摘要 本文簡要闡述了太陽能集中供熱系統(tǒng)的主要運行方式，各自的特點，以及強(qiáng)制循環(huán)系統(tǒng)的各種控制方式。
關(guān)鍵詞 太陽能集中供熱系統(tǒng) 系統(tǒng)原理 運行方式 控制方式
0 前言
太陽能熱水系統(tǒng)根據(jù)集熱系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)及供水方式的不同，可以分為3類：分戶集熱—分戶儲熱式；集中集熱—分戶儲熱式；集中集熱—集中儲熱式。
集中集熱—分戶儲熱式太陽能熱水系統(tǒng)，是指太陽能集熱器集中、統(tǒng)一規(guī)劃安裝于建筑物屋面部分。儲水箱、輔助加熱系統(tǒng)按終端用戶為單位獨立設(shè)置的太陽能熱水系統(tǒng)。
集中集熱—集中儲熱式太陽能熱水系統(tǒng)，是指太陽能集熱器、儲水箱、輔熱設(shè)備全部集成化，統(tǒng)一安裝儲熱器，統(tǒng)一設(shè)置集中儲水箱及輔助加熱設(shè)備，然后將熱量再分配至各用水終端的太陽能熱水系統(tǒng)。太陽能集中供熱系統(tǒng)是目前高層建筑應(yīng)用較多的一種太陽能熱水系統(tǒng)供熱方式。
1 太陽能熱水系統(tǒng)的主要運行方式
按太陽能集熱系統(tǒng)運行方式劃分，可將太陽能熱水系統(tǒng)分為自然循環(huán)系統(tǒng)、直流式系統(tǒng)和強(qiáng)制循環(huán)系統(tǒng)。
1.1 自然循環(huán)系統(tǒng)
自然循環(huán)系統(tǒng)（見圖1）的動力為傳熱工質(zhì)溫度差的密度差導(dǎo)致的熱虹吸作用。在自然循環(huán)系統(tǒng)中，貯熱水箱中的水在熱虹吸作用下通過太陽能集熱器被不斷加熱，并將自來水的壓力頂至用戶使用。
1.2 直流式系統(tǒng)
直流式系統(tǒng)（見圖2）是利用控制器使傳熱工質(zhì)在自來水壓力或其他附加動力作用下，直接流過太陽能集熱器加熱系統(tǒng)。直流式系統(tǒng)一般采用定溫放水的控制方式，當(dāng)集熱系統(tǒng)出水溫度達(dá)到設(shè)定溫度時，水閥打開，集熱系統(tǒng)中的熱水流入熱水貯水箱中；當(dāng)集熱系統(tǒng)出水溫度低于設(shè)定溫度時，水閥關(guān)閉，補充的冷水停留在太陽能集熱器中吸收太陽能被加熱。
直流式系統(tǒng)只能是直接式系統(tǒng)，造價較低，在國內(nèi)中小型建筑中使用較多；由于存在生活用水可能被污染、太陽能集熱器易結(jié)垢和防凍問題不易解決的缺點，國外很少使用。
1.3 強(qiáng)制循環(huán)系統(tǒng)
強(qiáng)制循環(huán)系統(tǒng)是利用溫差控制器和循環(huán)水泵使系統(tǒng)根據(jù)集熱系統(tǒng)得熱量強(qiáng)制循環(huán)傳熱工質(zhì)加熱的系統(tǒng)。系統(tǒng)由水泵驅(qū)動。強(qiáng)制循環(huán)系統(tǒng)的形式較多，主要有直接式和間接式兩種，而這兩種又可以再分為單水箱方式和雙水箱方式，如表1所示。
表1 強(qiáng)制循環(huán)的分類
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大類
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小類
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控制方式
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特點
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適用場所
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直接式
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單水箱方式
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定溫放水或溫差循環(huán)
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系統(tǒng)蓄熱功能弱，而且建筑上部荷載大。
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適用于自來水壓力不穩(wěn)定，熱水供應(yīng)規(guī)模較小，對熱水質(zhì)量和建筑物外觀要求不高的場所。
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雙水箱方式
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定溫放水或溫差循環(huán)
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系統(tǒng)蓄熱功能增強(qiáng)，減小建筑上部荷載，但水箱熱損增加。
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適用于自來水壓力不穩(wěn)定，熱水供應(yīng)規(guī)模不大，對熱水質(zhì)量要求嚴(yán)格，對建筑物外觀要求不太嚴(yán)格的場所。
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間接式
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單水箱方式
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溫差循環(huán)
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系統(tǒng)蓄熱功能弱，而且建筑上部荷載大。
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適用于自來水壓力穩(wěn)定，熱水供應(yīng)規(guī)模較大，對熱水質(zhì)量和建筑物外觀要求嚴(yán)格的場所。
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雙水箱方式
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溫差循環(huán)
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系統(tǒng)蓄熱功能增強(qiáng)，減小建筑上部荷載，但水箱熱損增加。
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適用于熱水供應(yīng)規(guī)模大，對熱水質(zhì)量和建筑物外觀要求嚴(yán)格，且水質(zhì)要求高的場所。
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強(qiáng)制循環(huán)系統(tǒng)太陽能集中供熱系統(tǒng)的發(fā)展方向，根據(jù)不同的場所會有不同的系統(tǒng)方式。對于強(qiáng)制循環(huán)系統(tǒng)的太陽能集熱器、水箱的放置是非常重要的一環(huán)。太陽能集熱器主要放置于屋面，如果需求量較大或限于屋面結(jié)構(gòu)，為了放置更多的太陽能集熱器，太陽能集熱器可能會分成幾個矩陣，那么每個矩陣應(yīng)配置一個小型的貯熱水箱，太陽能集熱器矩陣與貯熱水箱之間利用泵形成強(qiáng)制循環(huán)。根據(jù)建筑物的承載情況，或者原建筑已有設(shè)施，供熱水箱可能會放置在屋面或者地下室（機(jī)房或設(shè)備層）。貯熱水箱里的熱水匯合至供熱水箱，再由泵供給熱用戶使用。同時具有貯熱水箱和供熱水箱，一來可以增強(qiáng)儲熱能力，分散建筑的承壓；二來可以保證恒溫供水，提供更高質(zhì)量的熱水。一般來說對于星級酒店、高檔小區(qū)、學(xué)校、醫(yī)院等供熱要求質(zhì)量高的場所是非常有必要的。
2 太陽能熱水系統(tǒng)的控制方式
對于強(qiáng)制循環(huán)系統(tǒng)雖然有許多不同的形式，但是都是通過幾種控制方式來完成整個系統(tǒng)功能的，主要有定溫放水、溫差循環(huán)、最低水位控制、輔助熱源控制、供熱末端回水循環(huán)等。現(xiàn)在還有一種是將變頻技術(shù)應(yīng)用于太陽能熱水系統(tǒng)，對供水管路中的壓力進(jìn)行監(jiān)測，把監(jiān)測到的壓力值與設(shè)定值進(jìn)行PID計算，然后將信息傳遞給變頻器，變頻器再調(diào)整電機(jī)的頻率，從而改變泵的輸出流量與壓力，達(dá)到保持恒定壓力與節(jié)能的目的。圖3為強(qiáng)制循環(huán)系統(tǒng)。
圖3 強(qiáng)制循環(huán)系統(tǒng)
2.1 集熱器定溫放水
在光照條件下，當(dāng)太陽能集熱器內(nèi)水溫達(dá)到設(shè)定溫度值時（可在0～100℃以內(nèi)任意設(shè)定，一般設(shè)定在55℃），控制器使定溫電磁閥自動開啟，自來水進(jìn)入太陽能集熱器，并將太陽能集熱器內(nèi)達(dá)到設(shè)定溫度的熱水頂入貯熱水箱；當(dāng)太陽能集熱器內(nèi)水溫低于設(shè)定值時，電磁閥自動關(guān)閉。周而復(fù)始，直到貯熱水箱滿水位。
2.2太陽能熱水系統(tǒng)溫差循環(huán)加熱
當(dāng)貯熱水箱水滿時，控制器使系統(tǒng)自動轉(zhuǎn)入溫差循環(huán)。即當(dāng)太陽能集熱器內(nèi)水溫高于水箱水溫時，控制器使循環(huán)水泵按溫差變頻方式自動啟動，將水箱內(nèi)較低溫度的水打入太陽能集熱器，而將太陽能集熱器內(nèi)高于水箱溫度的熱水頂入貯熱水箱；當(dāng)太陽能集熱器內(nèi)水溫不高于水箱水溫時，控制器使循環(huán)水泵自動停止。
2.3 水箱最低水量保持
控制器隨時檢測貯熱以及供熱水箱水位，當(dāng)?shù)陀谧畹驮O(shè)定保持水位時，控制系統(tǒng)會使輔助加熱自動啟動，并通過太陽能向水箱補水，直至達(dá)到最低保持水量熱水時，輔助熱源及定溫電磁閥自動停止。
2.4 輔助熱源加熱控制
根據(jù)太陽能熱水系統(tǒng)晴天時產(chǎn)水標(biāo)準(zhǔn)或用戶設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)，電腦控制器隨時對水箱水量、水溫進(jìn)行檢測。當(dāng)陰雨天或光照不足，太陽能熱水系統(tǒng)產(chǎn)熱水量不足時，自動啟動輔助熱源系統(tǒng)；當(dāng)水箱水溫高于設(shè)定值時，太陽能定溫電磁閥自動打開，冷水進(jìn)入太陽能集熱器，而將太陽能集熱器內(nèi)的水頂入貯熱水箱；當(dāng)水箱水溫低于設(shè)定值時，電磁閥自動關(guān)閉。如此不斷循環(huán)使水箱熱水不斷增加，當(dāng)貯熱水箱達(dá)到檢測水量時，輔助熱源自動停止。
2.5 供熱末端回水循環(huán)控制
當(dāng)控制器檢測到用戶末端的水溫低于設(shè)定值時（一般設(shè)定為30℃），回水循環(huán)泵啟動將回水管路中的較低溫水抽回至供熱水箱，同時將供熱水箱中較高溫水輸送至用戶，向用戶供應(yīng)熱水；當(dāng)溫度達(dá)到設(shè)定值時（一般設(shè)定為55℃）停止。此泵也可以當(dāng)作增壓泵使用，在程序中設(shè)定即可。當(dāng)用戶高峰用水時，此泵自動打開供水，提高管道供水量及壓力，滿足用水高峰時的需求。
2.6 定時供水
為了節(jié)省用水用電，有的系統(tǒng)還會設(shè)定分時段供水。這種方式特別適應(yīng)小區(qū)、學(xué)校等用水時段相對穩(wěn)定的場所。定時供水只需在控制器中直接設(shè)定即可，一般來說設(shè)定早、中、晚3個時間段，如07：00～09：00；11：00～13：00；17：30～22：00，當(dāng)然時間段是可以根據(jù)用戶需求調(diào)整的。
3 太陽能熱水系統(tǒng)運行方式的選擇原則
太陽能熱水系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)遵循節(jié)水節(jié)能、經(jīng)濟(jì)實用、安全可靠、維護(hù)簡便、美觀協(xié)調(diào)、便于計量的原則，根據(jù)使用要求、耗熱量及用水點分布情況，結(jié)合建筑形式、其他可用能源種類和熱水需求量等條件，來選擇太陽能熱水系統(tǒng)的形式。
而太陽能熱水系統(tǒng)的控制方式，也是根據(jù)其運行方式、用戶需要達(dá)到的用熱品質(zhì)而決定的。
參考文獻(xiàn)：
1鄭瑞澄主編，民用建筑太陽能熱水系統(tǒng)工程技術(shù)手冊.化學(xué)工業(yè)出版社，2005
2中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)（GB 50364-2005）2005-12-05發(fā)布，民用建筑太陽能熱水系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)規(guī)范。
3中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 18712-2002） 太陽能熱水系統(tǒng)設(shè)計、安裝及工程驗收技術(shù)規(guī)范。
來源：中國太陽能工程（cdl）
