1、項目與系統(tǒng)簡介
1.1項目概況
中國建筑設(shè)計院有限公司與某太陽能企業(yè)共同研發(fā)了具有創(chuàng)新性的無動力太陽能熱水系統(tǒng)，較好地解決了傳統(tǒng)太陽能系統(tǒng)存在的問題。系統(tǒng)成功應(yīng)用于北京某大學(xué)工程項目中，通過對該項目無動力太陽能熱水系統(tǒng)實際測試，介紹分析無動力太陽能熱水系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)參數(shù)。
已竣工工程為學(xué)校一期項目，包括學(xué)生食堂、3棟學(xué)生宿舍；其中3棟學(xué)生宿舍A、B、C樓總建筑面積43535m2，針對項目A樓太陽能熱水系統(tǒng)進行測試。本項目2015年9月投入使用，入住學(xué)生3700人，均為本科學(xué)生，每棟學(xué)生宿舍設(shè)一套獨立的集中式太陽能熱水系統(tǒng)，每層設(shè)置集中淋浴間，宿舍內(nèi)衛(wèi)生間不再設(shè)淋浴噴頭。
1.2太陽能熱水系統(tǒng)
學(xué)生宿舍A樓服務(wù)人數(shù)為1008人，熱水設(shè)計最高日用水定額為60L/（人·d），平均日用水定額取最高日的50%，為30L/（人·d），設(shè)計熱水溫度為60℃，設(shè)計冷水溫度取北京地區(qū)年平均環(huán)境溫度11.5℃，設(shè)計太陽能保證率為50%。
經(jīng)計算，屋頂實際安裝太陽能集熱裝置總面積為365.4m2，共設(shè)置84組集熱裝置；太陽能集熱裝置正南向布置，根據(jù)建筑師的要求，盡量降低集熱裝置對建筑景觀的影響，集熱裝置安裝傾角為15°；輔助熱源為學(xué)校鍋爐房提供的鍋爐熱水，屋頂機房設(shè)置2個2m3的半容積式換熱器；學(xué)生宿舍A樓共6層，每層集中設(shè)置淋浴間，淋浴間內(nèi)設(shè)恒溫混水閥，原設(shè)計采用單管供水模式，根據(jù)業(yè)主要求，安裝時增加了冷水支管。
2、系統(tǒng)測試
根據(jù)《太陽熱水系統(tǒng)性能評定“規(guī)范”》（GB/T20095-2006，以下簡稱規(guī)范）對系統(tǒng)熱性能進行三期性能測試。一期、二期測試由北京工業(yè)大學(xué)師生團隊和中國建筑設(shè)計院團隊負(fù)責(zé)完成；三期測試委托獨立第三方中國建筑科學(xué)研究院國家太陽能熱水器質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心(北京)進行檢測。
2.1一期測試
測試時間為2015年8月，期間沒有學(xué)生入住，輔助熱源尚未啟用，選取1A、2B、3B、4B共4組集熱裝置貯熱水箱為測試對象，根據(jù)規(guī)范對系統(tǒng)的升溫性能、貯熱水箱保溫性能和系統(tǒng)連續(xù)供熱能力進行測試。
2.1.1升溫性能測試
?。?）測試方法。于2015年8月9日對系統(tǒng)進行升溫性能測試，測試時間為8∶00～16∶00，共8h。試驗期間，關(guān)閉進水和出水閥門，輔助熱源關(guān)閉。每小時記錄1次數(shù)據(jù)。
水箱升溫應(yīng)折算成標(biāo)準(zhǔn)太陽能輻射為17MJ/(d·m2)時的數(shù)值，貯熱水箱的溫升Δt17用式(1)計算：Δt17=17(te-tb）H（1）式中H——太陽集熱裝置采光口所在平面的太陽輻照量，MJ/m2；
tb——集熱試驗開始時貯水箱中水的平均溫度，℃；
te——集熱試驗結(jié)束時貯水箱中水的平均溫度，℃。
（2）測試結(jié)果見表1?？鄢?B號水箱，得出8月9日水箱平均升溫為28.1℃，優(yōu)于“規(guī)范”中溫升≥25℃的要求。
2.1.2保溫性能測試
?。?）測試目的與方法。集熱裝置貯水箱在室外且散熱面積加大，其散熱量對系統(tǒng)效率影響較大，需要準(zhǔn)確測試其保溫性能和對系統(tǒng)效率的影響。保溫性能試驗從晚上8：00至第二天早晨6：00，試驗時間共計10h。測試期間，關(guān)閉進水和出水閥門，輔助熱源關(guān)閉。每小時記錄1次數(shù)據(jù)。
貯水箱試驗期間的溫降Δfr用式(2)計算：Δfr=tr-tf（2）式中tr——貯水箱保溫性能試驗結(jié)束時貯水箱中水的平均溫度，℃;
tf——貯水箱保溫性能試驗開始時貯水箱中水的平均溫度，℃。
貯水箱水溫在當(dāng)?shù)貥?biāo)準(zhǔn)溫差下的溫降Δsd用式(3)計算：Δsd=(tr-tf)Δt(tr+tf)×0.5-tas(av）（3）式中Δt——太陽能熱水系統(tǒng)的當(dāng)?shù)貥?biāo)準(zhǔn)溫差，℃；
Δsd——在當(dāng)?shù)貥?biāo)準(zhǔn)溫差條件下，貯水箱中水的溫降值，℃；
tas（av）——貯水箱保溫性能試驗期間貯水箱周圍的環(huán)境空氣平均溫度，℃。
?。?）測試結(jié)果見表2?？鄢?B號水箱，8月9日在當(dāng)?shù)貥?biāo)準(zhǔn)溫差條件下，貯熱水箱中水的平均溫降值為6℃，在“規(guī)范”要求的8℃范圍內(nèi)，保溫性能良好。
2.1.3系統(tǒng)連續(xù)供熱能力
?。?）測試方法。于8月7日和8日分別采用人為開啟30%（23個）和50%（39個）的淋浴噴頭，將熱水閥門開到最大處，即無冷水混入，一直到出水溫度低于55℃停止，來模擬系統(tǒng)供熱的工況，測試系統(tǒng)的連續(xù)供熱能力。選取1A號水箱為研究對象，每半小時記錄1次數(shù)據(jù)。
?。?）測試結(jié)果。由圖4可知當(dāng)淋浴噴頭開啟時，水箱內(nèi)熱媒水溫度與熱水出水溫度之間的溫差逐步減小，基本維持在5℃以下，說明波紋管的換熱能力是滿足要求的。熱水出水溫度大概在開啟淋浴噴頭30min達到最大值，之后隨水箱一同下降。當(dāng)開啟30%（23個）淋浴噴頭時，系統(tǒng)可連續(xù)供熱水（≥55℃）2h；當(dāng)開啟50%（39個）淋浴噴頭時，系統(tǒng)可連續(xù)供熱水（≥55℃）1h。
以每個淋浴噴頭理論出水量為0.15L計，當(dāng)開啟30%（23個）淋浴噴頭時，系統(tǒng)可以連續(xù)提供55℃以上的熱水24.84m3;當(dāng)開啟50%（39個）淋浴噴頭時，系統(tǒng)可以連續(xù)提供55℃以上的熱水21.06m3。以人均熱水定額30L/（人·d）計，夏季系統(tǒng)可以連續(xù)提供828名學(xué)生連續(xù)淋浴的需求，由于淋浴用水具有間隙性，在淋浴間隙，貯水箱內(nèi)熱媒水會繼續(xù)加熱波紋管內(nèi)的冷水，所以夏季系統(tǒng)可完全提供A樓1008名學(xué)生的淋浴需求；如果按50℃供應(yīng)熱水?？商峁└嗟臒崴?，由于測試期間輔助熱源關(guān)閉，學(xué)生淋浴用水全部由無動力循環(huán)太陽能熱水系統(tǒng)提供，因此在夏季晴好天氣可達到太陽能保證率100%。
2.2二期測試
測試時間為9月，正值學(xué)生軍訓(xùn)期間，其中A樓實際住有968人，因為工程進度問題，輔助熱源尚未啟用；且由于軍訓(xùn)期間熱水用水量集中，生活熱水需要全部由太陽能熱水系統(tǒng)提供，客觀上為檢驗太陽能熱水系統(tǒng)綜合性能提供了理想的測試條件和嚴(yán)酷的使用要求。本期重點測試無動力太陽能熱水系統(tǒng)貯水箱溫度變化、學(xué)生用水規(guī)律和人均熱水用量等技術(shù)參數(shù)。
2.2.1測試時間與方法
于2016年9月18～20日每天8：00～22：30對系統(tǒng)進行測試。同樣選取1A、2B、3B、4B集熱裝置水箱作為研究對象，期間總用水量通過系統(tǒng)熱能表讀??；水箱內(nèi)溫度根據(jù)設(shè)備間顯示屏讀取；太陽輻照量通過太陽輻照儀自動采集。
2.2.2主要測試數(shù)據(jù)（見表3）
2.2.3測試結(jié)果分析
2.2.3.1貯水箱內(nèi)溫度變化與學(xué)生用水規(guī)律
9月18～20日正值新生軍訓(xùn)期間，天氣炎熱，基本上所有學(xué)生每天至少淋浴一次，用水點集中，用水量大，由圖5和圖6可以看出，水箱內(nèi)熱媒水接受太陽輻照逐漸上升，約17：30時達到最高值，之后開始迅速下降，這是由于17：30～19：00這個時間段，學(xué)生軍訓(xùn)休息，部分學(xué)生選擇這個時間段進行淋?。?9：00～21：00學(xué)生繼續(xù)軍訓(xùn)，用水人數(shù)很少，水箱內(nèi)溫度下降速率變緩，換熱盤管內(nèi)的水繼續(xù)被加熱；21：30后剩下的學(xué)生開始淋浴，熱水用量最大值出現(xiàn)在21：30～22：00，最高值達到9.8m3；經(jīng)觀察發(fā)現(xiàn)在22：30之后仍有學(xué)生在淋浴，由于時間原因不方便繼續(xù)測試。根據(jù)軍訓(xùn)時間安排，次日早上進行淋浴的學(xué)生幾乎很少，故根據(jù)22：30和次日早上8：00的熱能表數(shù)據(jù)來分析得出22；30之后的熱水用量，測試期間每天此時段用水量為7～9m3。可以總結(jié)出軍訓(xùn)期間學(xué)生主要淋浴發(fā)生在18：00～19：00和21：00～24：00兩個高峰時段。
2.3.2人均熱水用量
軍訓(xùn)期間實際學(xué)生宿舍A樓入住人數(shù)為968人，從表4可知，學(xué)生平均每天熱水用量為19L（60℃計），小于設(shè)計人均熱水定額30L/(人·d)。分析原因之一是淋浴采用了IC卡方式，此類計費方式可以大大節(jié)省用水量，側(cè)面反映了現(xiàn)行《建筑給水排水設(shè)計規(guī)范》取值偏高。
2.2.3.3系統(tǒng)集熱效率
系統(tǒng)集熱效率見表5，測試期間，系統(tǒng)的日平均集熱效率（基于集熱器輪廓面積）為53.3%，優(yōu)于“規(guī)范”系統(tǒng)集熱效率≥37%的要求。
2.3三期測試
測試時間為2016年1月，北京正值多年來最寒冷的氣溫，輔助熱源全天開啟，對學(xué)生的熱水用水量、系統(tǒng)集熱效率和太陽能保證率進行了測試。
2.3.1測試時間與方法
于2016年1月15～18日對系統(tǒng)進行了測試。期間總用水量通過系統(tǒng)熱能表讀?。凰矔r流量采用便攜式超聲波流量表自動采集；溫度采用溫度傳感器自動采集；輻照量采用太陽輻照儀表自動采集。
2.3.2主要測試數(shù)據(jù)
由于每分鐘測試一組數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)較多，摘錄1月18日18：00以后部分?jǐn)?shù)據(jù)，見表6。
2.3.3測試結(jié)果分析
2.3.3.1熱水用量
冬季測試期間人均熱水用量為27L（以60℃計），詳見表7，而夏季測試期間人均熱水用量為19L（以60℃計），得出冬季比夏季熱水用量高出約42%，一般來說溫度越低，熱水用量越大，測試期間基本上為全年溫度最低的時間，熱水用量接近全年最高日熱水用量，而《建筑給水排水設(shè)計規(guī)范》中給出Ⅲ類宿舍熱水最高日用水定額范圍下限為40L/（人·d），也大于實測值，基本符合實際用水規(guī)律。
2.3.3.2集熱效率和太陽能保證率
扣除1月16日的數(shù)據(jù)，由表8可知，系統(tǒng)的日平均集熱效率(基于集熱器輪廓面積)達到38.9%，優(yōu)于“規(guī)范”系統(tǒng)集熱效率≥37%的要求；日平均太陽能保證率為28.4%，一是冬季用水量較大，二是由于冬季集熱總量降低，太陽能保證率降低符合工程邏輯，保證率只有夏季的30%左右。
3、結(jié)論
對北京某大學(xué)學(xué)生宿舍的無動力循環(huán)太陽能熱水系統(tǒng)進行了3期測試，得出以下結(jié)論：
?。?）夏季水箱平均溫升值為27.4℃；夜間平均溫降值為6.5℃；夏季可連續(xù)提供55℃以上的熱水至少21.06m3；水箱內(nèi)熱媒水與不銹鋼波紋管內(nèi)水的溫差小于5℃，快速換熱能力滿足設(shè)計要求。
?。?）在學(xué)生軍訓(xùn)時期，用水量大，用水時間點集中，學(xué)生人均熱水用量為19L/（人·d），采用IC卡計費方式節(jié)水效果顯著；學(xué)生軍訓(xùn)期間，系統(tǒng)的日平均集熱效率為53.3%；系統(tǒng)在夏季可完全滿足學(xué)生淋浴用水需求。
（3）在冬季測試期間，學(xué)生人均熱水用量為27L/（人·d）；系統(tǒng)日平均集熱效率達到38.9%；日平均太陽能保證率為28.4%。實測數(shù)據(jù)表明，即使在寒冷的冬季該系統(tǒng)也具有較高的系統(tǒng)集熱效率，遠(yuǎn)好于傳統(tǒng)太陽能系統(tǒng)。
綜上，無動力循環(huán)太陽能熱水系統(tǒng)具有較好的集熱性能、運行可靠，系統(tǒng)設(shè)計理念具有創(chuàng)新性，測試數(shù)據(jù)表明各項指標(biāo)良好，具有較好的推廣價值。
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