严寒地区高校集中太阳能热水系统
（合肥顺昌分布式能源综合应用技术有限公司）
太阳能是可再生绿色能源，取之不尽用之不竭，光热和光电是太阳能利用的两种直接形式。无论是光热还是光电，如今都已经得到了大规模的推广使用，2015年上半年全国新增光伏容量达到773万千瓦，预计到2015年底全国累计装机容量达到4600万千瓦；上世纪90年代真空管诞生以后，太阳能光热取得迅速发展，截止2014年底，全国太阳能集热器保有量累计4亿平方米，占全球规模的70%。
就经济性而言，太阳能光伏造价较高，如没有政策性价格补贴，在使用寿命期内难以收回投资；而太阳能光热早已显示出显著的经济性，造价相对低，能源替代性强，大约3～5年即可收回投入。国家正在转变以往重光伏而轻光热的政策，在宏观层面提升太阳能光热的地位，因此太阳能光热将会得到进一步的发展，特别是各地正在陆续强制推广太阳能-建筑节能一体化设计，将建筑节能与太阳能的利用直接关联，无疑会极大推动太阳能热水的应用。
我国幅员辽阔、气候差异大，在不同地区实施的太阳能光热，需根据当地气候选择不同形式的太阳能集热器和系统技术，以确保系统高效和可靠的运行，尤其是在严寒和寒冷地区所实施的太阳能热水工程，要经受严寒气温对运行可靠性的考验。不少太阳能集中热水项目，由于在设计及施工过程中认识不足，导致系统冻胀等意外情况的发生或者系统处于负效率的运行，给使用单位带来运行、管理维护、开支等多方面的负面影响。
早期高校集中热水洗浴收费都采取固定票价，即洗澡一次多少钱，而这种收费方式早已被证明是不可取的，大量的热水被浪费，学校每年都要在生活热水上投入相当一部分补贴。现在越来越多的学校实行学生洗浴刷卡、按时间或热量计费，收费与热水用量挂钩促进了学生的节约意识，实现了卫生热水的收支平衡。为适应刷卡收费要求，洗浴热水系统大多设计为单管，同时为减少管理工作量并降低洗浴能耗，浴室一般每天定时开放。
高校太阳能集中热水系统，它有自身的一些特征，如：定时开放、单管恒温供水、刷卡收费、洗浴高峰时段人数集中、峰值用水量大但人均热水用量少、寒暑假及小长假期间停用等。太阳能热水系统设计需充分考虑学校的实际，盲从标准设计和配置设备会导致系统与实际使用产生较大出入，使造价增加、运行浪费或不能较好满足需求。
合肥顺昌公司在多年的太阳能热水工程实践中，借鉴国内外成熟经验，准确把握用户需求，以太阳能最大化利用为核心，以保证系统长期可靠运行为关键，以智能化控制为手段，探索出在严寒地区行之有效的、经济而又合理的太阳能热水系统，在多地的实际运行中，得到用户的高度认可。我们也愿意与各地高校后勤管理工作者和技术同行共同交流、相互学习，促进太阳能热水技术的不断提高，让太阳能热水更好地服务于学校、服务于社会。
一、集热器选型
常见的太阳能集热器分为全玻璃真空管集热器（俗称“三高管”）、平板式太阳能集热器、热管式真空管集热器，热管式又分为金属热管和全玻璃双真空热管。集热器选型对太阳能系统能否高效可靠运行有着至关重要的影响，尤其是严寒地区，选型不合理可能会造成高投入、低产出，或者系统不能正常运转，维修维护频繁。
表1 各种太阳能集热器的性能对比表（当平板式集热器采用防冻液介质时）
从集热效果来看，全玻璃真空管得热量最多，是我国南方地区主流的集热器，除了阳台壁挂等场合需要考虑与建筑一体化美观等因素，屋面布置的太阳能基本都是该型式集热器，但在北方只能作为季节性使用；平板太阳能集热器及热管式真空管集热器的热吸收能力与之相比要低一些。
从热量的转移方式来看，全玻璃真空管和平板都是太阳直接加热集热器内的介质，而热管式真空管则是加热集热管内部的真空介质，真空介质再通过相变间接传热给联箱内的热水或热媒介质。
从热水的制备方式来看，三者都可以直接制备热水而不需要进行外部的换热，但通常平板太阳能集热器更多采用了配方溶液，因此一般采取外部换热方式。
从承压来看，全玻璃真空管只能承受0.1MPa以内的压力，否则集热管会从联箱胀开而出现漏水；平板、热管式真空管都能够承受0.6MPa甚至更高的压力。
从系统可靠性及维护量来看，全玻璃真空管的集热管子内部与联箱相通且采取插入方式连接，任何管子破损或胀开都会导致系统无法正常工作，因此全玻璃真空管可靠性较差，维修维护量相对较高。而平板、热管式真空管可靠性高，像热管式真空管，任何集热管的破损都不会影响系统正常工作，维修维护量较少。
从造价来看，金属热管式真空管集热器造价最高、其次为平板式集热器、再次为全玻璃双真空热管式集热器、而全玻璃真空管集热器造价最低。平板式集热器采用防冻液时，如将防冻液介质成本计算在内，平板式集热器造价更高。
从对水质的要求来看，如直接用水作为工作介质，平板要求最高、其次为全玻璃真空管集热器，热管式真空管管子内部为相变介质，即使水硬度很高，只需要对上下水管道进行除垢，相对来说较为容易并且除垢彻底。
从满足防冻性要求看，平板式集热器除非使用配方抗冻溶液，使用水作为介质基本不可能；全玻璃真空管，不管是竖插管还是横插管，管子内都充满水，即使是管道排空，除横插管子内水可部分流出外，竖插管水无法排出，防冻性差；热管式真空管集热器，集热管内无水，防冻性最好。
综合分析起来，全玻璃真空管集热器尽管造价低、得热效果好，但难以满足严寒地区的抗冻要求、无法实现排空、冬季得热量低、运行维护工作量大、水质要求高、不能承压，因此不太适合严寒地区常年使用；平板式集热器可以保证系统可靠运行，但造价高、热效率低，尤其是冬季热水制备能力差，运行效益低、经济性最低；金属热管式集热管造价高、使用过程衰减快，金属端盖与玻璃管热压封接合处由于材料的热胀冷缩系数不同，容易漏气、工程寿命短，经济性和持久性不强。
双真空热管式真空管集热器造价较低、衰减缓慢、可保持较为持久的集热效率、管子内无水存在，适合冬季排空及抗冻要求，系统维护量小，无论是造价还是运行经济性都具有较为显著的优势。因此，在严寒地区太阳能热水系统，最合理的集热器选型是双真空热管式全玻璃集热器。
二、太阳能安装面积
太阳能热水系统的设计，首先要测算热水用量，以确定合理的太阳能面积、水箱容量和辅助热源的配备。在《建筑给水排水设计规范》GB50015-003（009版）中没有明确高校学生洗浴热水设计定额，特别是在实行刷卡制时，因此热水用量可根据本学校历史热水消耗统计、该公共浴室拟解决的洗浴学生数量而定。在缺少历史数据情况下，可从本地招生为主还是全国性招生大体确定，根据我们长期从事高校热水系统工程经验，如8000在校生，在严寒地区热水用量可参考为：学校本地招生为主时每人每周1次，每人次50～60升，其中热水温度是实际水温而不是规范中所注明的60℃，日洗浴用水量大约在60～70吨之间；如全国性招生时，每人每4～5天1次，每人次50～60升，日洗浴用水量大约在80～100吨之间。新建学校的食堂与浴室往往设计在一个建筑内或相邻处，考虑到食堂一般不宜提供更多的人就餐，其设计规模大都在5000～10000人之间，集中洗浴建设规模基本与之匹配。自来水年平均温度按10℃选取、洗浴平均水温按42℃（夏季39～40℃、冬季42～43℃），集热效率50%、管路及水箱热损失按照20%，太阳能保证率按06SS128《太阳能集中热水系统选用与安装》中的推荐值选取，再根据倾斜表面月平均日太阳辐照总量计算所需铺设的太阳能集热面积。考虑检修通道、相互遮挡等因素，太阳能集热系统占地约为太阳能有效铺设面积的1.5倍。事实上往往学校与其解决学生就餐及洗浴人数所对应的屋面没有足够的场地安装太阳能集热器，太阳能保证率难以达到06SS128《太阳能集中热水系统选用与安装》中的推荐值，更多情况下都是按照屋面最大化布置太阳能。
三、水箱配备
水箱的有效容量要综合考虑在洗浴开放之前太阳能系统可以制备的热水量、洗浴热水实际需求量、辅助热源的形式及热功率而定。无论是24小时连续热水供应还是分时段热水供应，太阳能集热与热水使用之间都存在时间上的差异性，为提高太阳能的利用效率，水箱总容量一般要求能够完全储存当天太阳能的热水制备量，同时满足峰值热水使用需求，即水箱热水存水与辅助热源在线补充量应保证高峰期热水需要量，另外也要保证洗浴时段总热水需求。从理论上说采取顶水制备热水和温差强制循环制备方式都可行，考虑整个系统在严寒地区的安全可靠运行，采用温差强制集热循环为最佳方式，这里牵涉到非日照时段的排空以及洗浴管道末端低温回水的存储问题，较经济合理的水箱配备分为集热水箱及恒温水箱各一台，其各自容量根据实际情况确定，比如太阳能保证率较低而辅助热源加热功率小，那么配备较小的集热水箱和较大的恒温水箱，而在太阳能保证率较高且辅助加热热源功率较大情况下，两个水箱的容积趋于接近。正常情况下集热水箱容水处于较低水位，日照时段采取强制温差循环集热，集热水箱水温达到设定的使用温度时转移到恒温水箱，再向集热水箱补入冷水继续制备，在恒温水箱满水情况下，通过自动增加集热水箱液位高度的方法获得太阳能的热量。
四、辅助热源
鉴于太阳能与空气源的趋同性而不是互补性，即夏季气温高时太阳能和空气源效果都较好、而冬季太阳能和空气源运行效果都不理想，因此在严寒地区配备单一辅助热源情形下，空气源不是合适的选择，天然气通达地区，最稳定、经济的热源应为燃气生活锅炉，或者选择双热源，即气温较高季节采用空气源加热、气温较低季节采取燃气生活锅炉加热，但这会增加系统造价和维护量，需要在进一步经济技术分析后进行优化选择。大部分情况下如选择蒸汽或者电辅助加热，都不会有好的经济性，除非蒸汽来源是燃料成本较低的燃煤锅炉，或者采用谷电，就目前来说，一方面是严格限制燃煤锅炉，另一方面是学校自身需要创造良好的学习生活环境，高校使用燃煤锅炉的几乎寥寥无几；另外谷电蓄热在夜间，与热水使用存在很大的时间差异，蓄热水箱长时间的散热会造成其经济性下降，经济性也需要更好地验证。
辅助热源配备功率大小与太阳能集热系统安装面积无关，与热水使用总量、峰值用量及恒温水箱容量等有关，当热源功率超过峰值热水需要的负荷时，可实现在线热水制备；否则应提前制备，并设计足够的恒温水箱容量以供热水储存。辅助热源应有备用或应急措施，通常辅助热源配备功率约在1/4～1/3热水总需求的热负荷附近，即是说，当天气不好太阳能无法提供热水时，辅助热源提前3小时左右，再加上洗浴开放时段辅助热源动态制备的热水，完全满足全部热水需要。
五、抗冻方式
在GB/T18713-2002《太阳热水系统设计、安装及工程验收技术规范》及06SS128《太阳能集中热水系统选用与安装》中，推荐了几种抗冻方式，即排空、电伴热、间接系统充注抗冻介质。
间接系统采用抗冻介质可解决系统的抗冻问题，但由此而带来集热效率下降、冬季热水制备能力差等问题，并且系统复杂、造价较高，管道腐蚀较重等，不是严寒地区合适的抗冻方式。电伴热带抗冻在实际使用中存在诸多问题：削弱了管道保温效果，耗电量大甚至入不敷出，环境温度低再加上系统保温效果不好，使伴热带长时间在高负载下工作，最终导致伴热带烧损并引起管道冻裂、系统停用，严重者引起火灾。即使电伴热带能够满足抗冻要求，鉴于其使用寿命一般只有3～5年，使用数年后还得更换伴热带，增加了维护工作量和维护费用。因此伴热带解决系统抗冻问题，既不经济、隐患也多，除非迫不得已，否则尽量避免采取电伴热带抗冻。
无论从经济还是技术角度，排空是太阳能系统最佳抗冻方式，很多太阳能工程企业宣称其系统先进、可最大化利用太阳能，倘若设计和运行控制没有采取排空方式，就谈不上太阳能利用的最大化。我们提出一个概念，排空不仅仅是为了冬季抗冻，更是为了最大限度减少太阳能收集以后热量的损失，从而提高太阳能系统的收益。因此排空并不只限于冬季、也不仅仅是夜间，而是全年，只要没有一定的光照强度，系统将会排空，避免管道和集热器散热引起热量的丢失，只有在光照达到一定强度情况下，才会向集热系统泵水。这也是我们在严寒地区太阳能集中热水系统设计中排除平板集热器的重要原因之一。
采用排空设计时，集热水箱低于集热器安装高度，集热器及管道内的存水通过自重回流到集热水箱，集热系统运行中，预留集热水箱空间以便容纳集热系统排空水量。为减少水箱散热和防止设备冻结，一般将水箱和循环系统动力设备及仪表阀门等放置于室内。
六、运行控制
太阳能集中热水系统以PLC加触摸屏控制方式，实现智能化运行。主要包括以下方面：
1、自动上水与排空
无论气温和时间，只要检测到室外光照强度达到设定值，集热循环泵开始启动从集热水箱向集热系统泵水直至系统满水；反之，当室外光照强度低于设定值并持续一段时间，自动打开排空阀，将集热系统存水回流到集热水箱。
2、太阳能温差循环加热
检测集热器上端水温高出集热水箱水温若干度时，集热循环泵启动进行温差循环，直到两者温差小于另一更小的设定值时停止。
3、定温制水
当集热水箱水温达到设定的使用温度时，将热水通过水泵转移至恒温水箱储存备用，同时上水电磁阀打开向集热水箱补充冷水，进行再次制备。
4、辅助加热
在洗浴开放时段之前，检测恒温水箱液位的液位和水温，根据系统配置和洗浴用水量，提前启动辅助热源预制热水以保证足够的恒温水箱存水高度，满足洗浴总用水供应量和峰值用水，在此过程PC通过计算自动适当调高预制热水温度，通过与水箱存水的掺混，将水温调整在设定的洗浴温度；同时，恒温水箱预留一定的空间以便容纳从集热水箱转移来的符合要求的热水。辅助加热设备的水源来自于集热水箱，即使集热水箱水温不满足使用要求，但由于通过太阳能集热系统循环加热而提高了基础水温，节省了后续加热设备的能源消耗，从而充分利用了太阳能。
5、洗浴管道末端低温回水
洗浴开始及运行过程中，通过检测热水管道末端水温，将管道内不适合洗浴的低温水回到集热水箱，保证洗浴过程中任何时候打开任何水龙头即可迅速获得热水，避免无谓的热量和水资源的浪费、适应刷卡洗浴的水温要求。
6、变频供水
根据洗浴龙头数量和管道系统布局，选择合适的水泵，其流量和压头满足峰值用水要求，鉴于洗浴人数处于动态变化中，采取变频恒压供水，保证洗浴水流稳定，同时减少不必要的耗电。
7、恒温水箱变液位控制
总体上，恒温水箱液位控制随着洗浴时间的延长而逐渐降低，一般在峰值用水之后直至洗浴结束处于低水位，以保证水箱剩余水尽可能少，减少隔夜散热损失，并方便次日有足够空间接收来自太阳能集热系统的热水。
七、实例分析
北方某地高校，在校生近10000人，本地招生为主。浴室和食堂分别为独立建筑，浴室一层、食堂为二层，两者相距8米，浴室和食堂之间场地建有热水设备间，原安装20吨热水箱，通过学校的燃煤蒸汽锅炉提供的蒸汽加热学生洗浴热水。为响应本地环保要求，同时本地太阳能资源较好，因此采取 “热管式太阳能集热器+生活燃气热水机组”组合补偿模式进行改造，满足在校学生的洗浴热水需求。
根据本地生活习惯，设计按平均约每周每人洗澡一次，每次约50～60升，每天洗浴热水60吨（单管制恒温供水），刷卡收费，收费标准0.25元/分钟。
表2 本地气象参数（倾斜面的角度等于当地纬度）
从上表可以看出，本地年均气温较低只有3.3℃、1月份平均气温接近—20℃、极端最低气温在—40℃以下，但年水平面太阳辐照量达到6167MJ/㎡，年日照时间3316小时，属于Ⅱ类太阳能资源较丰富地区，考虑学校的太阳能为全年使用，集热器设计采用倾斜安装。12月份辐照量最低，其辐照量是最高的3月份的77%，即是说，无论季节月份，从理论上都可以较好地全年利用。造成冬季与夏季太阳能集热效果差异迥然的主要原因，除了冬天太阳能辐照量较小外，还因为环境温度造成管道散热不同，因此系统设计至关重要，如集热器型式、集热方式、管道保温做法、抗冻措施等都对运行效果有直接影响。
某高校太阳能集中热水系统示意图
两栋楼屋面的可布置太阳能面积不到900㎡，根据现场实际，设计方案在浴室和食堂屋面最大化分别安装两个片区双真空热管型太阳能集热器52组和100组，单组集热器集热面积3.75㎡，合计太阳能集热器有效面积570㎡，安装φ58×1800-20双真空管3040支，由于太阳辐照强度较高，太阳能保证率约为0.51，符合06SS128中太阳能保证率0.5～0.6的推荐值区间。
设计将原有20吨热水箱改为集热水箱，自来水接入集热水箱，增加一台60吨恒温水箱。太阳能分为两个片区进行温差集热循环，各自配备集热循环泵，水泵进出口之间加装自动排空阀，每个片区太阳能阵列末端为最高点，设有大气连通管，管道从高点分别坡向上水管和回水管。管道保温采用聚氨酯瓦壳，外护铝板。
设备间另外安装辅助热源，2台0.35MW燃气生活锅炉，热效率≥94%，正常情况下1用1备，极端情况同时启动制备热水；安装2台变频水泵，恒压供水；洗浴管道末端安装有低温回水电动阀。所有的水泵及配电控制系统均安装于设备间。
该系统运行逻辑如下：
集热水箱上水到较低液位，检测到光照时，分别向两片集热系统泵水，当集热器联箱与集热水箱水温差达到7℃时，启动温差循环泵，当温差小于2℃时，集热停止；当集热水箱温度达到使用要求时，泵送至恒温水箱储存待供，同时向集热水箱补入冷水继续温差循环加热。浴室开放前约2小时，检测恒温水箱水位及温度，启动燃气生活锅炉，由集热水箱泵水加热将恒温水箱水位增加到合适高度，燃气生活锅炉出水温度由PLC根据当前水箱液位及温度自动计算确定。浴室开放前若干分钟，启动变频供水泵，将管道存留冷水通过末端回流至集热水箱后进入正常热水供应状态，直至洗浴开放时间结束，在此过程中，动态控制恒温水箱液位并逐步降低、洗浴管道末端回水阀根据检测水温自动开闭、太阳光照不足时，自动打开排空阀放水至集热水箱。
该系统于秋季开学时投入使用，日洗浴人数从600～1100人不等，周末人数较少，平均约850人/天，日洗浴水量33～60吨，平均每天约49吨，每人次平均用水量大约55升。由于水从集热水箱向恒温水箱及生活热水锅炉转移时，未安装热量计，因此太阳能对热水的贡献率难以清晰界定。从运行情况看，9月份天气较好且洗浴人数较少时，辅助热源基本无需启动；10月天气较好且洗浴人数较少时，洗浴后期水量不足，需要燃气生活锅炉制备部分热水补充；11月份在同样情况下，约有1/3热水来自燃气生活锅炉补充。分析来看，本地9月、10的光照辐照量较高，而11月份相比减少了20%以上；气温下降会造成管道及水箱散热损失增加；自来水温度随着冬季的到来也逐月下降，如9月自来水温度可以达到10℃，而11月份只有5℃，需要更多的热量将水加热到需要的温度；同样由于气温的下降，热水供水温度从9月的40℃增加到11月份的43℃，也使得单位热水耗能增加。
从11月份下旬开始，该地的最低气温都在-25℃以下，极端最低气温超过-30℃，即便如此，太阳能系统仍然发挥了良好作用，主要表现在，一是无须通过伴热带伴热实现抗冻，节省了大量电力，其集热效率值为正值，而不像有些太阳能系统所获得的热量还抵偿不了伴热带的电力消耗；其次也不像一些间接换热系统，每天介质从很低的接近室外温度开始升温，日出之后需要相当长时间将介质温度上升到可以利用的温度，很快由于光照不足只能停止换热，冬季热水制备量少的可怜。双真空热管式集热系统以水为介质直接加热和制备，符合使用要求的水直接转移到恒温水箱供使用，即使是达不到使用温度的水由于太阳能提升了水初始温度，减少了辅助热源的消耗；并且只有在日照时段集热系统才会泵入水工作，非日照时段自动排空减少了系统水在夜间及阴雨雪天气的反向散热。因此与其它太阳能热水系统相比，本系统的效益大幅度提升。
测算9～11月份平均每天太阳能有效获取的热量为4510MJ，本地天然气为管道LNG，热值大约37.7MJ/Nm3，燃气价格3.9元/m3，太阳能日均节省燃气131m3、节省费用511元。鉴于学校每年寒、暑假期太阳能系统停用，再扣除小长假，年实际有效使用天数约275天，年可节省燃气36025m3、节约燃料费用14万元。由于无论是否安装太阳能，燃气生活锅炉及恒温水箱、供水泵均是满足洗浴必不可少的设备，因此太阳能集热系统的实际造价50万元多一点，运行四年即可收回系统投资，具有很好的社会经济效益。
八、结束语
如今，太阳能集中热水系统在许多公共建筑中得到推广使用，其经济性也毋庸置疑，但在不同地区、不同条件下系统的方案，应区别对待、因地制宜、深入论证、合理规划，特别是在严寒地区实施的太阳能热水工程，要从实际出发，从设计、施工到后期管理，严格遵守相关标准和规范，盲目设计和施工，都将给系统可靠运行带来负面影响。顺昌公司在严寒地区实施的太阳能集中热水工程运行实践证明，合理的设计方案和规范的施工是能否长期稳妥、高效、可靠运行的关键，只有这样才能使整个系统充分利用太阳能资源，获得良好的运行经济性，实现节能减排目标。
