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建筑给水排水设计标准GB50015-2019实施指南 (1).pdf1 中国建筑设计研究总院，北京100044；2河北工程大学；邯郸056038)
摘要：现有的太阳能集中热水系统在使用中存在系统复杂、集热效率低、实际运行节能 效果差、建设成本高；.运行中集热器爆管、失效、冻裂、集热系统阀件损坏等事故频发； 综合运行、管理费用高等问题。提出了集贮热式无动力循环太阳能热水系统一改变传统 集热理念的一种全新系统，介绍了系统原理、特点、中试及工程应用，并与传统系统进行 了对比，新型系统具有系统简化、合理适用；集热效率明显提高，无运行能耗；有利于建 筑的一体化，降低建筑成本；妥善解决了传统系统运行中的难题等特点。 关键词：集贮热式无动力循环太阳能热水系统传统太阳能系统集热效率运行能耗
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统”），其核心是突破传统集热理念，在无动力循环系统的基础上用热传导为主的集贮热方 式代替对流换热为主的集贮热方式较彻底地解决了现有太阳能集中热水系统存在的问题 该系统已申请发明专利（专利申请号201410206537.3）
1.传统系统存在的问题及其分析
（1）集热系统复杂 图1是德国太阳能专家为北京奥运村大型太阳能集中热水系统方案设计图，也是德国 太阳能公司推荐的一种典型的系统模式，奥运村的太阳能集中热水系统除将图中的贮热水 罐改为贮热水箱外，其他均按其设计安装。 该系统的设计要点是，通过第一级集热循环系统换热集热，提高集热系统承压能力， 借以提高集热水温，充分集取太阳能光热。第二级集换热是为了避免第一级集贮热水罐 （箱）体积太大，其下部低温区易滋生军团菌等细菌。冷水经二级集贮热水罐通过板式换 热器将其加热或预热，再进人常规热源的水加热器辅热，或直接供给系统用水。 从图133可看出，图中的辅热供热水加热器之前的1～10共计10种设备、设施均为 太阳能集热系统的组件，比常规热源的热水系统复杂得多。当然在国内众多传统系统中绝 大多数系统的太阳能集热部分没有图133那么复杂，但为集热用的换热器、集热水箱 （罐），循环泵是不可缺少的组成部分，系统的复杂无疑要增加复杂的控制，并给工程建 设、运行管理带来诸多麻烦，
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1集贮热式无动力循环太阳能热水系统
图134真空管集热器集热循环管路布置示意
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所示，传统系统的动力能耗，包括集热循环泵集热运行时的能耗、防冻倒循环时的能 耗和空气散热器的能耗。 据一些工程初步估算，在系统正常运行的工况下，集热时循环泵的运行能耗占太阳能 有效供热量的2%10%（直接供水系统2%～5%，间接换热供水系统5%～10%），寒 冷地区需做防冻倒循环时，循环泵能耗约增加5%，即循环泵的总能耗约占太阳能有效供 热量的2%～15%。然而对于闭式承压系统，运行中产生气堵难以避免，因此循环泵实际 运行能耗将比上述比例大，如果集热系统再采用空气散热器作为防过热措施，则系统运行 能耗更大。 另外，集热循环系统包括集热水箱（罐）与集热循环管路的散热损失占整个有效集热 量的15%～30%，当采用小区多栋楼共用太阳能集热系统时；由于集热循环管路长，其热 损失占的比例更大。因此，实际运行的传统系统扣除上述能耗后，利用太阳能加热冷水的 有效得热系统效率按轮采光集热面积计算为15%～30%。 2）供热系统的能耗 传统系统中的供热系统，为节省一次投资及占地面积，大部分均采用供热水箱十热水 供水泵的方式供热水，如图135所示，这样带来的问题一是需增设专用热水供水泵组（变 供水泵组）增加一次投资；二是为保证系统冷热水压力平衡而增大设置难度；三是不能 充分利用冷水供水系统压力，从而增加能耗。
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③玻璃管内壁因水温高容易结垢，当冷水进人内腔后造成玻璃管传热不均导致爆管 图137为某工程玻璃管因结垢损毁照片。 ④玻璃管加工原因造成爆管。玻璃管加工过程中，玻璃管的材质、厚度均匀性、 膜、尾部封装的加工质量也会影响玻璃管的机械性能，造成爆管现象。施工安装用力迁 猛、野蛮装卸等原因也会造成爆管现象。
图137全玻璃真空管结垢、爆管工程案例
图138U形管金属玻璃真空管集热器构造原理
3）热管真空管集热器运行中易产生真空破坏致集热失效 热管真空管集热器是由带平板镀膜肋片的热管蒸发段封接在真空玻璃管内，其冷凝
图140不合格集热器因冻坏造成的工程事故
5）防过热问题难以解决 在太阳能辐照量较好的夏季，当用水量持续偏小或不用水时，传统系统温度过高，系 统压力增加。集热系统在高温状态下运行，将会导致一系列的系统问题，如高温造成传热 介质的气化损失、变质，太阳能集热器上非金属材料的老化和破坏，从而降低太阳能集热 器的使用寿命等。常见的防过热措施主要有遮阳、加装散热器等。 散热器主要是通过自动控制三通电动阀和风机、冷却器等来达到防过热目的，在达到 设定温度时三通电动阀控制散热器开启进行强制散热，将集热系统的温度降下来，达到保 护集热系统的目的。散热器技术成熟，散热效果好，能够确保系统的过热保护。欧洲大型 集中太阳能系统均配置散热器防过热设备，显而易见需要增加投资和运行管理成本；国内 太阳能是低成本的工程市场，一般没有采用散热器防过热设备。遮阳措施效果明显，但靠 人工遮掩管理费事、费力，且遮阳设备难以贮存和管理，并需人工费用；电动遮阳造价昂 贵，一般项目难以承受。因此，国内太阳能系统基本没有专门的防过热措施，这也是国内 太阳能系统不能长期稳定健康运行的重要原因之一。 6）自动控制、阀门及附配件容易损坏 由于传统系统采用循环泵承压运行，系统管网内温度、压力常剧烈升高，温度最高可 超过200℃。因此所有集热系统用到的关断阀、温控阀、安全阀、放气阀等均需要耐受超 高温要求，而这正是国内太阳能市场的薄弱环节之一。国内缺乏专业制造太阳能配套阀件 的企业，相关配套产品不能满足严酷室外冷热环境的要求，类似国外进口产品质量可靠，
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但价格较高。 另外，传统太阳能集热系统需要复杂的控制系统，以北京奥运项目为例，集中太阳能 集热系统主要控制功能包括：水箱定时上水功能、自动或定时启动辅助加热功能、集热器 温差强制循环功能、集热器定温出水功能、防冻循环功能、生活热水管路循环功能、电伴 热带防冻功能、防过热散热器启停功能等。上述功能实现的核心控制元素为温度控制，温 度采集的精确性对系统健康运行、提高效率至关重要；温度探测部分（一般为温包）设置 部位、构造形式、测温精度对太阳能系统的效率具有显著影响；目前温度计的精度一般为 土（1～3）℃，温差循环的设计温差为2～8℃，工程实测表明，在工程安装中温包的位置 和安装质量对温度精度影响显著。综上原因，目前集中太阳能集热系统自动控制功能远不 能满足正常运行的要求，故障频发，不得不依赖人工手动操作，造成维护管理成本较高， 系统难以正常运行。 7）维护管理烦琐 传统系统日常运行中需要妥善的维护管理，除集热器的清扫与维护外，还包括复杂的 集热循环系统、防爆管、防过热系统、防冻系统及其相应的自动控制器件的维护管理，工 作烦锁、成本鼻贵，稍有疏忽，将严重影响系统的运行效果。
2.无动力循环太阳能集中热水系统
（1）课题的提出 1）.传统系统的实测与存在问题原因分析 我院从2008年开始，连续为广州亚运城、中央财经大学等多个大型项目设计了太阳能 集中热水系统，并对广州亚运城、中央财经大学等不同项目进行了工程系统运行实测；通过 实测数据和广泛的调查分析，发现并总结了传统系统存在的前述工程问题。在此基础上，进 行了深人的分析、对比、研究，找到了这些问题存在的主要根源是：传统系统采用集热与贮 热分离的方式，通过机械循环集贮热，使集热系统复杂化、集热器承压高温运行所致。 2）课题立项 针对传统系统存在的问题并对其原因分析研究，结合我院承担的国家科技部课题“太 阳能与热泵管网贮热技术集成与示范研究”，研制开发了集热、蓄热、换热为一体的无动 力循环集中太阳能热水系统，这种系统可不需要集热循环系统，集热温度不超过100℃。 该项科研成果取得了国家发明专利一项，实用新型7项。专利技术进行有偿转让并形 成一定的生产能力，在多个实际工程中得到应用。 3）试验基地的建立 我院为了配合国家科技部课题的研究，于2011年北京通州建立了太阳能试验基地 针对陶瓷平板集热器、无动力循环集中太阳能热水器等设计安装了不同形式的太阳能热水 系统；并对系统进行了研究和测试，取得了一系列实测数据，并顺利完成科研课题。 （2）无动力循环太阳能热水系统研制与应用 1）系统原理及特点 无动力循环太阳能热水装置：将贮热箱体与集热元器件紧凑式连接，依靠自然循环集 热，将太阳能集热、贮热、换热集成一体的无动力循环太阳能热水装置；系统原理见 图141
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图141无动力循环太阳能热水系统原理
图142出水温度与箱体内热媒水的温
2个淋浴喷头，2个淋浴喷头十1个热水 龙头的三种工况，测试系统的最大供热 能力、供热稳定性。2012年8月5日的 测试结果见图142。 实测表明，在10min的供热水时段 内，系统热水出水水温稳定。系统热水 出水水温与贮热箱体内水温存在平稳的
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对应关系，即35℃温差。经集热箱 内置的30m不锈钢波纹换热盘管换热 后，热水供应基本满足设计工况的 要求。 b.二期测试。按5组集热器并联 设计，集热面积18m²，每m²产热水 量按温升30℃热水量为60L贮存容 积；按50%保证率计算，可供18～ 20户住宅用户，相当于梯2户住宅 9层住宅的个单元。试验平台照片 见图143
专题11集贮热式无动力循环太阳能热水系统
试验在同时开启3个热水龙头供应生活热水时，贮热箱体中热媒水，以0.35℃/min 的速度下降。在夏季正常日间下午5时，贮热水罐内热媒水水温达到80℃，系统不依靠 辅助热源加热的情况下，可提供60min的高温热水。冷水经过换热器的阻力损失稳定在 3m左右。 ②无动力循环太阳能热水系统工程应用 某大学一期工程核心地块学生公寓，服务人数3700人，采用无动力循环太阳能系统 制备生活热水。按每座宿舍设1套独立的太阳能热水系统，宿舍楼共设3套系统，食堂单 设1套系统，根据屋面实际状况，集热面积约1382m²，贮热总容积约90m3，太阳能保证 率理论计算为50%，系统原理见图144。 （3）集贮热式无动力循环太阳能热水系统一一改变传统集热理念的一种全新系统 如上所述，无动力太阳能热水系统在简化系统，减少运行故障及方便管理等诸多方面 起到了很好的作用，但被加热水直接经集热器内换热管换热，是一个即时过程，难以带走 集热器已集取的大部分热量，且存在被加热水阻力较大，阻力变化及换热管内壁结垢影响 换热和出流等问题。为此，我们通过多次模拟实测与研讨，终于找到了条较彻底地解决 现有太阳能集中热水系统存在问题的途径一一采用集贮热系统改变传统集热理念，变换热 为主的集热方式为热传导为主的集、贮热方式集取太阳能。 众所周知，太阳能是一种低密度、不稳定、不可控的能源，与以蒸汽、高温水为热媒 的常规热源热水系统相比其集热过程是缓慢的，而传统系统大都是套用常规热源系统以对 流换热为主的集热模式，通过循环泵、换热器或贮热水箱来集贮太阳能，然后再通过辅热 换热器（箱）供给系统热水，这样个承压、高温（～200℃）、复杂的过程势必带来前述 存在的一系列难以解决的问题。 集贮热系统的核心就是适应太阳能低密度等特点，将太阳能的集、贮热集于集热器 体，如图145所示：集热器主要由U型管玻璃集热真空管·（以下简称集热管）、开式集热 外箱（以下简称外箱）和闭式集热内箱（以下简称内箱）组成。其工作原理为：集热管集 取太阳能光热经自然循环加热外箱内热媒水。 热媒水通过热传导加热内箱内的水，由于太阳能是低密度能源，集热管集热和通过 自然循环加热外箱内的热媒水过程缓慢，内箱内的冷水则可通过简壁的热传导，同时集 取外箱热媒水传导的热量，内、外箱在此过程中几乎处于同一水温。当系统用水时，冷
试验在同时开启3个热水龙头供应生活热水时，贮热箱体中热媒水，以0.35℃/min 的速度下降。在夏季正常日间下午5时，贮热水罐内热媒水水温达到80℃，系统不依靠 辅助热源加热的情况下，可提供60min的高温热水。冷水经过换热器的阻力损失稳定在 3m左右。
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图144某大学学生宿舍无动力循环太阳能热水系统原理
水顶进内箱，将箱内的热水供给用 户。集中热水系统具有间隙用水的 特点，当内箱内的热水被全部或部 分顶出后，其水温随之下降，但外 箱热媒水仍处于高温，通过热传导 又可将内箱水缓慢加热，这样周而 复始，整个集热器集取的热量可以 得到充分利用。另外由于集热器内 箱断面较大，由同区给水管输人内 箱的冷水顶出热水时，流速很低， 阻力很小，而且筒内壁形成的结垢 层对过水断面的影响也很小，完全 可以保证用水点冷热水压力平稳
图145集购热系统集热原理
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专题11集贮热式无动力循环太阳能热水系统
（4）集贮热系统的工况测试时间：2014年5月28～30日；地点：浙江上虞 1）杭特容器有限公司；测试系统：测试系统由6个集热器模块组成，分成并联的3 组，每个集热器模块规格见表69。
2)·测试集热器组的布置见图146。
3）测试结果（见表70）。 4）测试集热器集热效率见表71
图146测试集热器组的布置
2014年5月28集购热系统主要测试数据汇总
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专题11集购热式无动力循环太阳能热水系统
图147住宅集贮热系统
日148宾馆、医院、公寓集贮热系
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共给，而流经集热器的水流阻力很小（小于1m），与图139相比，不仅充分利用了给水系 统的压力，同时能确保冷热水系统压力平衡，系统合理、舒适。此外，在供热系统中设置 了恒温混水阀，太阳能热水水温过高时，可通过此阀混合成50～55℃热水，稳定供水水 温又可避免烫伤事故的发生，还能减少供水管道的热损失，
②公共建筑一般采用集中集热、集中供热的太阳能热水系统。 图148系统适用于公建项目，集贮热式无动力太阳能热水系统与图133所示的典型传 统系统相比，系统的简化效果更明显，该系统没有图133的一、二级集热换热系统，没有 相对应的集贮热水箱（罐）及多台集热换热器和循环泵，没有为防止集热系统高温爆管用 的空气冷却器。这些在保证系统合理使用条件下的简化，将给设计、施工、管理及使用带 来极大便利，能真正突显出利用太阳能的节能效果。 2）集热效率明显提高，且无运行能耗 集贮热系统的集热器为集热、贮热一体的装置，单个集热器一天集取的热量均分别贮 存在集热器的内外水箱内，与传统集热器采用换热方式将集取到的热量传输到集中的贮热 箱（罐）的方式相比，不仅省去了循环系统，省去了循环管路增加的热损失，而且每个集 热器均能独立集贮热，不会因循环管路的短路、气堵等而影响其集热效率，即系统中的每 个集热器都能充分集热，基本上做到了系统的集热效率等同于单体集热器的集热效率。同 时，每个集热器集取的热量除小部分散热损失外，均能将冷水预热或加热供给用水，不像 传统系统的温差循环，低温热量得不到利用。另外，集贮热系统无集热循环系统，即无循 环管路，集热器之间只有很短的连接管道，其热损失要比传统系统小很多。因此，其实际 系统集热效率可达50%以上，为传统系统实际应用效率的2～3倍。
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集贮热式无动力循环太阳能热水系统
集贮热系统无运行能耗体现在集热系统和供热系统两个方面：一是集热系统省去了循 环系统集热，因此省去了循环泵的能耗；二是相对于以水箱集贮热的传统系统（见图7）， 集贮热系统中的供水系统不仅系统简单，能充分利用给水系统水压，而且无需另加供水 泵，节省了因增加供水泵而增加的系统能耗。 3）有利于建筑的一体化，降低建筑成本 集贮热系统省去了换热集热循环系统，也就省去了集热水箱（罐）及相应的循环泵： 没备机房，简化了集热供热管路，同时也省去了复杂的且容易出故障的自动控制系统；因 比它为解决设置集中太阳能系统与建筑一体化的难题提供了便利条件，尤其是屋面上不需 设水箱间等有碍建筑立面的问题不再存在。 集贮热系统对传统系统的简化，也使得设计太阳能热水系统的给排水专业、建筑专业 及其他相关专业的设计工作大大简化，为确保设计质量提供了保证。 集贮热系统的集热器单体，因其集贮热箱的增大和特殊换热构造，与传统的单体集热 器相比，自然要增加成本，但系统省去上述传统系统的大水箱（罐）、水泵、机房及控制 设施等，因此系统总体比较，建筑成本有所降低，详见本文第4节分析。 4）传统系统运行中的难题得到妥善解决 ①集热系统为开式系统，解决了传统系统的爆管和集热管失效的难题。前文已述及 传统系统中，由于集热系统温度最高可达约200℃，因此集热管易产生爆管及失效。集贮 热系统的集热部分为开式构造，运行中集热的最高温度≤100℃，而且集中热管与外箱不 承压，因此，它完全消除了因高温、承压而引发的集热管爆管和失效的事故。 ②消除了循环泵、集热自动控制系统的运行故障。集贮热系统用热传导集贮热，取 消了传统的循环换热集热系统，取消了循环泵，因此也消除了传统闭式系统因高温汽化系 统排气不畅形成气堵引起循环泵工况恶劣，甚而产生空转，烧坏电机的故障。另外，相应 的自动控制部分也被取消，因此，该系统也消除了集热自控部分的故障。 ③缓解了防冻问题。集贮热系统的单个集贮热箱体，要比传统系统的单个集热器的 水容量大得多，其介质热容量为传统系统单个集热器的50～100倍，因此相对耐冻的时间 要比传统系统长得多。集贮热箱体工厂内一次保温成型，保温效果远好于传统水箱现场保 温做法，基本上解决了箱体防冻问题，对于严寒地区，集热介质可添加防冻液防止集热管 冰冻，室外冷热水管可按常规做防冻保温处理。 ④运行管理费用低廉，适应用热负荷的变化。由于太阳能是一种低密度、不可控、 不稳定的热源，因此传统系统在实际工程中存在因用热负荷极大差异带来的运行管理费用 高昂的困境，这在住宅建筑中尤为明显。一般住宅建成后，住户的入住有一个很长的周 期。有人人住就得使用热水，当采用常规热源时，由于热源可控，可以根据系统用热量的 需求来调节供热量。但太阳能热水系统中太阳能不可控，无法调控，即使用热负荷很低 整个太阳能热水系统均需开启运行。除了集热循环泵运行耗能外，整个系统管网亦存在很 大热损失引起的能耗。另外，因太阳能集取的热量过多，对于闭式集热系统还需采用空气 冷却器等耗能的措施散热。 这些相应的运行能耗均分摊在刚人住的少数住户上，热水的价格将高达20～40元， m，甚至更高，引起住户的强烈不满。因而有的住户放弃使用太阳能热水，改用自备热 水器热水，这样的恶性循环其结果就是整个太阳能热水系统的瘫痪。
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集贮热系统相当于一个冷水的预热系统。冷水经它无需任何附加能耗，该系统预热或 预热辅热后直接供热水，不会因此增加运行成本。即运行成本低廉且平稳，适应太阳能不 可控等特点，使太阳能热水系统成为一个真正的节能系统，适用于系统各种不同的使用 工况。
（1）工程实例及系统简介 北京某大学5层宿舍楼，采用太阳能集中热水供应系统，每层设集中淋浴房。辅热热 源为自备锅炉热水。 单栋宿舍楼的太阳能集热的面积为410m²，系统总集热面积为1382m²，以下比较采 用传统系统与集贮热系统的一次投资、维护费用、节能效果、回收年限等。总投资按一期 工程太阳能投资总额计算，总集热面积1382m²，太阳能保证率50%。 （2）系统对比及分析 1）单幢宿舍集热系统一次投资比较（见表72）
单幢宿舍集热系统一次投资比较
注：防过热措施包括空气冷却器或遮阳措施等。
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行维护费用比较见表71
年运行维护费用比较见表73
主：管理人员工资40000元/（a·人）；电价0.7元/(kW·h)。根据工程现状，为方便比较，不考虑传统系统防过 热费用：如果考虑传统系统增加维护人员和其他维护成本，传统系统回收年限更长。
2）全系统年节能效果比较（见表74）
2）全系统年节能效果比较（见表74）
主，按年平均太阳辅照面密度650Wm/m，有效日照时间6
注：①节约能源按电费计，电价按0.75元/（kW·h)； ②本工程为学校建筑，考虑到寒暑假放假，扣除60d，并考虑北京阴雨天的天数，实际有效运营天数按260d 计算，因此回收年限比一般工程要长一些； ③通过上述对比比较，在10～15a内，由于人工费用昂费，传统系统如果需要更多的人工维护和更换设备及 附配件，回收期限还会加长； ①随券能源价格大幅度提高，集贮热系统的经济效益将更为突出。
本文在针对现有太阳能集中热水系统存在问题进行部析的基础上，详细介绍了集贮 式无动力循环太阳能热水系统，该系统具有下列特点： （1）遵循太阳能为低密度热源的光热规律，采用热传导为主的集热方式代替传统系
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盲沟施工组织方案《生活热水水质相关研究总汇》
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