热水开度,控制精度较高,占地面积小。缺点是造价高,阀门开度与流量不是线性关系,仍会出现忽冷忽热问题。

　　 (4)恒温阀+恒温水箱调节法(见图4),此方法优点是恒温阀不受洗浴人数影响,水温恒定,造价中等。缺点是占地面积大,约为缓冲罐占地面积的12倍。

　　 目前制备恒温混水采用方法1和方法2较多。究其原因是建筑工种分配的设备机房面积偏小,给排水设计人员看重其成本低、占地少的优点,易满足机房布置。但却给恒温混水系统运行埋下了洗浴水温不稳定的隐患。

　　 笔者认为,在太阳能热水系统设计中,供水安全和功能稳定应是优先考虑的因素。给排水设计负责人在方案和初步设计中应对系统形式进行全面考虑和布局,尽量细化参数和设备选型,对性能特点、运行稳定安全等各种因素综合比较后,向建筑工种提出以满足使用功能为前提的机房面积。

　　 以上4种方法中,方法1、2、3都存在热水温度变幅较大,水温易出现忽冷忽热、恒温混水效果差的问题。而方法4虽然占地面积较大,但其系统运行最稳定,供水保障性最高,推荐采用。

　　 高校集中浴室,具有洗浴人数多、开放时间固定、洗浴时间集中和有规律、淋浴废水排放量在集中时间内较大等特点。这部分废水所具有的低品位热能相当可观。淋浴废水的热能回收利用通过技术手段是完全可以实现,但绝大多数高校把集中浴室淋浴废水或排入中水处理机房或直接排入市政管网,这部分热能基本没有被利用而白白浪费了。笔者主张,高校集中浴室热水系统设计时应把这部分热能充分利用起来,尽可能全部回收。

　　 淋浴废水热能回收可采用热回收机回收也可采用热泵回收。热回收机特点是结构简单,造价低廉。通过热回收机收集淋浴废水,水温33~35 ℃,冷水经回收机被间接加热到20~25℃,再与热水混合供淋浴使用。热泵回收装置特点是热效率高,效果稳定,造价较高。通过热泵吸收淋浴废水低品位热能可将冷水间接升温15 ℃以上后,与热水混合供淋浴使用。

　　 以上2种方式均是通过升温冷水温度达到节能目的。虽然产生了可观的节能效果,但均存在各自的缺点。热回收机最多把冷水升温到20~25 ℃,热泵对冷水升温虽然显著,但是以消耗电能换取的。笔者建议将热回收机与热泵结合使用,采用两段式回收方法。该方法可以在上述同样耗电量情况下,最大限度回收废水热量,即冷水先通过热回收机升温至20~25℃,后通过热泵升温至35~40℃,再与热水混合供淋浴使用。

　　 表1为某工程不同季节淋浴废水热能回收的热能回收率计算。该工程按40 ℃洗浴,每小时热水量75m³,废水余热利用率70%计。

　　 从表1中看出,通过两段式回收,二者合计回收45%~62%废热,可转变用于洗浴热水,节能效果非常显著。

　　 总结了高校太阳能热水系统在设计和运行中常出现的5个问题,提出了对这5个问题的解决办法,有助于设计一个安全可靠、性能稳定、洗浴舒适的太阳能热水系统。有利于太阳能热水系统在高校的应用和节能减排环保政策的落实。