1、项目与系统简介
1.1项目概况
中国建筑设计院有限公司与某太阳能企业共同研发了具有创新性的无动力太阳能热水系统，较好地解决了传统太阳能系统存在的问题。系统成功应用于北京某大学工程项目中，通过对该项目无动力太阳能热水系统实际测试，介绍分析无动力太阳能热水系统相关技术参数。
已竣工工程为学校一期项目，包括学生食堂、3栋学生宿舍；其中3栋学生宿舍A、B、C楼总建筑面积43535m2，针对项目A楼太阳能热水系统进行测试。本项目2015年9月投入使用，入住学生3700人，均为本科学生，每栋学生宿舍设一套独立的集中式太阳能热水系统，每层设置集中淋浴间，宿舍内卫生间不再设淋浴喷头。
1.2太阳能热水系统
学生宿舍A楼服务人数为1008人，热水设计最高日用水定额为60L/（人·d），平均日用水定额取最高日的50%，为30L/（人·d），设计热水温度为60℃，设计冷水温度取北京地区年平均环境温度11.5℃，设计太阳能保证率为50%。
经计算，屋顶实际安装太阳能集热装置总面积为365.4m2，共设置84组集热装置；太阳能集热装置正南向布置，根据建筑师的要求，尽量降低集热装置对建筑景观的影响，集热装置安装倾角为15°；辅助热源为学校锅炉房提供的锅炉热水，屋顶机房设置2个2m3的半容积式换热器；学生宿舍A楼共6层，每层集中设置淋浴间，淋浴间内设恒温混水阀，原设计采用单管供水模式，根据业主要求，安装时增加了冷水支管。
2、系统测试
根据《太阳热水系统性能评定“规范”》（GB/T20095-2006，以下简称规范）对系统热性能进行三期性能测试。一期、二期测试由北京工业大学师生团队和中国建筑设计院团队负责完成；三期测试委托独立第三方中国建筑科学研究院国家太阳能热水器质量监督检验中心(北京)进行检测。
2.1一期测试
测试时间为2015年8月，期间没有学生入住，辅助热源尚未启用，选取1A、2B、3B、4B共4组集热装置贮热水箱为测试对象，根据规范对系统的升温性能、贮热水箱保温性能和系统连续供热能力进行测试。
2.1.1升温性能测试
（1）测试方法。于2015年8月9日对系统进行升温性能测试，测试时间为8∶00～16∶00，共8h。试验期间，关闭进水和出水阀门，辅助热源关闭。每小时记录1次数据。
水箱升温应折算成标准太阳能辐射为17MJ/(d·m2)时的数值，贮热水箱的温升Δt17用式(1)计算：Δt17=17(te-tb）H（1）式中H——太阳集热装置采光口所在平面的太阳辐照量，MJ/m2；
tb——集热试验开始时贮水箱中水的平均温度，℃；
te——集热试验结束时贮水箱中水的平均温度，℃。
（2）测试结果见表1。扣除2B号水箱，得出8月9日水箱平均升温为28.1℃，优于“规范”中温升≥25℃的要求。
2.1.2保温性能测试
（1）测试目的与方法。集热装置贮水箱在室外且散热面积加大，其散热量对系统效率影响较大，需要准确测试其保温性能和对系统效率的影响。保温性能试验从晚上8：00至第二天早晨6：00，试验时间共计10h。测试期间，关闭进水和出水阀门，辅助热源关闭。每小时记录1次数据。
贮水箱试验期间的温降Δfr用式(2)计算：Δfr=tr-tf（2）式中tr——贮水箱保温性能试验结束时贮水箱中水的平均温度，℃;
tf——贮水箱保温性能试验开始时贮水箱中水的平均温度，℃。
贮水箱水温在当地标准温差下的温降Δsd用式(3)计算：Δsd=(tr-tf)Δt(tr+tf)×0.5-tas(av）（3）式中Δt——太阳能热水系统的当地标准温差，℃；
Δsd——在当地标准温差条件下，贮水箱中水的温降值，℃；
tas（av）——贮水箱保温性能试验期间贮水箱周围的环境空气平均温度，℃。
（2）测试结果见表2。扣除2B号水箱，8月9日在当地标准温差条件下，贮热水箱中水的平均温降值为6℃，在“规范”要求的8℃范围内，保温性能良好。
2.1.3系统连续供热能力
（1）测试方法。于8月7日和8日分别采用人为开启30%（23个）和50%（39个）的淋浴喷头，将热水阀门开到最大处，即无冷水混入，一直到出水温度低于55℃停止，来模拟系统供热的工况，测试系统的连续供热能力。选取1A号水箱为研究对象，每半小时记录1次数据。
（2）测试结果。由图4可知当淋浴喷头开启时，水箱内热媒水温度与热水出水温度之间的温差逐步减小，基本维持在5℃以下，说明波纹管的换热能力是满足要求的。热水出水温度大概在开启淋浴喷头30min达到最大值，之后随水箱一同下降。当开启30%（23个）淋浴喷头时，系统可连续供热水（≥55℃）2h；当开启50%（39个）淋浴喷头时，系统可连续供热水（≥55℃）1h。
以每个淋浴喷头理论出水量为0.15L计，当开启30%（23个）淋浴喷头时，系统可以连续提供55℃以上的热水24.84m3;当开启50%（39个）淋浴喷头时，系统可以连续提供55℃以上的热水21.06m3。以人均热水定额30L/（人·d）计，夏季系统可以连续提供828名学生连续淋浴的需求，由于淋浴用水具有间隙性，在淋浴间隙，贮水箱内热媒水会继续加热波纹管内的冷水，所以夏季系统可完全提供A楼1008名学生的淋浴需求；如果按50℃供应热水。可提供更多的热水，由于测试期间辅助热源关闭，学生淋浴用水全部由无动力循环太阳能热水系统提供，因此在夏季晴好天气可达到太阳能保证率100%。
2.2二期测试
测试时间为9月，正值学生军训期间，其中A楼实际住有968人，因为工程进度问题，辅助热源尚未启用；且由于军训期间热水用水量集中，生活热水需要全部由太阳能热水系统提供，客观上为检验太阳能热水系统综合性能提供了理想的测试条件和严酷的使用要求。本期重点测试无动力太阳能热水系统贮水箱温度变化、学生用水规律和人均热水用量等技术参数。
2.2.1测试时间与方法
于2016年9月18～20日每天8：00～22：30对系统进行测试。同样选取1A、2B、3B、4B集热装置水箱作为研究对象，期间总用水量通过系统热能表读取；水箱内温度根据设备间显示屏读取；太阳辐照量通过太阳辐照仪自动采集。
2.2.2主要测试数据（见表3）
2.2.3测试结果分析
2.2.3.1贮水箱内温度变化与学生用水规律
9月18～20日正值新生军训期间，天气炎热，基本上所有学生每天至少淋浴一次，用水点集中，用水量大，由图5和图6可以看出，水箱内热媒水接受太阳辐照逐渐上升，约17：30时达到最高值，之后开始迅速下降，这是由于17：30～19：00这个时间段，学生军训休息，部分学生选择这个时间段进行淋浴；19：00～21：00学生继续军训，用水人数很少，水箱内温度下降速率变缓，换热盘管内的水继续被加热；21：30后剩下的学生开始淋浴，热水用量最大值出现在21：30～22：00，最高值达到9.8m3；经观察发现在22：30之后仍有学生在淋浴，由于时间原因不方便继续测试。根据军训时间安排，次日早上进行淋浴的学生几乎很少，故根据22：30和次日早上8：00的热能表数据来分析得出22；30之后的热水用量，测试期间每天此时段用水量为7～9m3。可以总结出军训期间学生主要淋浴发生在18：00～19：00和21：00～24：00两个高峰时段。
2.3.2人均热水用量
军训期间实际学生宿舍A楼入住人数为968人，从表4可知，学生平均每天热水用量为19L（60℃计），小于设计人均热水定额30L/(人·d)。分析原因之一是淋浴采用了IC卡方式，此类计费方式可以大大节省用水量，侧面反映了现行《建筑给水排水设计规范》取值偏高。
2.2.3.3系统集热效率
系统集热效率见表5，测试期间，系统的日平均集热效率（基于集热器轮廓面积）为53.3%，优于“规范”系统集热效率≥37%的要求。
2.3三期测试
测试时间为2016年1月，北京正值多年来最寒冷的气温，辅助热源全天开启，对学生的热水用水量、系统集热效率和太阳能保证率进行了测试。
2.3.1测试时间与方法
于2016年1月15～18日对系统进行了测试。期间总用水量通过系统热能表读取；瞬时流量采用便携式超声波流量表自动采集；温度采用温度传感器自动采集；辐照量采用太阳辐照仪表自动采集。
2.3.2主要测试数据
由于每分钟测试一组数据，数据较多，摘录1月18日18：00以后部分数据，见表6。
2.3.3测试结果分析
2.3.3.1热水用量
冬季测试期间人均热水用量为27L（以60℃计），详见表7，而夏季测试期间人均热水用量为19L（以60℃计），得出冬季比夏季热水用量高出约42%，一般来说温度越低，热水用量越大，测试期间基本上为全年温度最低的时间，热水用量接近全年最高日热水用量，而《建筑给水排水设计规范》中给出Ⅲ类宿舍热水最高日用水定额范围下限为40L/（人·d），也大于实测值，基本符合实际用水规律。
2.3.3.2集热效率和太阳能保证率
扣除1月16日的数据，由表8可知，系统的日平均集热效率(基于集热器轮廓面积)达到38.9%，优于“规范”系统集热效率≥37%的要求；日平均太阳能保证率为28.4%，一是冬季用水量较大，二是由于冬季集热总量降低，太阳能保证率降低符合工程逻辑，保证率只有夏季的30%左右。
3、结论
对北京某大学学生宿舍的无动力循环太阳能热水系统进行了3期测试，得出以下结论：
（1）夏季水箱平均温升值为27.4℃；夜间平均温降值为6.5℃；夏季可连续提供55℃以上的热水至少21.06m3；水箱内热媒水与不锈钢波纹管内水的温差小于5℃，快速换热能力满足设计要求。
（2）在学生军训时期，用水量大，用水时间点集中，学生人均热水用量为19L/（人·d），采用IC卡计费方式节水效果显著；学生军训期间，系统的日平均集热效率为53.3%；系统在夏季可完全满足学生淋浴用水需求。
（3）在冬季测试期间，学生人均热水用量为27L/（人·d）；系统日平均集热效率达到38.9%；日平均太阳能保证率为28.4%。实测数据表明，即使在寒冷的冬季该系统也具有较高的系统集热效率，远好于传统太阳能系统。
综上，无动力循环太阳能热水系统具有较好的集热性能、运行可靠，系统设计理念具有创新性，测试数据表明各项指标良好，具有较好的推广价值。
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