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摘要:
某酒店综合体太阳能集中供应系统方案的设计思路探索，针对不同用水对象采用强制循环并联间接加热双水箱方案。对于冷水温度、热水温度、太阳能保证率、集热器平均集热效率和集热系统管路热损失率、太阳能集热器面积补偿系数等影响集热器面积的重要参数针对该工程实例，结合前人经验提出具体取值。个人设计经验，仅供参考。
关键词:
酒店综合体; 太阳能热水集中供应系统; 集热器; 太阳能保证率; 面积补偿系数
Abstract:
A hotel complex on solar energy to supply system solution design ideas, explore the water used for different object forced circulation parallel indirect heating double cistern scheme. For cold water temperature, hot water temperature, solar assurance, collector average thermal efficiency and set solar heating system piping hot loss, solar energy collector area such as compensation coefficients affect the important parameters of collector for this project examples, combining previous experiences, puts forward the exact value. Personal design experience, is only for reference.
Keywords:
The hotel complex; Solar hot water supply system on; Collector; Solar assurance; Area of compensation coefficients
中圖分类号：TK511文献标识码：A 文章编号：
0引言
随着国家及公众节能环保意识的提高，可持续发展与节能减排成为时代主题。在城市建筑中太阳能热水系统的应用日益广泛。深圳市于2006年11月1日实施《深圳经济特区建筑节能条例》，率先在国内实施12层以下住宅建筑强制安装太阳能热水系统制度；北京于2011年11月初提出《北京市居住建筑节能设计标准》修订意见稿，建议12层以下居住建筑强制安装太阳能热水系统；江苏省《公共建筑节能设计标准》（GJ32/J96-2010）对可再生能源利用提出明确要求。太阳能热水系统作为最易获取的可再生能源，在公共及居住建筑节能设计中具有非常重要的作用。
由于太阳能和常规热源不同的特点，其集中热水供应系统也有别于常规系统。《建筑给水排水设计规范（2009年版）》、《民用建筑太阳能热水系统应用技术规范》、《全国民用建筑建筑设计措施——给水排水2009年版》等编入了太阳能热水系统主要设计公式、设计参数、参考系统形式、设计计算实例等设计参考依据。但在实际工程实践中，一些设计参数取值推荐范围过大，对系统设计结果影响较大。对此，“奥运村太阳能集中热水系统”、“广州亚运城太阳能热泵集中热水系统”等工程实践对设计参数的取值进行了系统的分析总结，对太阳能热水系统设计具有实践指导意义。现结合前人工程实践经验在江苏省江阴市某酒店综合体太阳能热水集中供应方案及集热器设计参数进行探索及讨论。
1工程概况
江苏新长江国际大酒店项目位于江阴市新西区核心商业区，总建筑面积21万平米。包含酒店：地下3层，裙房地上4层，塔楼43层，建筑高度180米；办公楼：地下3层，裙房地上4层，塔楼28层，建筑高度126米。太阳能集热器集中设置于裙房屋顶能充分利用太阳辐射的区域，避开塔楼阴影。
2太阳能热水集中供应方案
鉴于酒店及办公楼热水水量、水质、用水时段的实际使用情况，系统采用强制循环并联间接加热双水箱方案。（见图1-太阳能热水集中供应方案系统原理图）
尽管当地地表水水质较好，原水未经过软化处理即可满足酒店生活水质要求较高的特点，但考虑直接加热系统水质安全性差、维护可靠性差、夏季集热器过热后易结垢、冬季不利防冻等不利因素，选用间接集热方式。且在相同集热负荷下，间接集热比直接集热仅增加集热器面积0.01~0.03，综合优势明显。当地冬季极端最低气温-14℃，间接集热更适于采用放空或添加防冻剂（全年使用时）应对冬季防冻。采用间接加热增加了板式换热器，且间接加热太阳能集热器相对直接加热太阳能集热器成本较高，但是结合后期维护管理等费用而言，成本优势相当。
太阳能属于低密度型热源，不可能像常规热源那样通过换热器一次将冷水加热到所需温度，需经过循环加热，采用板式换热器配合贮热水箱，联合制备热水。
针对酒店生活热水预热、酒店后勤（餐饮、厨房、洗衣房等）、办公楼职工餐厅等在水温、用水时段上的差异，太阳能集热换热器及贮热水箱对应不同用水性质并联设置，以期在不同工况条件下耦合调节热能及流量分配。酒店生活热水预热水箱设计温度45℃，单独设置水箱，并在酒店生活给水系统中单独设置一套生活热水预热管道系统（类似与常规生活给水系统分区），支状供水，经设备层辅助热源加热后进入酒店生活热水管道系统，循环供水；酒店后勤（餐饮、厨房、洗衣房等）、办公楼职工餐厅设计温度60℃，单独设置水箱，减少后部辅助加热负荷，并便于管理。
图1-太阳能热水集中供应方案系统原理图
3集热器
基于平板集热器具有使用寿命长、不易损坏、造价经济、在南方地区集热效率高、且江阴地区基本不受台风影响等特点，本方案选用平板集热器。
集热器总面积计算：
集热器总面积 =/ ……………………………………………（1）
——进行面积补偿后实际确定的太阳能集热器面面积；
——计算所得间接加热太阳能集热器面面积；
——太阳能集热器安装方位角及倾角所对应的补偿面积比。
直接加热集热器总面积=………………………（2）
——直接加热集热器总面积（）；
——设计日用热水量（），不高于规范5.1.1-1热水用水定额下限值；
——用水单位数；
——热水温度（℃），=60℃；
——冷水温度（℃），按规范表5.1.4采用；
——集热器采光面上年平均日太阳辐照量（）；
——太阳能保证率，根据系统使用期内的太阳辐照量、系统经济性和用户要求等因素考虑后确定，取30%~80%；
——集热器年平均集热效率，按集热器产品实测数据确定，经验值45%~50%；
——贮水箱和管路的热损失率，取15%~30%。
间接加热集热器总面积=（）……………………（3）
——间接加热集热器总面积（）；
——集热器损失系数；
——水加热器传热系数；
——水加热器加热面积（）。
式（2）中实际为针对不同热水供应对象，太阳能集热系统应能提供热量总和，即不同用水对象所要求不同水温、水量、水质状况下的分项计算值的累加。在具体项目设计实践中不能简单的依据规范提供的、、、值简单计算。
3.1冷水温度
冷水温度取值对集热器的总面积计算影响较大。规范建议冷水温度应以当地最冷月平均水温资料确定，针对江阴地区最冷月地表水平均水温为5℃。但全年全天候太阳能热水系统都会采用“太阳能+常规热源辅助加热”的模式，以最冷月平均水温为冷水温度计算势必造成前期投资过大，集热器面积过大、夏季过热、收集热能浪费等问题，部分已建成集中太阳能热水供应系统已发现这个问题。日最低气温仅出现在夜间，且补水水箱一般置于室内，水温接近于室温；当太阳能系统工作时，太阳升高，气温迅速回升，地表水温度也随之升高；为保证热水供应的可靠性，冬季太阳能辐照不足时，辅助加热设备补足欠缺热能是必不可少的。故太阳能集中热水供应系统不宜按外部环境最不利工况设计。基于部分学者对日本太阳能系统数据库及广州亚运城集中太阳能热水供应系统工程实践的分析总结，冷水计算温度应以当地年平均气温值为宜，针对本项目为15.5℃。
3.2热水温度
规范建议取热水用水定额下限值时以60℃计算。实际如前所述，应针对不同用水对象的要求区别对待。酒店后勤、办公楼餐厅主要供应厨房、餐厅、洗衣房，用水时间、水量、水温较均衡，当温度达到60℃时，可有效杀灭军团菌，并能充分利用太阳能供热量，减少常规热源消耗，故酒店后勤、办公楼餐厅太阳能加热设计水温以60℃为宜；由于酒店对生活热水要求较高，酒店生活热水经预加热后，后续都会有可靠高效的常规热源保障热水水温恒定，故预加热出水水温以45℃为宜，但考虑到酒店生活热水的高要求，后续常规热源辅助加热总热量应以冬季防冻排空或集热器故障状态等最不利状况确定，即完全依靠常规热源加热，不考虑备用，但加热设备可依据最冷月高峰、平时用水高峰、夏季热水量低峰等工况，两台辅助加热设备并联分别设置于酒店低区及高区设备层机房，同时或部分开启，以求尽可能多的利用太阳能热源，减少常规热源消耗，以达到科学合理节能减排的目的。
3.3太阳能保证率
……………………………………………………（4）
f值应根据工程特点、投资状况、气候特点等综合考虑，规范推荐值0.3~0.8,上下限相差2.7倍，对集热器面积计算结果影响巨大。本质上，太阳能保证率是一个经济指标，保证率越高，并不一定越经济。夏季太阳能辐照量大，但热水使用温度低，耗热量少，导致集热大量富余，还会导致集热器过热、爆管等问题，影响集热器使用寿命；冬季正好相反，太阳能供热量不能满足耗热量要求。天津某开发区大型太阳能集热系统工程实例总结f值≤0.5，广州亚运城太阳能集中供热系统实测平均集热效率为35%。鉴于本项目的使用特点及当地气候条件，综合考虑热损失及投资经济性，f值取0.4。
3.4集热器平均集热效率和集热系统管路热损失率
是太陽能平均每天制备生活热水有效热量的重要参数，是集热器产品质量及整个系统的重要指标。规范推荐值约为31.5%~42.5%，提高这个效率指标从两点出发，选用集热效率较高的太阳能集热器产品；避免循环短路，做好管路、水箱保温，缩短集热管线长度。北京奥运村太阳能集中热水系统由于采用国外先进集热器专利技术，施工安装质量良好，实测值为43%~53%，非常理想。鉴于本系统采用国产品牌集热器，根据供货商提供的产品参数取37%。
3.5太阳能集热器面积补偿系数
本太阳能集中供热系统考虑全年使用，为提高集热器集热效率，安装倾角为当地维度，约32°，方位角正南向。针对安装倾角和方位角核算集热器补偿面积，使用Meteonorm V6.1 Demo版软件进行试算，并使用《民用建筑太阳能热水系统工程技术手册》附录2进行修正，取98%。
4小结
太阳能集中热水供应系统设计应与建筑、结构、暖通、电气等各专业配合，系统计算应结合实际工程项目特点与业主、太阳能设备制造商密切探讨，制定因地制宜又合理高效的系统方案。
酒店、综合建筑体太阳能集中热水供应系统方案设计时宜针对不同用水对象、用水性质、水温、用水时段等因素考虑不同的供水温度及辅助加热方式，以求最大效率利用太阳能热源，不至于集热器面积过大，导致集热量浪费，投资过大。
对于规范推荐的集热器设计计算公式设计参数的取值宜针对具体项目及已建成工程实例数据进行修正，不宜盲目保守地取最大值而导致系统设计不合理。
建议国内相关机构针对集热器面积计算开发类似国外Chart、Trnsys、Meteonorm等计算模拟软件，建立适合我国国情和环境气候的数据库，以期达到集热器设计计算准确合理。
太阳能集中热水供应系统设计时还应强调系统的节能效益及投资回收年限，以期达到节能与经济的平衡，后续还应进行方案比较。
参考文献
民用建筑太阳能热水系统应用技术规范，GB 50364-2005
郑瑞澄主编.民用建筑太阳能热水系统工程技术手册，化学工业出版社，2006
建筑给水排水设计规范（2009年版），GB 50015-2003
刘振印.太阳能集中热水供应系统的合理设计探讨,给水排水，2011,37（1）：62-67
王耀堂，罗慧英，刘振印.广州亚运城太阳能热水集热系统关键设计参数分析与取值，给水排水，2010,36（4）：72-79
李军.太阳能热水系统冷水计算温度取值的讨论，给水排水，2010,37（2）：76-82
张英，马晓虹，甄帅，丁孟达，步春峰，王耀堂.广州亚运城双水箱太阳能集热系统运行工况研究，给水排水，2011,37（11）：78-83
Jan Remund，Stefan Kunz，Christoph Schilter，Stefan Muller. METEONORM Version 6.1 Handbook for Software and Theory，METEONORM，Fabrikstrasse 14，CH-3012 Bern，Switzerland
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
某酒店综合体太阳能集中供应系统方案的设计思路探索，针对不同用水对象采用强制循环并联间接加热双水箱方案。对于冷水温度、热水温度、太阳能保证率、集热器平均集热效率和集热系统管路热损失率、太阳能集热器面积补偿系数等影响集热器面积的重要参数针对该工程实例，结合前人经验提出具体取值。个人设计经验，仅供参考。
关键词:
酒店综合体; 太阳能热水集中供应系统; 集热器; 太阳能保证率; 面积补偿系数
Abstract:
A hotel complex on solar energy to supply system solution design ideas, explore the water used for different object forced circulation parallel indirect heating double cistern scheme. For cold water temperature, hot water temperature, solar assurance, collector average thermal efficiency and set solar heating system piping hot loss, solar energy collector area such as compensation coefficients affect the important parameters of collector for this project examples, combining previous experiences, puts forward the exact value. Personal design experience, is only for reference.
Keywords:
The hotel complex; Solar hot water supply system on; Collector; Solar assurance; Area of compensation coefficients
中圖分类号：TK511文献标识码：A 文章编号：
0引言
随着国家及公众节能环保意识的提高，可持续发展与节能减排成为时代主题。在城市建筑中太阳能热水系统的应用日益广泛。深圳市于2006年11月1日实施《深圳经济特区建筑节能条例》，率先在国内实施12层以下住宅建筑强制安装太阳能热水系统制度；北京于2011年11月初提出《北京市居住建筑节能设计标准》修订意见稿，建议12层以下居住建筑强制安装太阳能热水系统；江苏省《公共建筑节能设计标准》（GJ32/J96-2010）对可再生能源利用提出明确要求。太阳能热水系统作为最易获取的可再生能源，在公共及居住建筑节能设计中具有非常重要的作用。
由于太阳能和常规热源不同的特点，其集中热水供应系统也有别于常规系统。《建筑给水排水设计规范（2009年版）》、《民用建筑太阳能热水系统应用技术规范》、《全国民用建筑建筑设计措施——给水排水2009年版》等编入了太阳能热水系统主要设计公式、设计参数、参考系统形式、设计计算实例等设计参考依据。但在实际工程实践中，一些设计参数取值推荐范围过大，对系统设计结果影响较大。对此，“奥运村太阳能集中热水系统”、“广州亚运城太阳能热泵集中热水系统”等工程实践对设计参数的取值进行了系统的分析总结，对太阳能热水系统设计具有实践指导意义。现结合前人工程实践经验在江苏省江阴市某酒店综合体太阳能热水集中供应方案及集热器设计参数进行探索及讨论。
1工程概况
江苏新长江国际大酒店项目位于江阴市新西区核心商业区，总建筑面积21万平米。包含酒店：地下3层，裙房地上4层，塔楼43层，建筑高度180米；办公楼：地下3层，裙房地上4层，塔楼28层，建筑高度126米。太阳能集热器集中设置于裙房屋顶能充分利用太阳辐射的区域，避开塔楼阴影。
2太阳能热水集中供应方案
鉴于酒店及办公楼热水水量、水质、用水时段的实际使用情况，系统采用强制循环并联间接加热双水箱方案。（见图1-太阳能热水集中供应方案系统原理图）
尽管当地地表水水质较好，原水未经过软化处理即可满足酒店生活水质要求较高的特点，但考虑直接加热系统水质安全性差、维护可靠性差、夏季集热器过热后易结垢、冬季不利防冻等不利因素，选用间接集热方式。且在相同集热负荷下，间接集热比直接集热仅增加集热器面积0.01~0.03，综合优势明显。当地冬季极端最低气温-14℃，间接集热更适于采用放空或添加防冻剂（全年使用时）应对冬季防冻。采用间接加热增加了板式换热器，且间接加热太阳能集热器相对直接加热太阳能集热器成本较高，但是结合后期维护管理等费用而言，成本优势相当。
太阳能属于低密度型热源，不可能像常规热源那样通过换热器一次将冷水加热到所需温度，需经过循环加热，采用板式换热器配合贮热水箱，联合制备热水。
针对酒店生活热水预热、酒店后勤（餐饮、厨房、洗衣房等）、办公楼职工餐厅等在水温、用水时段上的差异，太阳能集热换热器及贮热水箱对应不同用水性质并联设置，以期在不同工况条件下耦合调节热能及流量分配。酒店生活热水预热水箱设计温度45℃，单独设置水箱，并在酒店生活给水系统中单独设置一套生活热水预热管道系统（类似与常规生活给水系统分区），支状供水，经设备层辅助热源加热后进入酒店生活热水管道系统，循环供水；酒店后勤（餐饮、厨房、洗衣房等）、办公楼职工餐厅设计温度60℃，单独设置水箱，减少后部辅助加热负荷，并便于管理。
图1-太阳能热水集中供应方案系统原理图
3集热器
基于平板集热器具有使用寿命长、不易损坏、造价经济、在南方地区集热效率高、且江阴地区基本不受台风影响等特点，本方案选用平板集热器。
集热器总面积计算：
集热器总面积 =/ ……………………………………………（1）
——进行面积补偿后实际确定的太阳能集热器面面积；
——计算所得间接加热太阳能集热器面面积；
——太阳能集热器安装方位角及倾角所对应的补偿面积比。
直接加热集热器总面积=………………………（2）
——直接加热集热器总面积（）；
——设计日用热水量（），不高于规范5.1.1-1热水用水定额下限值；
——用水单位数；
——热水温度（℃），=60℃；
——冷水温度（℃），按规范表5.1.4采用；
——集热器采光面上年平均日太阳辐照量（）；
——太阳能保证率，根据系统使用期内的太阳辐照量、系统经济性和用户要求等因素考虑后确定，取30%~80%；
——集热器年平均集热效率，按集热器产品实测数据确定，经验值45%~50%；
——贮水箱和管路的热损失率，取15%~30%。
间接加热集热器总面积=（）……………………（3）
——间接加热集热器总面积（）；
——集热器损失系数；
——水加热器传热系数；
——水加热器加热面积（）。
式（2）中实际为针对不同热水供应对象，太阳能集热系统应能提供热量总和，即不同用水对象所要求不同水温、水量、水质状况下的分项计算值的累加。在具体项目设计实践中不能简单的依据规范提供的、、、值简单计算。
3.1冷水温度
冷水温度取值对集热器的总面积计算影响较大。规范建议冷水温度应以当地最冷月平均水温资料确定，针对江阴地区最冷月地表水平均水温为5℃。但全年全天候太阳能热水系统都会采用“太阳能+常规热源辅助加热”的模式，以最冷月平均水温为冷水温度计算势必造成前期投资过大，集热器面积过大、夏季过热、收集热能浪费等问题，部分已建成集中太阳能热水供应系统已发现这个问题。日最低气温仅出现在夜间，且补水水箱一般置于室内，水温接近于室温；当太阳能系统工作时，太阳升高，气温迅速回升，地表水温度也随之升高；为保证热水供应的可靠性，冬季太阳能辐照不足时，辅助加热设备补足欠缺热能是必不可少的。故太阳能集中热水供应系统不宜按外部环境最不利工况设计。基于部分学者对日本太阳能系统数据库及广州亚运城集中太阳能热水供应系统工程实践的分析总结，冷水计算温度应以当地年平均气温值为宜，针对本项目为15.5℃。
3.2热水温度
规范建议取热水用水定额下限值时以60℃计算。实际如前所述，应针对不同用水对象的要求区别对待。酒店后勤、办公楼餐厅主要供应厨房、餐厅、洗衣房，用水时间、水量、水温较均衡，当温度达到60℃时，可有效杀灭军团菌，并能充分利用太阳能供热量，减少常规热源消耗，故酒店后勤、办公楼餐厅太阳能加热设计水温以60℃为宜；由于酒店对生活热水要求较高，酒店生活热水经预加热后，后续都会有可靠高效的常规热源保障热水水温恒定，故预加热出水水温以45℃为宜，但考虑到酒店生活热水的高要求，后续常规热源辅助加热总热量应以冬季防冻排空或集热器故障状态等最不利状况确定，即完全依靠常规热源加热，不考虑备用，但加热设备可依据最冷月高峰、平时用水高峰、夏季热水量低峰等工况，两台辅助加热设备并联分别设置于酒店低区及高区设备层机房，同时或部分开启，以求尽可能多的利用太阳能热源，减少常规热源消耗，以达到科学合理节能减排的目的。
3.3太阳能保证率
……………………………………………………（4）
f值应根据工程特点、投资状况、气候特点等综合考虑，规范推荐值0.3~0.8,上下限相差2.7倍，对集热器面积计算结果影响巨大。本质上，太阳能保证率是一个经济指标，保证率越高，并不一定越经济。夏季太阳能辐照量大，但热水使用温度低，耗热量少，导致集热大量富余，还会导致集热器过热、爆管等问题，影响集热器使用寿命；冬季正好相反，太阳能供热量不能满足耗热量要求。天津某开发区大型太阳能集热系统工程实例总结f值≤0.5，广州亚运城太阳能集中供热系统实测平均集热效率为35%。鉴于本项目的使用特点及当地气候条件，综合考虑热损失及投资经济性，f值取0.4。
3.4集热器平均集热效率和集热系统管路热损失率
是太陽能平均每天制备生活热水有效热量的重要参数，是集热器产品质量及整个系统的重要指标。规范推荐值约为31.5%~42.5%，提高这个效率指标从两点出发，选用集热效率较高的太阳能集热器产品；避免循环短路，做好管路、水箱保温，缩短集热管线长度。北京奥运村太阳能集中热水系统由于采用国外先进集热器专利技术，施工安装质量良好，实测值为43%~53%，非常理想。鉴于本系统采用国产品牌集热器，根据供货商提供的产品参数取37%。
3.5太阳能集热器面积补偿系数
本太阳能集中供热系统考虑全年使用，为提高集热器集热效率，安装倾角为当地维度，约32°，方位角正南向。针对安装倾角和方位角核算集热器补偿面积，使用Meteonorm V6.1 Demo版软件进行试算，并使用《民用建筑太阳能热水系统工程技术手册》附录2进行修正，取98%。
4小结
太阳能集中热水供应系统设计应与建筑、结构、暖通、电气等各专业配合，系统计算应结合实际工程项目特点与业主、太阳能设备制造商密切探讨，制定因地制宜又合理高效的系统方案。
酒店、综合建筑体太阳能集中热水供应系统方案设计时宜针对不同用水对象、用水性质、水温、用水时段等因素考虑不同的供水温度及辅助加热方式，以求最大效率利用太阳能热源，不至于集热器面积过大，导致集热量浪费，投资过大。
对于规范推荐的集热器设计计算公式设计参数的取值宜针对具体项目及已建成工程实例数据进行修正，不宜盲目保守地取最大值而导致系统设计不合理。
建议国内相关机构针对集热器面积计算开发类似国外Chart、Trnsys、Meteonorm等计算模拟软件，建立适合我国国情和环境气候的数据库，以期达到集热器设计计算准确合理。
太阳能集中热水供应系统设计时还应强调系统的节能效益及投资回收年限，以期达到节能与经济的平衡，后续还应进行方案比较。
参考文献
民用建筑太阳能热水系统应用技术规范，GB 50364-2005
郑瑞澄主编.民用建筑太阳能热水系统工程技术手册，化学工业出版社，2006
建筑给水排水设计规范（2009年版），GB 50015-2003
刘振印.太阳能集中热水供应系统的合理设计探讨,给水排水，2011,37（1）：62-67
王耀堂，罗慧英，刘振印.广州亚运城太阳能热水集热系统关键设计参数分析与取值，给水排水，2010,36（4）：72-79
李军.太阳能热水系统冷水计算温度取值的讨论，给水排水，2010,37（2）：76-82
张英，马晓虹，甄帅，丁孟达，步春峰，王耀堂.广州亚运城双水箱太阳能集热系统运行工况研究，给水排水，2011,37（11）：78-83
Jan Remund，Stefan Kunz，Christoph Schilter，Stefan Muller. METEONORM Version 6.1 Handbook for Software and Theory，METEONORM，Fabrikstrasse 14，CH-3012 Bern，Switzerland
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。