北京市太阳能研究所集团有限公司/何梓年
摘要：本文以天津顶秀欣园小区项目和北京美立方小区项目为例，介绍了这两套太阳能集中-分散供热水系统的基本组成、运行原理、结构特点及运行性能，从而说明它们在高层住宅中应用时所具有的使用经济、管理便捷、利益均衡、安全可靠、建筑协调等诸多优点。
1前言
太阳能热水系统是解决建筑节能、保障广大城镇居民生活热水的有效途径。按系统的集热与供热水方式进行分类，可分为：集中供热水系统、集中-分散供热水系统、分散供热水系统。
所谓集中-分散供热水系统，是指采用集中的太阳能集热器和分散的供热水箱供给各个用户所需热水的系统。我国大中型城市大多以高层住宅为主，针对这种特点，集中-分散供热水系统是最适用的太阳能热水系统之一。
我国科技人员近年来采用性能优良的热管式真空管集热器，先后在天津顶秀欣园小区和北京美立方小区的高层住宅中，分别建成了太阳能集中-分散供热水系统，取得良好效果。
2天津顶秀欣园项目
天津顶秀欣园经济适用房项目位于天津市东丽区华明镇新家园居住区。该地块包括4个居住团，共有26栋楼，住户2424户。其中，西侧和北侧为8栋20层，南侧为6栋11层，中间部分为6栋16层和6栋18层，天津顶秀欣园太阳能集中-分散供热水系统效果图如图1所示。
天津顶秀欣园的太阳能热水系统采用集中集热、分散供热水系统，于2009年建成并投入运行。该系统采用北京市太阳能研究所集团有限公司研制、生产的热管式真空管集热器，共安装太阳能集热器1492组，总采光面积2984m2，平均每户1.23m2。
图1天津顶秀欣园太阳能集中-分散供热水系统
2.1系统构成
整个系统包括32个子系统。每个子系统都分别采用集中集热、分散供热水系统，即太阳能集热器集中安装在每栋楼的屋顶上，每户安装一台换热式水箱，每个子系统都分别采用两套循环系统：一套是集热循环系统，另一套是供热循环系统。集热循环系统由太阳能集热器、储热水箱、太阳能循环泵、循环管路等组成。集热器集中安装在坡屋顶，储热水箱、太阳能循环泵安装在楼顶设备层内。供热循环系统由用户换热水箱、热水循环泵、立管和支管等组成。用户换热水箱安装在每户的卫生间内，通过立管与储热水箱连接，构成换热回路。天津顶秀欣园太阳能工程如图2所示。
图2天津顶秀欣园太阳能工程
2.2系统运行原理
集热循环系统采用温差循环原理控制，供热水循环系统采用温差循环和定温双重原理控制，运行原理图如图3所示。集热循环与供热循环都使用PLC控制器统一控制，并可根据实际情况调节运行参数，以达到最佳的运行效果。
图3天津顶秀欣园太阳能热水系统运行原理图
对于集热循环系统，考虑到北方冬天的环境温度较低，本系统采用排空回流和低温循环的方式进行防冻；另外，由于夏季太阳辐照度较高，集热器有可能出现过热问题，因此可以调节控制器的运行参数，以降低循环温差来防止过热问题。
对于供热循环系统，需要在每个用户换热水箱中都配备一个1.5kW水电隔离的电加热器，当太阳能提供的热量不足以满足用户需求时，用户可以自行对换热水箱进行补热。
2.3系统供热均匀性测试
根据对中高层建筑太阳能热水系统供水回路水力计算，表明建筑中间层的流动阻力较大。为了考察本集中-分散供热水系统的供热均匀性，已选取其中一栋楼的中间层（6层）和顶层（11层）进行了测试，其结果如图4所示。
图4第6层和第11层用户水箱出水温度变化曲线图（时间：2009.10.14）
3北京美立方小区项目
3.1项目概况
北京地区位于东经116°26'，北纬39°56'，水平面上年平均日太阳辐照量为14.180MJ/m2，当地纬度倾角平面上为16.014MJ/m2。美立方小区位于北京市朝阳区北苑路大羊坊，占地4.4万m2，总建筑面积16万m2；共有5栋建筑，楼层数最低为13层，最高为20层，屋顶均为平顶；住宅主力户型为两居室和三居室，共计2112户。
小区的太阳能热水系统采用集中集热、分散供热水系统，于2011年6月起陆续投入使用。
本太阳能热水系统的规模：安装热管式真空管集热器1160组、总采光面积2320m2、每户平均集热器面积1.10m2。北京美立方小区太阳能工程如图5所示。
图5北京美立方小区太阳能工程
3.2系统组成
北京美立方小区整个太阳能热水系统包括5套独立的子系统，每套子系统都分别采用集中集热、分户供热系统。太阳能集中-分散供热水系统示意图如图6所示。
每套集中-分散供热水系统都由集热器阵列、储热水箱、太阳能循环泵、循环管路、控制柜、换热水箱、供水管路、控制器等组成。集热器阵列集中安装在建筑物的屋顶上，缓冲水箱、太阳能循环泵等安装在楼顶设备层内；集热系统以水为传热介质，采用温差循环原理运行；在冬季夜间将循环管路中的水排入缓冲水箱，以达到防冻目的；换热水箱安装在每户卫生间内，通过供水管路与缓冲水箱连接；传热介质经由换热水箱内的换热器，将热量传递给生活热水供用户使用。
3.3结构特点
北京美立方小区的太阳能热水系统除了一般集中-分散供热水系统的共同优点之外，还有两个显著的特点：
（1）采用热管式真空管集热器
热管式真空管集热器是由北京市太阳能研究所集团有限公司自行研制、生产的，它是金属吸热体真空管中的一种，具有如下优点：
1.启动快（热管工质的热容量极小）；
2.耐冰冻（真空管内无水且采用抗冻型热管）；
3.抗冰雹（采用高强度的硼硅玻璃）；
4.保温性能好（热管具有“热二极管效应”）；
5.承压能力强（采用金属吸热体）；
6.耐热冲击性能好（采用金属吸热体）；
7.运行安全可靠（真空管与连集管之间采用“干性连接”）；
8.易于安装维修（采用“干性连接”）。
经国家太阳能热水器质量监督检验中心（北京）检测，热管式真空管集热器的瞬时效率曲线（基于集热器采光面积、工质进口温度）为：
用户换热水箱是集中-分散供热水系统的关键部件，带翅片套筒式搪瓷内胆换热水箱结构如图7所示。
换热水箱采用钢板搪瓷内胆，以提高水箱的承压能力与防腐性能；采用聚氨酯整体发泡，以提高水箱的保温性能；采用带翅片套筒式换热器，以提高换热器的传热性能；采用镁阳极保护，以提高生活热水的水质；采用内置电热管作为辅助加热，以确保全天候供应热水。
为了满足两居室和三居室用户的不同需求，设计了容积分别为60L和80L两种换热水箱。
3.4运行性能测试
2012年2月16日至2月20日，对美立方小区中的一套太阳能热水系统进行了连续五天的测试，内容包括系统的集热性能和供热性能。集热性能主要测量了太阳能集热系统的日平均效率。每天从早晨9点到下午5点，分别测量了全天的系统得热量和太阳辐照量，从而得出集热系统的日平均效率，并同时测量了当天的室外最高气温和最低气温，测试结果如表1所示。
供热性能主要测量了各用户放水时的小时平均得热量。以2月17日晴天为例，在下午5点时，对低层（第2层的两户）、中层（第9层的一户）、高层（第16层的两户）的五个用户水箱，分别测量了它们的小时平均得热量，并同时测量了各户水箱内的最高温度，测试结果如表2所示。
由表1和表2的测试结果可见，本太阳能热水系统具有如下性能：
（1）良好的集热性能：即使在室外气温很低的冬天，集热系统的日平均效率仍在35％~44％范围，满足设计要求。（2）卓越的换热性能：即使在室外气温很低的冬天，低、中、高层各用户水箱的最高温度都达到53℃～56℃范围，满足使用要求。（3）均衡的供热性能：在同一套系统内，低、中、高层各用户水箱的小时平均得热量之间的不平衡率在±4.2％~±7.7％范围，满足用户要求。
4结语
天津顶秀欣园和北京美立方小区两个项目再次说明，在城市高层住宅中应用太阳能集中-分散供热水系统，具有如下多项明显优点：
（1）使用经济性。用户无须支付太阳能产生的热量费用，仅须支付循环水泵的电费，公摊费用低，只在太阳辐照不足时才需支付自家消耗的电费；
（2）管理便捷性。集热器及循环控制设备等均设置在公共空间，便于物业统一管理和维护，能够更有效地保证系统长期正常运行；
（3）利益均衡性。在城市建设用地紧张的情况下，可最大限度地实现利益均衡，即使低层住户也能享受到太阳能所带来的便利和实惠；
（4）安全可靠性。集热器集中安置在楼顶，没有坠落隐患，系统整体运行平稳，使用寿命长；
（5）建筑协调性。集热器统一安装在屋顶采光最好的位置，与各户实际日照条件无直接关系，真正实现“建筑一体化”的理念。
