北京城建设计发展集团股份有限公司 100037
摘要：近年来，随着地铁在全国主要城市中的大力发展，城市地铁配套的车辆段大规模的兴建，节能变成为其背后不可回避的话题，因此，太阳能集中热水系统在地铁领域中的应用是必然趋势。本文主要以郑州某车辆段为实例，从郑州地区太阳能资源分析、太阳能集中热水系统选型比较以及防过热、防冻的安全措施等方面进行了阐述。
关键词：车辆段 太阳能集中热水系统 无动力循环 防过热 防冻
能源是国家经济发展和社会进步的重要物质，基础，而我国煤炭、石油、天然气等不可再生能源短缺, 因此节能减排是节约能源、保护生态环境的重要途径。开发和利用可再生能源是节约能源、保护生态环境的重要措施。众所周知，太阳能是未来人类最理想、最安全、最适用的绿色可再生的能源，利用太阳能制备生活热水在我国已有很长的历史，但太阳能集中热水系统在地铁领域中的应用是近几年才出现的。
1实例概况
该车辆段位于郑州东南部，车辆段用地基本为平行四边形，红线范围内长边约1318米，短边宽约340米，总用地约40公顷。车辆段内建筑单体总建筑面积67668.2m2，其中，公共浴室及司机公寓采用集中热水。公共浴室和司机公寓在 总平面的位置示意图如附图-1所示。
图1 公共浴室和司机公寓在总平面的位置示意图
2郑州地区太阳能资源分析
图2为河南省太阳能年均总辐射分布地图，图3为河南省太阳能年均日照时数分布地图，从图中可以看出，郑州太阳能年均总辐射大致在5400MJ/(m2?a)左右，年均日照时数约3000h，属于我国太阳能资源丰富地区，具有利用太阳的良好条件，适宜安装太阳能热水系统。
图2 河南省太阳能年均总辐射分布地图
3太阳能集中热水选型
3.1太阳能集中热水系统的形式分类
近年来，在建筑领域，太阳热水系统按运行方式主要有三种：直流式系统、强制循环系统和无动力循环即热式系统。
直流式太阳能热水系统是传热工质一次流过集热器加热后便进入储热水箱或用水点的非循环热水系统。储热水箱的作用仅为储存集热器所排出的热水，直流式系统有热虹吸型和定温放水型两种。适用于热水规模小，用水时间固定且用水量稳定的建筑。
强制循环太阳能热水系统是利用机械设备等外部动力迫使传热工质通过集热器或换热器进行循环的热水系统。强制循环式太阳系统使循环动力大大增加，有利于提高热效率，实现热水系统的多种功能及控制，是目前应用较广泛的一种热水系统形式。
图3 河南省太阳能年均日照时数分布地图
无动力循环即热式系统是近年来出现的一种新型太阳能集中热水系统。系统集热器的真空管直接插入水箱内，形成一个整体，该整体称为承压单机。真空管内的水经太阳辐射后，开始升温，密度变小，自然循环到水箱内，逐渐把水箱中的水加热，变成热媒，水箱内设置盘管换热器，冷水流经盘管，被水箱中热媒水加热后流出。该系统的特点是无需再设置集热循环泵，水箱、集热器紧凑式自然循环，热水出水水质新鲜，无二次污染。
3.2 车辆段集中热水系统分析
一般来说，车辆段内职工公共浴室和司机公寓需采用集中生活热水系统。案例中车辆段公共浴室为两层，总高度为10.2m，定时供热水，68个淋浴头；司机公寓为4层，设2人标准间47间，总高度为13.2m，全日制供热水。经计算，公共浴室的最大小时耗热量约为850KW，司机公寓的最大小时耗热量为100KW。从以上分析可得，车辆段的建筑高度不高，属于多层建筑，假如采用太阳能集中热水系统的话，集热器所放置高度不会太高；热水系统供应需考虑定时和全日制两种工况存在，热水系统的总耗热量不是太大。
3.3 太阳能集中热水系统方案比选
本案列中列出了三个比选方案，笔者根据车辆段热水系统特点及造价，确定所用方案。
方案1：强制循环直接加热系统。屋顶设置全玻璃真空管集热器，设备间内设置储热水箱，并设置相应的集热供回管，储热水箱设置电辅热。工作示意图如图4所示。
图4 方案1工作示意图
方案2：强制循环间接加热系统。屋顶设置U型管集热器，设备间放置储热水罐，并设置相应的集热供回管，储热水罐设置燃气炉辅热或者采用锅炉一次热水做辅助热源。工作示意图如图5所示。
图5 方案2工作示意图
方案3：无动力循环即热式系统。屋顶设置承压单机，承压单机采用全玻璃真空管集热器，辅助热源采用锅炉热媒水，并在设备间内设置半容积式换热器。工作示意图如图6所示。
从以上三个方案来看，方案一采用直接加热强制循环加开式水箱的方式，热水被反复加热，并存在二次污染，水质差，不稳定，采用电辅热不节能；方案二采用间接加热强制循环加闭式储热水罐的方式，系统稳定，无二次污染，但水被反复加热，水质一般，并且采用U型管集热器，闭式水罐，系统造价偏高，如果采用燃气炉辅热，需引入燃气管，本工程引入燃气管条件不成熟，如果改用锅炉一次热水辅热，则需增加换热罐，因此，增加了系统造价，设备机房的面积也需相应加大；方案三采用无动力循环即热式系统，水箱、集热器紧凑式自然循环，无需集热循环泵，大大减少了机房所需面积，热水出水水质新鲜，无二次污染，采用锅炉一次热水做辅助热源，节能高效。
综合分析来看，方案3为以上三个方案中的最优方案，故采用方案3。承压单机水箱中的热媒水被太阳能加热，高区冷水经过承压单机水箱中的盘管，被加热后进入设备间内的半容积式换热罐，若从承压单机出来的热水低于60℃（可调），锅炉一次热水启动，加热到设定温度停止；若从承压单机出来的水高于60℃（可调），锅炉一次热水不启动。
图6 方案3工作示意图
4 防过热、防冻的安全措施
4.1防过热措施
由于太阳能是不可控制热源，当热水供应系统未投入使用，或者系统使用人数或热耗负荷远低于太阳能集热热量时，集热系统的介质可能被加热到100～200℃。因此，太阳能集热系统的防过热，防爆的安全措施设计是必要的。目前处理措施有：（1）设空气散热器，集热器内水温过热时，通过空气散热器将其过热量散出；（2）集热系统管路上设膨胀罐、安全阀、放气器；（3）采取遮阳措施。
本案例所选方案的承压单机中的水箱本身就是一个开式的水箱，水箱上设置两个与大气相通的开口，这样就很好的解决了集热系统过热问题，并且在设备机房中的太阳能出水管道上设置了膨胀罐。
4.1防冻措施
有结冻可能及北方寒冷地区的太阳能集中热水系统，应考虑集热系统的防冻。目前国内常采用的措施有排空、加电伴热保温、添加防冻剂、倒循环等。本案例处于郑州，属于有结冻可能地区，故本案例太阳能集热系统需加防冻措施，本案例采用集热系统及管道采用电伴热保温。
5 结语
从河南省太阳能资源分布地图来看，郑州太阳能年均总辐射大致在5400MJ/(m2?a)左右，年均日照时数约3000h，属于我国太阳能资源丰富地区，具有利用太阳的良好条件为太阳能资源质量较好地区，适宜安装太阳能热水系统，确定了本案例可采用太阳能作为生活热水系统的热源；通过对车辆段生活热水系统的特点分析，并对三个方案进行了比选，确定了本案例太阳能集中热水系统采用无动力循环即热式系统；承压单机的水箱为开式水箱，可以较好的解决集热系统的过热问题，并设置电伴热保温，解决了集热器及管道的防冻问题。
参考文献
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[5]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?2012.
[6]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.
论文作者:龙袁虎
论文发表刊物:《防护工程》2018年第4期
论文发表时间:2018/7/2
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