摘 要：基于建筑結(jié)構(gòu)及熱用戶需求不同，所采用的太陽(yáng)能供暖系統(tǒng)類型不同，研究分析了三種典型的太陽(yáng)能與集中供熱熱網(wǎng)聯(lián)供系統(tǒng)，即單水箱分散集熱-分散供熱系統(tǒng)、雙水箱集中集熱-集中供熱系統(tǒng)、多水箱集中集熱-分散供熱系統(tǒng)；通過對(duì)三種聯(lián)供系統(tǒng)的原理、特點(diǎn)、適用范圍進(jìn)行分析研究，提出了系統(tǒng)性能優(yōu)化的措施，為聯(lián)供系統(tǒng)的后期深入研究提供參考。

關(guān)鍵詞：太陽(yáng)能；集中供熱熱網(wǎng)；聯(lián)供系統(tǒng)；性能優(yōu)化；水箱

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.24.067

0 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)，建筑能耗占社會(huì)總能耗比例不斷增大，解決能源問題及環(huán)境問題已成為我國(guó)發(fā)展的新方向。在新技術(shù)及新設(shè)備的發(fā)展與應(yīng)用日新月異的情形下，必須重視建筑領(lǐng)域節(jié)能技術(shù)，盡可能充分利用清潔環(huán)保可再生能源，讓節(jié)能技術(shù)步入低碳時(shí)代的綠色建筑中，以實(shí)現(xiàn)能源、環(huán)境及整個(gè)人類社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。太陽(yáng)能作為綠色可再生能源，在太陽(yáng)能資源較豐富的地區(qū)得到了一定的應(yīng)用，其中地源熱泵、水源熱泵、空氣源熱泵輔助太陽(yáng)能供熱系統(tǒng)都是高效節(jié)能的新型供熱系統(tǒng)，在我國(guó)得到大力推廣。而太陽(yáng)能與集中供熱熱網(wǎng)聯(lián)供系統(tǒng)作為一種新型供暖系統(tǒng)，有必要深入探討研究聯(lián)供系統(tǒng)的性能、原理及特點(diǎn)，這對(duì)我國(guó)發(fā)展太陽(yáng)能事業(yè)有重要的意義。

1 單水箱分散集熱-分散供熱系統(tǒng)

單水箱分散集熱-分散供熱系統(tǒng)的原理圖如圖1、圖2所示，圖1采用強(qiáng)制循環(huán)運(yùn)行方式，圖2采用自然循環(huán)運(yùn)行方式。單水箱分散集熱-分散供熱系統(tǒng)熱源包括兩部分，即太陽(yáng)能集熱器和集中供熱熱網(wǎng)。太陽(yáng)能集熱器可分散設(shè)置在各熱用戶南陽(yáng)臺(tái)欄板處或臥室窗間向陽(yáng)墻體處，儲(chǔ)供熱水箱則分散設(shè)置在各熱用戶南陽(yáng)臺(tái)上，水箱容積根據(jù)太陽(yáng)能集熱器面積和用戶熱需求確定。在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，儲(chǔ)供熱水箱中的水經(jīng)過太陽(yáng)能集熱器循環(huán)加熱，同時(shí)水箱的部分水與熱網(wǎng)發(fā)生熱交換?？紤]到系統(tǒng)的節(jié)能效果，在熱網(wǎng)安裝控制部件以減少對(duì)熱網(wǎng)的依賴，當(dāng)太陽(yáng)能集熱器吸收太陽(yáng)輻射所加熱的熱水能夠滿足熱用戶要求時(shí)，直接利用太陽(yáng)能集熱器給用戶供熱；當(dāng)熱水不滿足用戶要求時(shí)，利用太陽(yáng)能與集中供熱熱網(wǎng)給用戶聯(lián)合供熱，并通過控制元件調(diào)節(jié)熱網(wǎng)供回水流量，使水箱熱水溫度達(dá)到用戶要求。

這種系統(tǒng)由于只有一個(gè)具有蓄熱功能儲(chǔ)供熱水箱，太陽(yáng)能集熱器和水箱均分散設(shè)置在熱用戶家中，因此該系統(tǒng)管路簡(jiǎn)單，管理維護(hù)簡(jiǎn)單，容易與建筑結(jié)構(gòu)相結(jié)合，各熱用戶系統(tǒng)在運(yùn)行過程中相互獨(dú)立，便于調(diào)節(jié)控制，不易相互影響，造價(jià)低；但該系統(tǒng)容易受集熱面積限制，出現(xiàn)熱水供不應(yīng)求等問題，導(dǎo)致整個(gè)聯(lián)供系統(tǒng)中太陽(yáng)能集熱器效率的降低，對(duì)熱網(wǎng)的依賴程度增大，節(jié)能效果不顯著。尤其在高層建筑中，低層用戶存在遮光等問題，在一定程度上阻礙了該系統(tǒng)的推廣。

2 雙水箱集中集熱-集中供熱系統(tǒng)

雙水箱集中集熱-集中供熱系統(tǒng)的原理圖如圖3所示，該系統(tǒng)中包括蓄熱水箱和供熱水箱，其中大水箱功能為蓄熱水箱，小水箱為供熱水箱。太陽(yáng)能集熱器、蓄熱水箱和供熱水箱均集中安置在建筑平屋面上，兩水箱容積根據(jù)太陽(yáng)能集熱器面積和用戶熱需求確定。在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，供熱水箱中的水經(jīng)過太陽(yáng)能集熱器循環(huán)加熱，蓄熱水箱則儲(chǔ)存太陽(yáng)能集熱器多余熱量和集中供熱熱網(wǎng)的熱量。為了減少對(duì)熱網(wǎng)的依賴，提高系統(tǒng)的節(jié)能效果，在管路安裝監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)，當(dāng)太陽(yáng)能集熱器吸收太陽(yáng)輻射所加熱的熱水能夠滿足熱用戶要求時(shí)，只利用太陽(yáng)能集熱器給用戶供熱，并將多余的熱量?jī)?chǔ)存到蓄熱水箱中；當(dāng)熱水不滿足用戶要求時(shí)，供熱水箱中的熱量一部分由太陽(yáng)能提供，另一部分由蓄熱水箱提供，利用監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)集中供熱熱網(wǎng)流量和太能能集熱器流量，使供熱水箱熱水溫度達(dá)到用戶要求。

該系統(tǒng)將蓄熱水箱與供熱水箱分開，一方面可使蓄、供熱水箱相互獨(dú)立，水溫互不影響，另一方面可以儲(chǔ)存多余熱量，增強(qiáng)系統(tǒng)能量分配的靈活性。因此整個(gè)系統(tǒng)對(duì)集中供熱熱網(wǎng)的依賴程度比單水箱小。在該系統(tǒng)中采用集中集熱-集中供熱方式，管理維護(hù)方便，并且該系統(tǒng)不易受樓層高低的限制，可以實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能熱能資源共享。然而該系統(tǒng)蓄、供熱水箱體積大，建筑結(jié)構(gòu)承載要求高；隨著建筑樓層和熱用戶的增加，熱用戶對(duì)熱水的總需求量增大，則太陽(yáng)能集熱器面積也相應(yīng)增大，可能出現(xiàn)集熱器面積遠(yuǎn)大于建筑設(shè)計(jì)安裝位置面積。

3 多水箱集中集熱-分散供熱系統(tǒng)

多水箱集中集熱-分散供熱系統(tǒng)的原理圖如圖4所示，該系統(tǒng)與雙水箱集中集熱-集中供熱系統(tǒng)相似，包括蓄熱水箱和多個(gè)供熱水箱，其中大水箱為蓄熱水箱，小水箱為供熱水箱。太陽(yáng)能集熱器、蓄熱水箱均集中安置在建筑平屋面上，而供熱水箱安置在各熱用戶陽(yáng)臺(tái)（大戶型）或廚房（小戶型），大戶型采用立式落地安裝，小戶型采用臥式掛墻半嵌入吊頂內(nèi)安裝，且兩水箱容積根據(jù)太陽(yáng)能集熱器面積和用戶熱需求確定。在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，蓄熱水箱可以儲(chǔ)存太陽(yáng)能集熱器多余熱量和集中供熱熱網(wǎng)的熱量。當(dāng)太陽(yáng)能集熱器吸收太陽(yáng)輻射所加熱的熱水能夠滿足熱用戶要求時(shí)，停止熱網(wǎng)供給系統(tǒng)熱量，直接利用太陽(yáng)能集熱器給用戶供熱，同時(shí)將多余的熱量?jī)?chǔ)存到蓄熱水箱中；當(dāng)熱水不滿足用戶要求時(shí)，太陽(yáng)能集熱器與集中供熱熱網(wǎng)聯(lián)合給熱水加熱，利用監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)兩部分流量混合比例，提高系統(tǒng)的節(jié)能效果，使供熱水箱熱水溫度達(dá)到用戶要求。

該系統(tǒng)采用分開式的供熱水箱，對(duì)熱用戶而言使用方便，安全可靠，不易受樓層高低的限制，并可以實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能熱能資源共享，同時(shí)供熱水箱相互獨(dú)立，互不影響；但該系統(tǒng)在安裝過程中需根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行布置，實(shí)現(xiàn)與建筑相協(xié)調(diào)，尤其是各熱用戶的供熱水箱應(yīng)合理的安裝在用戶能夠接受的位置；且該系統(tǒng)管路復(fù)雜，水箱成本高，導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)成本較高。

4 聯(lián)供系統(tǒng)的適用范圍和優(yōu)化措施

考慮到成本和后期的維護(hù)管理，系統(tǒng)管路應(yīng)盡可能簡(jiǎn)單化，使系統(tǒng)運(yùn)行更加安全可靠，維護(hù)管理更加方便簡(jiǎn)單。在實(shí)際工程中，單水箱分散集熱-分散供熱系統(tǒng)與其他聯(lián)供系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)適用于采光充足的低層建筑、高層建筑的高層及別墅等建筑中，而對(duì)于高層建筑的低層以及采光面積受限制的建筑不宜大規(guī)模推用。對(duì)于熱用戶較少的高層建筑，采用雙水箱集中集熱-集中供熱系統(tǒng)或多水箱集中集熱-分散供熱系統(tǒng)更合理，但供熱水箱的長(zhǎng)期使用存在水垢問題，且增加水箱數(shù)量將增大系統(tǒng)的成本，因此后兩種系統(tǒng)也將受到一定的限制。對(duì)于三種系統(tǒng)的特點(diǎn)，提出以下幾點(diǎn)優(yōu)化措施：

（1）根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)選擇合理的聯(lián)供系統(tǒng)。在實(shí)際工程中，在經(jīng)濟(jì)節(jié)能基礎(chǔ)上解決高層建筑的供熱問題是關(guān)鍵，在設(shè)計(jì)時(shí)可以考慮高層建筑的低層采用集中式系統(tǒng)，高層采用分散式系統(tǒng)，充分利用太陽(yáng)輻射區(qū)域，聯(lián)供系統(tǒng)的合理搭配是未來(lái)的研究方向之一。

（2）優(yōu)化系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)。在整個(gè)聯(lián)供系統(tǒng)中，時(shí)刻準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)并控制管路的溫度、流量、熱量等參數(shù)對(duì)系統(tǒng)節(jié)能效果、性能評(píng)估有直接影響，包括太陽(yáng)能集熱器供回水管路、集中供熱熱網(wǎng)供回水管路、水箱、進(jìn)出熱用戶管路等，使系統(tǒng)及時(shí)反饋室內(nèi)外環(huán)境變化信息，以控制閥門來(lái)調(diào)整各管路流量，達(dá)到能量的合理配比。

（3）提高太陽(yáng)能集熱器效益。在太陽(yáng)能集熱器面積設(shè)計(jì)過程中，由于集熱器面積設(shè)計(jì)過大導(dǎo)致無(wú)法安裝，若減小集熱器面積，將影響整個(gè)系統(tǒng)的節(jié)能效果。因此，在設(shè)計(jì)過程中，可以采用合理的集熱材料，選擇集熱效率高的太能能集熱器，以最小的集熱面積獲取最大的集熱效益。

（4）改善水箱儲(chǔ)水保溫性能。由于供熱水箱存在缺陷，工程中通常減小供熱水箱體積，增大蓄熱水箱的體積，容積的增大使得水箱外表面積增大，從而增大了水箱的熱損失。因此，采用合理的保溫材料，設(shè)計(jì)合理水箱結(jié)構(gòu)，有利于提高水箱保溫性能。

（5）優(yōu)化管路結(jié)構(gòu)。在系統(tǒng)中，管路的阻力和熱損失是系統(tǒng)能耗的主要來(lái)源之一。因此，簡(jiǎn)化管路結(jié)構(gòu)，縮短管路，減小管路熱損失和水利失衡，這對(duì)系統(tǒng)性能的提高有重要的意義。

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作者簡(jiǎn)介：楊志偉（1990-），男，江西安福人，碩士研究生，暖通助理工程師，從事地鐵環(huán)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)、隧道防災(zāi)通風(fēng)設(shè)計(jì)及流體力學(xué)模擬仿真等。