一、 引言

太阳能复合系统是指以太阳能、炉灶废热回收、辅助热源为能源，在可编程PLC为核心的智能化控制平台上，可同时解决采暖、生活热水、饮用开水等问题中一个或多个问题的解决方案。 

太阳能复合系统具有以下几方面的优点：

① 优先最大化利用太阳能和炉灶废热回收能源，在二者不能满足使用时，再利用常规辅助热源。

② 能源互为备用，减少运行费用。例如：某学校食堂与洗浴综合体建筑，食堂后堂需热水使用，食堂炉灶废热回收可产热水；在室外温度较高季节（如夏季）时，自来水温度高，废热回收装置产水量多，而此时食堂后堂热水需求量较少，热水产量过剩，剩余热水补充洗浴用热水，减少甚至避免常规能源使用；反之，在室外温度较低（冬季）时，自来水温度低，废热回收装置产水量较少，此时食堂后堂热水需求量较多，热水产量不足，不足热水由洗浴系统补偿，从而达到互为备用，减低运行费用。

③ 能源互为备用，降低投资（辅助热源及相关设备减少一套）。

二、 系统组成

顺昌公司通过多年结合市场实际情况摸索，提出“太阳能+炉灶废热回收+其他辅助热源”一套能源系统，同时解决采暖、生活热水、饮用开水三大问题。下面就太阳能复合系统主要设备逐一阐述。

1、太阳能集热器：在光热领域中，太阳能集热器是一种将太阳能通过介质收集转换为热能的一种设备。目前国内使用的太阳能集热器类型主要有真空管太阳能集热器、平板型太阳能集热器、普通热管真空管太阳能集热器、金属热管太阳能集热器。

真空管集热器得热率高，造价低，但存在炸管泄漏风险，用于严寒地区抗冻性能差；

平板型太阳能集热器造型美观，可承压运行，适用范围广，在常年温度在零摄氏度以上地区，可用水作为媒介，在严寒地区采用防冻液作为介质，但造价较高；

普通热管真空管太阳能集热器防冻效果最好，采用热管冷凝端（加热端）传热，得热率较真空管集热器低，造价高于真空管太阳能集热器，低于平板型太阳能集热器；

金属热管太阳能集热器得热率高，可承压运行，无炸管泄漏风险，在严寒地区采用防冻液作为热媒，但造价在四类太阳能集热器中最高；

2、炉灶废热回收装置：厨房传统炉灶在使用时，炉灶烟气排放温度大约500℃左右，烟气排放带走大量热能，不仅造成能源浪费，而且有火灾隐患。采用炉灶废热回收装置不仅能有效降低排烟温度和减少改善了厨师的工作环境，而且还降低火灾事故发生。炉灶废热回收装置采用优质耐热材料做成翅片换热器，安装在传统炉灶后烟道，通过烟气加热热水，达到废热回收的目的。当水温达到设定值时，自动打开顶水进水，将热水引至储存水箱备用；当水温低于设定值时，自动关闭进水。每台炉灶独立运行，不相互影响。水箱储备的热水可自用，也可与太阳能系统共用。

3、辅助热源：由于太阳能能源的不稳定性，为了保证系统正常稳定运行，采用辅助能源是必不可少的。辅助热源可采用电、燃油、燃气或城市其他热源作辅助能源，目前国内市场常见辅助热源有空气源、水源热泵、地源热泵、电蓄热、燃油（燃气）锅炉、壁挂炉等，项目根据现场能源、环境、运行费用等综合考虑选取。

4、贮热水箱：集中热水供应系统的贮热水箱容积应根据热热源用量小时变化曲线及太阳能集热器的供热能力，综合考虑辅助加热装置加热时段和能力等多种因素后确定。针对系统中贮热水箱在多数时间内，处于受热状态，内胆宜选用螺栓装配式不锈钢水箱，外保温层采用热不良体保温，以保证水质与水箱使用周期。

5、智能化控制系统：太阳能复合系统的运行，是根据热源用量小时变化曲线及太阳能集热器、辅助热源的供热能力来确定。采用可编程PLC为核心的智能化控制平台上，实现控制和工业触摸屏人机对话，保障系统自动运行、自动补水、储水箱水温水位显示、集热器水温显示、系统温差循环、定时恒压供水、防冻、防炸管等功能；全智能自动化控制系统，同时兼备人工手动控制。可以方便切换和设定。

智能化控制管理系统采用了自动化控制技术、计算机技术和通信技术，利用低功耗嵌入式设备、内嵌操作系统对太阳能集热系统、供水系统、泵、阀等进行智能化控制，并通过安装的数据计量和采集装置，借助远程数据传输手段，实现 “分散测控、集中操作和可视化管理”。用户可远程通过太阳能中央热水系统监控平台对所有整套系统的运行情况进行数据检测、数据分析和数据统计等功能。调整和监控整套系统，确保太阳能最大化利用。

6、末端：系统能源产生热源后，在同一智能化控制平台上，可同时解决采暖、生活热水、饮用开水三大问题。

采暖末端：由于太阳能由于热密度较低，集热温度很难达到较高水平；普通散热器热媒温度要求较高，而太阳能采暖系统不易达到该出水温度要求；因此，在太阳能采暖系统中，通常采用地板辐射采暖的末端供热方式。

生活热水末端：根据用水时间段、用水点供应小时变化曲线、冷热水源以及恒温贮热水箱位置，确定采用恒压变频供水或直流式供水；系统管网回水根据回水温度自动启动回水电动阀门或水泵，达到恒

温供水的目的。

饮用开水末端：考虑饮用开水温度较高，避免出现烫伤等安全事故，开水一般采用开式系统，末端为

开水水龙头，水龙头材质为304及以上不锈钢。

三、 系统原理及设计计算

1、太阳能复合系统原理

   太阳能复合系统由太阳能、炉灶废热回收及辅助热源提供能源，供应采暖、生活热水、饮用开水热

能需求。系统运行原则：优先最大化利用太阳能和炉灶废热回收能源，在二者不能满足使用时，再利

用常规辅助热源。整套系统能源供应分为三个子系统，即：太阳能集热子系统、炉灶废热回收子系统和常规辅助能源子系统。具体系统原理图见（图二）。

1.1 太阳能集热子系统

太阳能集热子系统根据贮热水箱水位、水温情况，自动以温差循环方式工作，当太阳能收集太阳热能时，通过太阳能贮热水箱下部水温与太阳能集热器阵列末端出口水温温差比较，由PLC控制柜给出的信号控制太阳能循环泵工作。当温差△T≥7℃（可自由设定）时，太阳能循环泵启动，将集热水箱内低温水在太阳能集热器之间进行换热循环；当温差较小△T≤3℃（可自由设定）时，太阳能循环水泵停止工作，如此反复地按照上述方式工作，不断地将集热水箱内的水加热提温。

 

1—太阳能集热器       2—贮热水箱      3—恒温水箱    4—生活热水辅助热源

5—饮用开水加热设备   6—采暖辅助热源                 7—生活热水换热器

8—饮用开水换热器     9—炉灶废热回收装置             10—生活热水末端   

11—太阳能循环水泵    12—加热循环水泵                13—变频供水泵

14—生活热水温控阀    15—生活辅热电动阀              16—回水电动阀

17—饮用开水电动阀    18—三通阀       19—三通阀     20—地暖供热末端

 

1.2 炉灶废热回收子系统

炉灶工作时产生大量500℃左右烟气，炉灶废热回收子系统是通过循环水或自来水作为热媒提取热量的过程。当炉灶回收装置出水出温度达到55℃（温度可调）时，低温自来水或循环水将达到温度高温水压致恒温水箱，如此反复，达到收集废热的目的。

1.3 常规辅助能源子系统

由于太阳能的不稳定性，整套太阳能复合系统需配备常规能源作为辅助热源，保障系统的正常热源供应。常规能源是在太阳能和炉灶废热回收热能不能满足实际使用前提下，开启保障系统正常运行。针对太阳能复合系统，常规能源开启由智能化PLC控制柜控制，如（图二）所示，生活热水：在设定时间（可调）范围内，当3#恒温水箱未达到设定液位时，4#辅助热源开启，提供深化热水，达到满足实际需求的目的。采暖：当供暖时，若2#贮热水箱水温不能满足采暖需求时，18#、19#三通阀切换，6#辅助热源开启达到满足实际需求的目的；当2#贮热水箱水温达到采暖需求时，18#、19#三通阀再次切换，6#辅助热源关闭，通过太阳能热能达到实际采暖需求的目的。如此反复循环。

2、太阳能复合系统设计计算

2.1热负荷计算

1）采暖热负荷的计算

采暖热负荷是指采暖室外计算温度下，为了保持室内设计计算温度，供暖系统在单位时间内需要向建筑物供给的热量。建筑物日平均热负荷可用下式估算：

Q1=A×q×24×3.6/1000

其中：Q1——日均采暖热负荷，MJ；

      A——采暖面积，㎡；

      q——建筑物热指标，W/㎡，具体见《严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准》JGJ26-2010 

2）生活热水/饮用开水热负荷计算

生活热水热负荷是指在满足用水量所需提供热量，其热负荷计算公式如下：

Q2=Cm(tr-t1)/1000

其中：Q2——日生活热水/饮用开水热负荷，MJ

  C ——水的比热，C=4.187（kJ/kg.℃）

  m ——日生活热水/饮用开水用量，kg

  tr ——热水温度，tr=55~60（℃）

  t1 ——冷水温度，按《建筑给水排水设计规范》GB50015-2003中表5.1.4选用；

3）炉灶废热回收产热量计算

顺昌公司燃气炉灶单台灶头在额定负荷45kw.h运行时，能产生温升35℃热水248kg/h。则炉灶废热回收产热量计算如下：

Q3=Cm△t/1000

其中： Q3——废热回收装置产热量，MJ

   C ——水的比热，C=4.187（kJ/kg.℃）

   m ——废热回收装置产水量， kg

  △t ——热水温差，△t =35（℃）

废热回收装置产水量：

m=248*A*T

A——使用炉灶台数

T——废热回收炉灶每天运行时长，h

4）热负荷计算

Q= Q1 +Q2 -Q3

其中：Q——系统总热负荷，MJ；

Q1——日均采暖热负荷，MJ；

Q2——日生活热水/饮用开水热负荷，MJ

Q3——废热回收装置产热量，MJ

2.2太阳能集热面积计算

1）直接系统集热面积按下式计算： 

  式中：     Ac——直接系统集热总面积，㎡；

    Q——系统总热负荷，MJ；

              f——太阳能保证率，%；根据系统使用期内的太阳辐照、系统经济性及用户要求等因素综合考虑后确定，取30%-80%；

                    JT——集热器采光面上年平均日太阳辐照量，kJ/㎡.d；

          ηcd——集热器年平均集热效率；按集热器产品的实测数据确定，经验取值宜为45%-50%，；

                   ηL——贮水箱和管路的热损失率；取15%-30%。

2）间接加热供水公司系统的集热器总面积，按《建筑给水排水设计规范》GB50015-2003中公式5.4.2A-2计算；

 四、 案例介绍

1、“太阳能+炉灶废热回收+辅助热源”的复合系统解决生活热水、饮用开水案例

1.1项目简介

内蒙古乌兰察布市某高校在校生4000余人，学生浴室与食堂临近，本项目采用“太阳能+直燃式常压热水机组+废热回收型炉灶”综合解决学生洗浴热水、食堂用热水、学生饮用开水。

该项目于2013年9月投入运行，至今运行良好，每天可提供洗浴热水50m³/d，食堂用热水20 m³/d，饮用开水15m³/d。

1.2主要设备配置及原理介绍、

本项目热水系统配置420㎡热管式太阳能集热器、1台54m³恒温水箱、1台10m³即热水箱、25套废热回收装置、2台25万大卡的直燃式常压燃气热水机组，2套“硅磷晶”水处理装置；开水系统配置了1台6吨开水水箱、2台25万大卡的直燃式常压燃气开水机组、1套9t/h的“软净一体化”水处理系统。

1.2.1系统原理图

 

1.2.2运行原理

热水系统：在正常运行的情况下优先利用太阳能集热器和废热回收系统联合生产热水，当太阳能集热器和废热回收系统生产的热水量达不到要求时，开启直燃式常压燃气热水机组进行补偿加热。

开水系统：当热水量达到使用要求的情况下，利用太阳能产生的热量对自来水进行提温后送入燃式常压燃气开水机组一次性加热成开水。

具体介绍如下：

太阳能差循环控制——太阳能系统根据集热水箱水位、水温情况，自动以温差循环方式工作，温差循环时，通过太阳能集热水箱下部水温与太阳能集热器阵列末端出口水温温差由PLC控制柜给出的信号控制太阳能循环泵工作。当温差△T≥7℃（可自由设定）时，太阳能循环泵启动，将集热水箱内低温水在太阳能集热器之间进行换热循环；当温差较小△T≤2℃（可自由设定）时，太阳能循环水泵停止工作，如此反复地按照上述方式工作，不断地将集热水箱内的水加热提温。

集热补水控制——集热水箱的补水受时间设定和水箱液位控制，在设定的时间段内，水箱水位下降到设定值时，冷水电动阀启动，自动定时、定量向储热水箱补水。

定温出水控制——集热水箱的水温达到设定温度时（55℃，可调节），控制系统自动开启定温电动阀，将热水输送至恒温水箱内，当恒温水箱的液位达到设定液位（80%，可调节）或集热水箱内水温低于设定值时（55℃，可调节）停止供应热水。 

过温补水（防烫伤）控制——PLC控制系统自动检测水温，当水温高于设定温度（保护温度为55℃，可调节），开启补水电动阀补充冷水进行降温，当控制系统检测到水温超过设定停泵温度时（60℃，可调节），停止热水供水泵，禁止向热水管网供应热水，直到水温降低到设定温度（55℃，可调节）时，开启热水供水泵，进行供水。

辅助加热控制——智能化控制系统根据每天的用水量、用水人数及其用水时间智能化地开启其中1台~2台直燃式常压燃气热水机组进行辅助补偿加热，并将太阳能加热过的低温水进行二次加热后进行使用。

废热回收系统控制——利用厨房燃气炉灶设备所产生的高温烟气和炉膛内辐射给炉砖所携带的高温热能通过换热器换热的方式来加热自来水，当温度探头检测到水温达到设定值时，控制系统自动打开顶水电动阀，将加热后的热水顶至恒温水箱内；温度探头低于设定值，控制系统自动关闭顶水电动阀；每台炉灶设备独立运行，互不影响。 

定时变频供水及定温回水系统的控制——本系统的热水供应结合学校实际情况:采用变频恒压供水系统，这样可以避免全自动增压水泵在学生洗浴时出现忽冷忽热现象和节省管道增压水泵24小时不间断增压的运行费用及减少对水的浪费。回水管采用定温回水方式，当回水端管网内热水温度低于设定温度（一般为37℃，可调节）时，系统开启回水电动阀将系统管网内热水进行循环；当系统管网内热水温度达到设定温度（一般为45℃，可调节）时，系统关闭回水电动阀，确保热水管网内热水温度长期处于稳定待命状态，从而保证各个用水点的用水质量。

防冻措施控制——在冬季时，由于室外环境温度较低，太阳能系统需有防冻功能，针对本工程结合项目所在地，三套防冻功能，确保整个太阳能热水系统正常运行，延长使用寿命。

1.3系统节能效益分析

本项目采用“太阳能集热器+直燃式常压燃气热水（开水）机组+废热回收”系统供热的方式供应学生洗浴、厨房热水、饮用开水，主要节能点和新技术应用主要体现在太阳能集热器、废热回收系统以及智能化热水控制管理系统。

1.3.1太阳能热水系统年节能量计算

根据公式

:太阳能热水系统节能量，MJ

:太阳能集热器的面积，㎡（420㎡）

:太阳能集热器采光表面上的年总太阳辐照量，MJ/㎡（在校时间270天的值为5614.65MJ/㎡）

:管道和水箱的热损失率，（20%）

:太阳能集热器年平均即热效率，%（50%）

经计算≈943261.2MJ。

1.3.2废热回收系统年节能量计算

本项目采用废热回收系统经过实际测试，燃气炉灶单台灶头在额定压力下运行时，能产生温差35℃热水248L/h，共计25套废热回收装置全年使用270天，每天的运作时间5小时计算出每年总的产水量为8370吨，折合成节能量为1226581.65MJ。

1.3.3年节能费用

结合太阳能及废热回收系统，全年总节能量为2169842.85MJ，本项目采用的是天然气作为辅助加热的能源，相当于年节约68549.38Nm³天然气，按照当地天然气价格3.56元/ Nm³计算，可每年节约常规能源消耗费用244035.8元，以系统运行寿命15年计算，本项目可节约常规能源消耗费3660537元。

1.3.4节能减排量

本项目的全年常规能源替代量为：2169842.85MJ ÷29.308 MJ÷0.33＝224351.08kg标煤。

1）二氧化碳减排量（吨/年）为：554.18吨/年；

2）二氧化硫减排量（吨/年）为：4.487吨/年；

3）粉尘减排量（吨/年）为：2.243吨/年；

以系统运行寿命15年计算，该项目节约标煤3365.4吨，可减少8312.7吨二氧化碳的排放，减少67.3吨二氧化硫的排放，减少33.7吨粉尘的排放。

 

2、“太阳能+电蓄热（辅热）” 解决采暖、洗浴热水、饮用开水案例

2.1项目简介

沈阳某医院地上六层，地下一层，建筑面积约10700m2，其中地上部分约9170m2，地下一层约1530m2,楼顶可敷设太阳能建筑面积1300m2。需为该栋楼提供采暖、生活热水和饮用开水。供暖末端采用低温地板辐射采暖；生活热水31间病房24小时供应热水，双管制；每层设置一个开水间供应开水。

该建筑室外设计计算温度-19℃，采暖设计总负荷约239.97kW（其中：6层49.37kW、5层33.7kW、4层30.0kW、3层38.26kW、2层42.51kW、1层46.13kW），设计最大日耗热量为5760kWh。洗浴热水设计日用水量12m³/d，设计最大小时耗热量为89KW。饮用开水每层供应人数约100人。

能源状况：该建筑附近无天然气供应点，使用需申请需新建燃气供应站，天然气价格4.29元/m3；供电采取分时电价，谷电电价0.455元/kWh、平电电价0.865元/kWh、峰电电价1.6元/kWh。综合当地实际情况，该项目主要采用“太阳能+谷电蓄热+电开水”系统为整栋楼采暖、提供洗浴热水和饮用开水。

项目于2012年11月开始施工，2013年1月基本完成并投入使用。

2.2主要设备配置及原理介绍

   根据计算及项目实际情况，该建筑楼顶最大可布置544.5㎡太阳能集热器，本项目共计安装了544.5㎡太阳能集热器、1台5m³集热水箱、1台5m³恒温水箱、1台50吨蓄热水箱，1台90kW的常压电热水炉、2台400kW的常压采暖电锅炉、6台12KW电开水器。

2.2.1系统原理图

 

2.2.2运行原理介绍

本项目中的安装的太阳能集热器主要是在冬季采暖期为地暖系统提供热源，在非采暖季用来提供生活热水，辅助热源分别采用电锅炉进行补偿加热。

在冬季模式下，洗浴热水完全由常压电热水炉提供，采暖有太阳能+谷电蓄热系统联合供应，即在正常情况下太阳能不断的收集太阳能并将热能储存在集热水箱中，供白天采暖使用，当太阳能提供的热量不能满足供热需求时，系统自动切换到蓄热水箱供暖模式，利用蓄热水箱中的热量进行供暖，当系统检测到集热水箱中的热量能够满足供暖需求时，在将供热模式切换回来，如此往复进行供暖；在夜间，集热水箱不能够满足供热需求时，系统全部切换到蓄热供模式，利用蓄热水箱中的热量进行供暖，当时间进行设计时间段内（23：00～次日7:00），开启电加热锅炉，一边保温供暖一边进行蓄热，储足第二点供暖所需要的热量。

在非冬季模式下，关系供暖系统，利用太阳能生产热水供洗浴和开水器预热使用，即在阳光充足的时候，热水系统采用屋顶上太阳能集热器生产热水供病房用水，当太阳光能不充足的时候，开启90kW的电辅助加热设备进行补充加热，将经过太阳能预热后的低温水一次性加热到设定温度（55℃）后贮藏在恒温水箱供病房用水。开水系统主要在非冬季模式下启用，利用内置于集热水箱内的换热装置将进入开水器的自来水进行预加热后，在进入电开水器进行加热成开水供医务人员、病人及家属饮用。

2.3系统节能效益分析

本项目采用“太阳能+谷电蓄热+电开水”系统为整栋楼采暖、提供洗浴热水和饮用开水，主要节能点和新技术应用主要体现在太阳能集热器、谷电蓄热系统、开水预热系统。综合考虑冬季的防冻以及太阳能辐照量等因素，本项目太阳能集热器系统每年11月中旬到次年2月中旬，太阳能系统进行排空，其它9个月再投入运行。

2.3.1太阳能热水系统年节能量计算

本项目综合考虑周边高层建筑对太阳能集热系统的日均遮挡时间为1.5小时，太阳能集热器年平均即热效率50%，管道和水箱的热损失率0.15，各个月份获得太阳能收益如下表：

全年太阳能可替代能源为：244328kWh。

2.3.3年节能费用

太阳能集热系统全年总节能量为244328kWh，按照当地平电电价0.865元/kWh计算，可每年节约常规能源消耗费用211343.72元，以系统运行寿命15年计算，本项目可节约常规能源消耗费3170155.8元。

2.3.4节能减排量

本项目的全年常规能源替代量为：2169842.85MJ ÷29.308 MJ÷0.33＝90965.04kg标煤。

1）二氧化碳减排量（吨/年）为：224.68吨/年；

2）二氧化硫减排量（吨/年）为：1.82吨/年；

3）粉尘减排量（吨/年）为：0.91吨/年；

以系统运行寿命15年计算，该项目节约标煤约1364.6吨，可减少3370.2吨二氧化碳的排放，减少27.3吨二氧化硫的排放，减少13.7吨粉尘的排放。

 

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