太陽能資訊：工程案例｜軍隊某士兵綜合樓太陽能熱水洗浴系統的優化改進
摘要：本文介紹了軍隊某士兵綜合樓太陽能熱水洗浴系統原設計安裝的情況，幾年來在使用中存在的問題，針對已出現問題的優化改進方法，改進後的使用效果，並提出了對類似太陽能熱水系統的設計安裝建議。
關鍵字：太陽能熱水系統，全天24小時供熱水系統，多台並聯太陽能熱水系統
0 引言
太陽能具有節能環保無污染等優點。隨著國家節能減排政策在各個領域的逐步落實，近幾年，太陽能熱水洗浴系統在軍隊系統也得到了越來越多的應用，並且還將得到更加廣泛的推廣。
軍隊營房洗浴具有洗浴人數多、洗浴時間相對規律等特點。在實際應用實踐中，
本文根據筆者全程參與士兵綜合樓太陽能熱水洗浴系統存在問題的調研，設計方案改進，改進後的使用效果跟蹤，對士兵綜合樓太陽能熱水洗浴系統的設計施工要點進行了總結，
1 工程概況
該士兵綜合樓地上九層，地下一層，面積8675平方米，其中八～九層，每層14戶，共28戶，每戶房間內設有面盆及淋浴設施；四～七層為單身宿舍，每層11間，共44間，房間內設面盆及淋浴設施；二層為衛生所，設有2個用熱水面盆。大樓設計有熱水供回水循環系統，並將熱水供回水總管留在樓頂樓梯間，並在樓頂樓梯間的電氣設備間內預留150kw三相動力電，
本專案樓頂的太陽能熱水系統採用了20台標準化、模組化的大容量真空管太陽能熱水器，單台模組化大容量真空管太陽能熱水器的貯熱水箱容水量為1000L，組成了總容量20m3的太陽能熱水系統。每個1m3的模組化大容量太陽能熱水器水箱內，均設置了快速換熱裝置。各台大容量真空管太陽能熱水器的真空管太陽能集熱管將各自1000L貯熱水箱內的水加熱；陰雨天或用熱水量超量時，
圖1 士官宿舍樓原太陽能熱水洗浴系統圖
2、系統實際運行出現的問題
本太陽能熱水系統自2011年安裝完成投入使用。在開始的近一年內，使用基本正常。但自2012年冬季開始，在使用中陸續出現問題，尤其是在冬季，出現問題的頻率最高，且系統故障問題常常出現在節假日尤其是春節放假期間，因維修人員放假，出現維護不及時，並由此導致樓頂熱水及自來水供水管路結冰，造成系統癱瘓，節後要花費較長的時間恢復運行。住在本樓的官兵、工作人員及家屬，因較長時間不能使用熱水，群體性意見較大。根據2012~2016年秋季期間，該太陽能熱水系統運行出現問題的調查，主要問題與故障大致如下。
（1）太陽能供熱水溫度低，無法洗浴
經調查分析，導致太陽能系統供熱水溫度低的原因主要有以下幾種：
a) 水箱水位不一致所致。
本太陽能系統有20個1000L貯熱水箱，原設計的水箱水位判定，是根據20個水箱其中一個水箱的水位判定是否給各個水箱補水的依據。在實際使用中，經常出現有些水箱不缺水，有些水箱很缺水。當被檢測的水箱缺水，系統自動補水時，不缺水的水箱補水，出現水滿漫水，水箱內的熱水被沖入水箱的自來水頂出，導致水箱貯存的熱能流失；當被檢測的水箱不缺水時，缺水的水箱不能及時得到補水，導致水箱內的快速換熱器裸☆禁☆露，不能將水箱水的熱能換走。以上兩種情況，均會導致太陽能系統出熱水溫度低，從而影響使用。
b) 系統部分水箱內的電加熱器器損壞所致。
系統部分水箱內的電加熱器損壞，在陰雨天時，這些水箱電加熱器不起作用，水箱內的水可能是涼水，而電加熱器正常的水箱，水箱內的水是熱水。這樣當洗浴用熱水時，從電加熱器正常的水箱內，換熱器換出來的是滿足洗浴要求的熱水，但從電加熱器損壞的水箱內，換熱器換出來的水是涼水，這樣混合後，供應到樓內熱水管路的水可能是溫水。當供應到樓內熱水管路的水溫低於洗浴需要的40℃時，使用者感受到的就是不能洗浴的溫水，所以一直放水，更加導致水溫降低，也帶來嚴重的自來水和熱能的浪費。
c）太陽能系統漏水所致。
當樓頂太陽能系統因各種原因出現漏水時，比如真空管炸管，或者真空管與貯熱水箱的密封圈密封不嚴，出現慢漏水。這時，將可能導致間斷性地向太陽能貯熱水箱補水，導致太陽能的熱能流失；或者漏水導致貯熱水箱水位下降，水箱內的快速換熱器無法換取水箱內的熱量。
(2) 冬季供熱水管路內結冰，導致系統無法供熱水
在冬季，尤其是在嚴寒發生的時候，由於防凍迴圈未開，或者局部防凍電伴熱帶失效不發熱等原因，會導致樓頂室外的自來水供水或者熱水供回水管路結冰。導致系統無法迴圈和供水。這種情況，如果發生在春節或者其它節日，由於維修不及時，換將導致樓頂整個管路系統結冰，維修更是困難。這種情況將導致較長時間太陽能熱水系統不能使用，使用者的意見會很大。
（3）樓頂太陽能供水管路系統系統故障，導致樓頂漏水
樓頂太陽能系統管路處於室外，在風吹雨曬等條件下，會出現各種故障。本系統出現的故障主要有：系統供水管路接頭開裂導致漏水；系統水路系統管件開裂導致漏水；系統管路上的閥門開裂導致漏水；系統供回水管路與水箱的介面脫落導致漏水。
系統漏水在非結冰季節，主要是樓頂漏水，還好處理。但在冬季結冰的時候，一旦漏水，樓頂屋面將結冰，處理起來非常困難。根據本太陽能系統實際運行的故障統計，因為冬季漏水結冰導致的故障，影響最大，維修持續的時間也最長，維修的難度也最大。
樓頂太陽能系統換出現了其它故障，比如：自來水水壓低導致的故障；系統放水後，再次補水，沒有排除系統管路內的空氣導致的故障；樓頂下水口被垃圾堵塞導致樓頂積水不能排除等，使用者使用不當導致的故障等。這些故障，這裡不再深入分析。
3、樓頂太陽能熱水系統設計完善與改造情況
通過近5年的使用，太陽能系統存在的缺陷，基本上都已暴露出來。為了徹底解決出現的問題，使用單位與原設計安裝的太陽能廠家全力配合，經過多次反復，將太陽能系統在使用中出現的問題和出現問題的原因全部調查分析清楚。並根據問題原因和現場實際條件，提出了多種解決方案，經過反復對比和改造方案優化，於2016年11月，由原設計安裝的太陽能廠家，將原來的太陽能系統，做了徹底的改造。自2016年12月投入使用至今，經過冬季、春季、部分夏季的使用，一直運行正常至今，從沒有出現過任何故障。運行至今的實踐證明，改造是成功的，用戶十分滿意。本次改造後太陽能系統見圖2。
圖2 士官宿舍樓改造後的太陽能熱水洗浴系統圖
改造後的太陽能熱水系統主要有以下特點：
（1）由原來的各個太陽能水箱既有太陽能加熱，也有電輔助加熱，改為太陽能加熱系統作為預加熱，太陽能加熱溫度不夠時，再用後面新加的集中電加熱裝置輔助加熱，從而既實現了優先利用太陽能加熱。
改造後的太陽能系統，去掉了原來分散在樓頂各個太陽能水箱內的電輔助加熱，改為後置集中電輔助加熱。原太陽能系統作為自來水預加熱，與後加的集中電加熱串聯，先經太陽能加熱，再經集中電輔助加熱。當太陽能加熱後的水溫達到設定溫度時，後置電加熱裝置不啟動；當太陽能加熱後的水溫低於設定溫度時，後置電加熱裝置啟動，將經太陽能加熱的溫水加熱到設定溫度。這樣就保證了優先和充分利用太陽能加熱，電加熱只起到輔助作用。
（2）充分考慮了系統運行的可靠性
在本次改造時，巧妙利用現場條件，特意把後加的集中電輔助加熱裝置放置在頂層樓梯間內，並設置了自來水通過樓頂太陽能，在進入樓梯間集中電加熱裝置，從樓梯間直接進入樓梯間集中電加熱裝置的轉換閥門（見圖2中的閥門5、6、7）。這樣即使冬季太陽能系統出現故障時，先關閉圖2中的閥門5、7，打開閥門6，即可依靠樓梯間的集中電加熱裝置供熱水，從而確保了供熱水系統的可靠性。
（3）增設並完善了系統的控制裝置
本次改造，增設了可靠的自動控制裝置，採用了西門子PLC可程式設計控制器，提高了控制系統的抗干擾性能，並根據使用者的使用習慣，及時修改自動運行控制邏輯，實現了系統全自動運行的可靠控制。
4、改造體會與建議
通過改造完善的太陽能熱水系統，經過實際使用驗證，取得的十分滿意的效果。通過本專案太陽能熱水系統的應用與改造實踐，有以下體會和建議，供同行借鑒。
應把使用可靠性、操作的簡便性作為設計和選擇太陽能熱水系統的重要因素。
北方結冰地區，在設計和選擇太陽能熱水系統時，應把管路結冰防護作為重要環節考慮。
採用電加熱作為輔助加熱時，應充分考慮電加熱器維修和更換的方便性。
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圖1 士官宿舍樓原太陽能熱水洗浴系統圖
2、系統實際運行出現的問題
本太陽能熱水系統自2011年安裝完成投入使用。在開始的近一年內，使用基本正常。但自2012年冬季開始，在使用中陸續出現問題，尤其是在冬季，出現問題的頻率最高，且系統故障問題常常出現在節假日尤其是春節放假期間，因維修人員放假，出現維護不及時，並由此導致樓頂熱水及自來水供水管路結冰，造成系統癱瘓，節後要花費較長的時間恢復運行。住在本樓的官兵、工作人員及家屬，因較長時間不能使用熱水，群體性意見較大。根據2012~2016年秋季期間，該太陽能熱水系統運行出現問題的調查，主要問題與故障大致如下。
（1）太陽能供熱水溫度低，無法洗浴
經調查分析，導致太陽能系統供熱水溫度低的原因主要有以下幾種：
a) 水箱水位不一致所致。
本太陽能系統有20個1000L貯熱水箱，原設計的水箱水位判定，是根據20個水箱其中一個水箱的水位判定是否給各個水箱補水的依據。在實際使用中，經常出現有些水箱不缺水，有些水箱很缺水。當被檢測的水箱缺水，系統自動補水時，不缺水的水箱補水，出現水滿漫水，水箱內的熱水被沖入水箱的自來水頂出，導致水箱貯存的熱能流失；當被檢測的水箱不缺水時，缺水的水箱不能及時得到補水，導致水箱內的快速換熱器裸☆禁☆露，不能將水箱水的熱能換走。以上兩種情況，均會導致太陽能系統出熱水溫度低，從而影響使用。
b) 系統部分水箱內的電加熱器器損壞所致。
系統部分水箱內的電加熱器損壞，在陰雨天時，這些水箱電加熱器不起作用，水箱內的水可能是涼水，而電加熱器正常的水箱，水箱內的水是熱水。這樣當洗浴用熱水時，從電加熱器正常的水箱內，換熱器換出來的是滿足洗浴要求的熱水，但從電加熱器損壞的水箱內，換熱器換出來的水是涼水，這樣混合後，供應到樓內熱水管路的水可能是溫水。當供應到樓內熱水管路的水溫低於洗浴需要的40℃時，使用者感受到的就是不能洗浴的溫水，所以一直放水，更加導致水溫降低，也帶來嚴重的自來水和熱能的浪費。
c）太陽能系統漏水所致。
當樓頂太陽能系統因各種原因出現漏水時，比如真空管炸管，或者真空管與貯熱水箱的密封圈密封不嚴，出現慢漏水。這時，將可能導致間斷性地向太陽能貯熱水箱補水，導致太陽能的熱能流失；或者漏水導致貯熱水箱水位下降，水箱內的快速換熱器無法換取水箱內的熱量。
(2) 冬季供熱水管路內結冰，導致系統無法供熱水
在冬季，尤其是在嚴寒發生的時候，由於防凍迴圈未開，或者局部防凍電伴熱帶失效不發熱等原因，會導致樓頂室外的自來水供水或者熱水供回水管路結冰。導致系統無法迴圈和供水。這種情況，如果發生在春節或者其它節日，由於維修不及時，換將導致樓頂整個管路系統結冰，維修更是困難。這種情況將導致較長時間太陽能熱水系統不能使用，使用者的意見會很大。
（3）樓頂太陽能供水管路系統系統故障，導致樓頂漏水
樓頂太陽能系統管路處於室外，在風吹雨曬等條件下，會出現各種故障。本系統出現的故障主要有：系統供水管路接頭開裂導致漏水；系統水路系統管件開裂導致漏水；系統管路上的閥門開裂導致漏水；系統供回水管路與水箱的介面脫落導致漏水。
系統漏水在非結冰季節，主要是樓頂漏水，還好處理。但在冬季結冰的時候，一旦漏水，樓頂屋面將結冰，處理起來非常困難。根據本太陽能系統實際運行的故障統計，因為冬季漏水結冰導致的故障，影響最大，維修持續的時間也最長，維修的難度也最大。
樓頂太陽能系統換出現了其它故障，比如：自來水水壓低導致的故障；系統放水後，再次補水，沒有排除系統管路內的空氣導致的故障；樓頂下水口被垃圾堵塞導致樓頂積水不能排除等，使用者使用不當導致的故障等。這些故障，這裡不再深入分析。
3、樓頂太陽能熱水系統設計完善與改造情況
通過近5年的使用，太陽能系統存在的缺陷，基本上都已暴露出來。為了徹底解決出現的問題，使用單位與原設計安裝的太陽能廠家全力配合，經過多次反復，將太陽能系統在使用中出現的問題和出現問題的原因全部調查分析清楚。並根據問題原因和現場實際條件，提出了多種解決方案，經過反復對比和改造方案優化，於2016年11月，由原設計安裝的太陽能廠家，將原來的太陽能系統，做了徹底的改造。自2016年12月投入使用至今，經過冬季、春季、部分夏季的使用，一直運行正常至今，從沒有出現過任何故障。運行至今的實踐證明，改造是成功的，用戶十分滿意。本次改造後太陽能系統見圖2。
圖2 士官宿舍樓改造後的太陽能熱水洗浴系統圖
改造後的太陽能熱水系統主要有以下特點：
（1）由原來的各個太陽能水箱既有太陽能加熱，也有電輔助加熱，改為太陽能加熱系統作為預加熱，太陽能加熱溫度不夠時，再用後面新加的集中電加熱裝置輔助加熱，從而既實現了優先利用太陽能加熱。
改造後的太陽能系統，去掉了原來分散在樓頂各個太陽能水箱內的電輔助加熱，改為後置集中電輔助加熱。原太陽能系統作為自來水預加熱，與後加的集中電加熱串聯，先經太陽能加熱，再經集中電輔助加熱。當太陽能加熱後的水溫達到設定溫度時，後置電加熱裝置不啟動；當太陽能加熱後的水溫低於設定溫度時，後置電加熱裝置啟動，將經太陽能加熱的溫水加熱到設定溫度。這樣就保證了優先和充分利用太陽能加熱，電加熱只起到輔助作用。
（2）充分考慮了系統運行的可靠性
在本次改造時，巧妙利用現場條件，特意把後加的集中電輔助加熱裝置放置在頂層樓梯間內，並設置了自來水通過樓頂太陽能，在進入樓梯間集中電加熱裝置，從樓梯間直接進入樓梯間集中電加熱裝置的轉換閥門（見圖2中的閥門5、6、7）。這樣即使冬季太陽能系統出現故障時，先關閉圖2中的閥門5、7，打開閥門6，即可依靠樓梯間的集中電加熱裝置供熱水，從而確保了供熱水系統的可靠性。
（3）增設並完善了系統的控制裝置
本次改造，增設了可靠的自動控制裝置，採用了西門子PLC可程式設計控制器，提高了控制系統的抗干擾性能，並根據使用者的使用習慣，及時修改自動運行控制邏輯，實現了系統全自動運行的可靠控制。
4、改造體會與建議
通過改造完善的太陽能熱水系統，經過實際使用驗證，取得的十分滿意的效果。通過本專案太陽能熱水系統的應用與改造實踐，有以下體會和建議，供同行借鑒。
應把使用可靠性、操作的簡便性作為設計和選擇太陽能熱水系統的重要因素。
北方結冰地區，在設計和選擇太陽能熱水系統時，應把管路結冰防護作為重要環節考慮。
採用電加熱作為輔助加熱時，應充分考慮電加熱器維修和更換的方便性。
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