北方高寒地区太阳能集中供热水系统的应用

佟 辉

(大庆油田电力集团宏伟热电厂，黑龙江 大庆 163411)

随着社会环保要求的不断提高，常规燃料锅炉提供的生活热水，很难做到能源合理利用和环境保护达标。为了节约能源，减少建筑能耗对一次能源的巨大消耗，目前，在太阳能资源比较丰富的地区，很多企事业单位开始利用太阳能来集中供应热水。然而在使用中发现该系统存在一些问题，如介质热媒流程长，集热、储热、补热转换环节多，控制过程复杂，受建筑物质量及天气因素影响较大等。特别在北方高寒地区应用时还出现管路冻堵、集热管炸裂等现象。所以，为了避免这些问题的发生，更好地利用太阳能，2013年，在大庆油田某宾馆屋顶安装的一套大型太阳能集中供热水系统，据此分析太阳能集中供热水系统在高寒地区应用中出现的问题及应采取的解决措施。

1 集中供热水系统运行情况

在大庆油田某宾馆屋顶安装的一套大型太阳能集中供热水系统，共有太阳能集热器45组，集热面积342 m2，设计日产热水量26 t。太阳能集中供热水系统运行原理如图1所示。

图1 太阳能集中供热水系统运行原理示意图Fig．1 Operational principle schematic diagram of solar energy central heating water system

在图1中，太阳光照射到集热器上将水加热，当集热器水温高于集热水箱水温10℃时，集热循环泵启动自动将热水打入集热水箱中，当集热水箱水温高于供热水箱水温10℃时，水箱间循环泵启动自动将热水打入供热水箱中，如此反复循环保证供热水箱温度始终在50℃以上。当高寒地区阳光不充足无法满足供热水箱温度要求时，水箱内辅助电加热自动进行加热升温。为了减少不必要的用电浪费，根据宾馆热水需求，一天设定了5次定时电加热供热水箱，当到达设定时间段且供热水箱温度小于设定温度时，供热水箱电加热自动启动，对水箱中的水进行了加热，当供热水箱温度大于50℃时，供热水箱电加热自动停止。当供热水箱水温高于45℃时，1号—3号电动三通阀自动打开，经变频循环泵为宾馆提供太阳能产生的热水。如果供热水箱水温低于45℃时，1号—3号电动三通阀自动关闭，由原有宾馆热水系统为宾馆提供热水。为保证宾馆用水即开即热，对宾馆末端回水水温进行了实时监测，当末端回水水温在35℃以下时，回水电磁阀自动打开，直到末端回水水温达到45℃时，回水电磁阀自动关闭。另外，本项目建立了远程监控系统，实现了数据智能采集、存储、统计分析和告警提醒等功能，便于对集中供热水系统运行情况进行实时监测管理。

2 高寒地区使用该系统出现的问题及解决措施

2．1 管路防冻温控技术

冬季北方高寒地区气温很低，太阳能集热系统管路内的水会结冰，影响水循环，导致管路冻堵，造成整个太阳能集中供热水系统瘫痪［1］。以往在管路防冻方面采取的措施是加装普通电热带，但会增加能耗，而且电热带长期运行也会增加新的安全隐患。为更好解决这一问题，本项目实施时研究了管路防冻温控技术，即采用管路防冻循环和电热带防冻相结合方式，根据管道温度，自动控制启动防冻系统，确保管路冬季无冻堵。

在管路防冻循环方面，对集热器管路和水箱间管道，利用了自动化温控技术，进行管路循环，防止管路冻堵。当集热器管道温度≤5℃时，集热循环泵开启进行管路循环，将水箱内热水打进集热器;当集热器管道温度≥10℃时，控制系统关闭循环泵;当水箱间管道传感器温度≤5℃时，水箱循环泵启动;当水箱间管道传感器温度≥10℃时，水箱循环泵关闭(具体管路温度测点位置见图1)。

在电热带防冻措施上，采用自限温电热带控制伴热。自限温电热带是由热塑性树脂与导电碳黑经过分散复合而形成的导电性复合材料，具有电热转换及自动调节限制温升双重功能。在加热过程中，这种高分子材料的内部半导体通道数量(即电阻)发生了正温度系数的变化(PTC效应)，实现了自限式控制，即防冻带温度越高，电阻越大，电热功率自动减少，当电热功率趋于极小值时，温度便升到了高限，以保证防冻带始终稳定在恒定的最佳温区正常运行。另外，自限温电热带腐蚀速度慢、耐老化、抗电击，能有效减少火灾隐患。当集热器管道温度≤防冻电热带启动温度(3℃)时，防冻电热带启动;集热器管道温度≥防冻电热带停止温度(15℃)时，防冻电热带关闭(自限温电热带的安设位置见图1)。

2．2 防炸管及炸管报警技术

本项工程集中供热水系统太阳能集热器是由全玻璃真空太阳集热管组成。集热系统在晴天运行时，如果长时间空晒，系统内部及全玻璃真空太阳集热管内会因缺水出现高温，温度可高达450℃左右，这时如果突然给系统内部加入冷水，就会造成系统部分或者全部玻璃真空太阳集热管炸管或者破损，管内热水流出使屋顶积水，不但造成系统瘫痪无法使用，而且在气温较低的高寒地区漏出的水会在楼顶结冰，存在很大的安全隐患［2］。因此，有效预防或及时发现和处理炸管问题，对大型太阳能集中供热水系统来说，是重要的安全使用和技术保障。

1)防空晒炸管高温断续循环技术措施。当集热器温度≥高温断续循环启动温度(85℃)，且集热器温度仅高于集热水箱温度2～10℃范围内时，集热循环泵每循环10 min，停20 min;当集热器温度≤高温断续循环停止温度(80℃)，且集热器温度－集热水箱温度≤2℃，或集热器温度－集热水箱温度≥10℃时，停止高温断续循环;当集热器温度≥防炸管启动温度(90℃)且集热器与集热水箱的温差≥防炸管启动温差(30℃)时，停止集热温差循环功能;当集热器温度≤防炸管停止温度(85℃)或集热器与集热水箱的温差≤防炸管停止温差(25℃)时，恢复集热温差循环功能。

2)炸管报警技术措施。在集热系统的集热循环供水和回水管道分别安装一个电磁流量计，系统自动巡检。当集热管炸管时，系统检测到供回水流量差突然增加，或集热水箱水位急剧下降而达到报警值时，系统自动以手机短信形式和监控系统中的警笛形式及时通知维护人员进行处理维修。

报警内容:

流量计供回管路偏差值报警。当集热系统供水管路流量－回水管路流量≥报警启动流量(20 m3/h)时，系统报警。

集热水箱水位报警。双水箱系统，集热水箱应为常满，当出现炸管后会使集热水箱水位迅速下降。集热水箱水位降到报警启动水位后(L=75%)，系统报警。

2．3 建筑物的安全保障

太阳能集中供热水系统一般安装在建筑物的屋顶，而集热器安装需要钢结构支架的支撑，在北方高寒地区屋顶安装集中供热水系统不仅要考虑防雷和承重等问题［3－4］，而且要考虑施工中破坏屋顶防水层而引发的渗漏问题。因此，为有效避免因雷击造成设备的损坏，本项工程将屋顶光热系统钢结构支架与限流型避雷针相连接，并与原有建筑物避雷带相连，经检测满足防雷接地的要求。屋顶承重载荷方面，原有建筑屋面板为空心板结构，屋面板上部在原设计之初并未考虑后期需新增荷载需求，因此，受屋面板结构及承载力等因素影响，给设备安装增加了限制和约束。为解决这一问题，设计采用多点横竖布局形成点阵式钢结构基础形式代替常用的钢筋混凝土结构，如图2所示。

同时，对基础与屋面板结构的连接采用“避让”与“补缺”两原则进行设计。“避让”即避开空心板结构受力筋，防止对屋面结构承载造成损伤，“补缺”即为在空心板需固定膨胀螺栓孔洞部位填充细石混凝土对膨胀螺栓进行锚固，有效地解决了锚板的固定问题。

屋面防水是施工中的重点和难点问题，即要考虑雨季施工防水问题又要考虑如何解决原防水层破坏后的恢复及结合问题。因此，在施工中采取分段施工的方式，做好对施工区的防雨遮盖，对破坏处采取局部用防水胶密封防水的措施，基础做完后用自粘卷材再对屋顶全面进行防水保护处理，较好地解决了与原防水层结合及整体防水保护等问题。另外，在屋顶集热器支架间设计了专用安全检查通道，敷设了能起保护作用的红胶版，在人员参观和巡视检查时既不破坏防水层，又保证了人员巡检和维修的方便。

3 结语

该项系统于2013年1月正式投入运行，至今，经过1 a多的实践证明，该系统运行安全稳定，且取得了客观的经济效益。

图2 太阳能集热器常规基础与本项目基础设计的对比Fig．2 Comparison of conventional solar energy heat collector and the project of foundation design

［1］郑瑞澄．民用建筑太阳能热水系统工程技术手册［M］．北京:化学工业出版社，2006．ZHENG Ruicheng．Engineering handbook for solar energy water heating system of civil building［M］．Beijing:Chemical Industry Press，2006．

［2］罗运俊，李元哲，赵承龙．太阳热水器原理、制造与施工［M］．北京:化学工业出版社，2006．LUO Yunjun，LI Yuanzhe，ZHAO Chenglong．Principle of solar water heaters，manufacturing and construction ［M］．Beijing:Chemical Industry Press，2006．

［3］民用建筑太阳能热水系统应用技术规范［M］．北京:中国建筑工业出版社，2005．Technical specification for solar energy water heating system of civil buildings［M］．Beijing:Chinese Architecture Industry Press，2005．

［4］魏斯胜，郎仲杰．非承压集热器热水工程中炸管原因及预防措施的探讨［J］．太阳能，2009(3):59-50．WEI Sisheng，LANG Zhongjie．Discussion of causes and preventive measures on tube explosion of non pressure heat collector in the hot water engineering［J］．Solar Energy，2009(3):59-50．