Energy Saving in Building題筑节能大型体育馆应用太阳能光热设计案例分析 Solar Heating Application Design in Huge Stadium Project
范伟锋i，余国保2(1.珠海兴业新能源科技有限公司，广东珠海411100；2.珠海兴业绿建筑科技有限公司，广东珠海411100)
摘要：国内大型体育馆应用太阳能光热系统的案例不多。以国内已在运行的2个大型体育馆太阳能光热系统项目为研究对象，总结归纳大型体育馆太阳能热水系统设计需要解决的关键技术，包括太阳能集热器与建筑一体化设计、管路水力设计、防冻设计、防超压和防过热设计等，针对太阳能热水系统在实际运行维护中可能出现的问题提出解决方案。这些可给大型体育馆太阳能热水系统设计和运行维护提供参考。 关键词：太阳能光热；大型体育馆；供热系统；一体化设计；运行维护
中图分类号：TU201.5文献标识码：A文章编号：1674-814X(2019)04-027-03
1背景
太阳能作为一种新型能源，是人类可开发利用的最丰富的能源，也是可以就地开发的清洁优质能源，不
受地域限制，而且开发利用不产生“三废”污染，不影响生态平衡。在建筑中充分利用太阳能，可以减小常规能源的消耗，节能减排优势明显，环境效益、社会效益、经济效益明显。
现有的太阳能光热主要用于民用建筑，可以提供洗浴用热水，技术已相对成熟。随着社会发展和民众生活水平日益提高，越来越多有条件的地区建设体育馆等公共场馆，产生一定面积的闲置屋面。近年来国家和地方相继出台鼓励太阳能光热利用的政策文件，所以太阳能在体育馆中的光热利用有很大市场空间。
大型体育馆光热系统有这些特点：①单体太阳能规模大，是普通民用热水系统无法比拟的；②体育馆泳池用水不稳定，在不使用泳池的情况下存在能量富余；③存在2个用水末端温度，共存于一个热水系统。
全合成切削液配方
因此，从技术层面看，太阳能光热系统在大型体育馆中的应用面临着这些挑战：①在体育馆各类屋面上大面积可靠地实现光热建筑一体化设计和安装；②光热系统有效防冻；
③防过热、防超压；④大规模太阳能系统高效运维等。
目前国内相关的应用案例并不多。本文围绕这些问题分析和总结2个已经建成运行的实际案例，希望有助于太阳能光热系统在公共建筑领域的推广应用。
ttx2基板
2项目基本情况
青海省西宁海湖体育中心热水项目(简称“西宁项目”)位于青海省西宁市。当地年平均气温7.6°C左右，根据GB50015-2003《建筑给水排水设计规范》，计算冷水温度取4.0°Co当地纬度倾斜面辐照量18.83MJ/(m2-d)。项目包含体育馆淋浴热水系统、游泳馆淋浴和恒温系统，整个热水系统供应包括1586人洗浴和3个泳池的恒温所需要的耗热量。
贵州省威宁体育馆游泳池太阳能配热泵热水项目(简称“威宁项目”)位于贵州省威宁彝族回族苗族自治县。当地年平均气温10.0°C左右，根据GB50015—2003，计算冷水温度取7.0°Co当地纬度倾斜面辐照量13.55MJ/ (m2-d)o项目包含室内游泳池恒温系统、泡澡池(100t)和淋浴室(10t)的耗热量需求
根据耗热量计算和项目实际情况，2个项目屋顶热水工程技术配置见表lo
表12个项目屋顶热水工程技术配置
名称集热系统类型热源及配置热源加热方式防冻方式
西宁项目承压系统太阳能配锅炉：平板集热器3028块；半容积式水加热器：10m34台，5m32台间接加热防冻液防冻
威宁项目开式系统太阳能配低温热泵：平板集热器1004块；低温空气源热泵：14.7kW12台直接加热冬季回流排防冻
绿建筑027
2019年第4期
題筑节能 Energy Saving in Building
根据CJJ 122—2008《游泳池给水排水工程技术规 程》，2个项目所需热水都包括2个部分：一个为赛后淋
浴用水，供水水温60.0 °C ；另一个为泳池恒温用水，泳池 水温需要维持在25.0〜2&0 °Co 泳池恒温加热所需热量如
下：①池水表面蒸发损失的热量；②池壁和池底传导损失 的热量；③管道和净化水设备损失的热量；④补充新鲜水
加热所需要的热量。这些都以供应泳池恒温为主。
体育馆热水加热系统要保证运动员淋浴用水和泳池恒 温。晴好天气，水箱和集热器通过强制温差循环，将水箱
水温加热到60.0 °C，满足淋浴用水。另外通过盘管或板式 换热器间接加热，补充泳池损失的热量，保证泳池恒温在
25.0〜28.0 °C 。非晴好天气，通过锅炉或者空气源热泵辅助 热源补足太阳能不足的部分，保证系统正常稳定运行。
系统全自动控制，不用专人值守；水泵等设备釆用一用 —备，配备远程监控系统、故障报警系统，及时排除故障，
易于维护。系统通过合理的逻辑和智能化控制可以保证一个
系统、2个不同用水末端温度。系统还通过辅助热源延时启 动控制保证优先使用太阳能。西宁项目集热器现场安装图见
图1，威宁项目集热器现场安装图见图2。
图1西宁项目集热器现场安装图
图2威宁项目集热器现场安装图
3系统设计
3.1太阳能集热器与建筑一体化设计
太阳能集热器应根据当地太阳能资源、气候环境，因 地制宜地选用合适的集热器，并应该满足集热效率高、产 热快、承压高、长期连续运行性能稳定的要求。平板型太
阳能集热器因为可承压，故障率极低，容易与建筑实现一
体化"，所以成为游泳池太阳能集热器的不二之选。
体育馆金属屋面主要釆用直立锁边咬合屋面系统，确
保金属屋顶集热系统无电焊施工遗留的隐患，屋顶集热系 统结构安装设计应优先满足结构安全计算要求，并保证建
筑外观美观。平板型集热器根据金属屋面的坡度平铺，与 建筑实现一体化安装，集热器与屋面釆用铝合金连接件夹
节能减排设备
具固定在屋面瓦肋，通过计算保证结构的安全。2个项目均 采用这种安装方法。
集热器阵列设计还要考虑留有检修通道，并根据建筑 防雷等级设计避雷网格，与原建筑的避雷网可靠连接，做
好防雷接地，保证系统及设备的安全。屋面集热器安装除 了满足结构安全及外观效果外，也要保证散热效果，更不
能影响屋面雨水排水系统，需要与设计院给排水等专业工 程师进行充分的沟通。
3.2集热器管路水力设计
集热器系统设计主要是管路设计，连接方式分为串联、 并联，还有串并联。在大型体育馆集热系统设计中，因为集
热系统规模较大，管路设计合理与否是防冻设计和防过热设 计是否成功的关键。设计中需要注意以下几点。
(1) 集热器按安装面积分好组，根据GB 50364—
2018《民用建筑太阳能热水系统应用技术标准》，控制每 组的集热面积不大于500 m 2，避免循环管径太大，采用并
联运行，尽可能避免串联和串并联设计。
(2) 保证集热器循环管路在水流方向有上升坡度，并 在最高处设置排气阀。
(3) 太阳能循环管路保证同程设计，管路顺直，少拐 弯，尽量少变径，减小运行阻力和施工难度。
备长炭粉(4) 做好压力试验，试验压力应为工作压力的1.5 倍，工作压力应按设计要求。
2个项目都遵循以上设计原则。西宁项目因建筑是圆
形，在设计过程中为保证每排集热器数量一致，在建筑物
熔炼焊剂的边角处采用装饰板代替集热器，既保证了建筑美观，又 保证了管路顺直。威宁项目集热器的主循环干管设计在屋
面两翼的最低处。这一技术设计细节对后期运维的排空防
冻非常关键。
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期
Energy Saving in Building越筑节能
3.3防冻设计
在太阳能系统设计中，防冻设计非常重要，往往是影响工程成败的关键。2个项目所在地区全年最低气温都在0°C 以下，在设计中都应当考虑防冻设计，但工程投资则要综合考虑投资成本。不同地区、不同类型的防冻设计注意事项不尽相同。根据项目所在地的环境气候，系统运行的可靠性及经济性综合考虑慎重选取防冻类型和运行方式。
西宁项目采用防冻液辅以伴热带防冻，管路接口防冻液泄露和系统排气问题是项目难点和决定系统能否正常运行的最重要部分。管路采用金属管道并焊接连接，为保证安全性和管道运行效果，塑料管道方案被完全放弃。管路釆用并联连接，并在高处设计带有阀门的自动排气阀组合，在排气时打开阀门自动排气，正常运行时关闭阀门防止泄露。
威宁项目采用回流排空防冻，保证冬季正常及时排空是项目成功的最关键因素之一。管道施工严格按设计坡度安装，不允许有反坡和U型弯，在循环管路最高处采用止回阀和阀门组合斜45。安装，正常运行时阀门处于开启状态。排空水回流至储水箱，以节约水资源，进入水箱时应保证有空气间隙，不允许淹没出流，防止虹吸。系统运行兼具自动和人工排空控制。
3.4防超压和防过热设计
体育馆在非赛事时段或非训练时间太阳能系统停用，但是屋面的集热器不会停止集热，就造成了能量富余，集热器系统会出现超温超压的情况。这种状态对太阳能系统是非常不利的，超温超压会造成系统设备损坏或加速老化、缩短寿命。
威宁项目为开式运行，虽然不会出现超压的情况，但可能会出现超温现象。西宁项目采用半容积式水箱，水箱容积不足以储存集热器收集的热量，仅起到过渡换热的作用，集热系统容易出现超温超压的情况。
针对超温超压问题，可以采取以下措施：①采用耐高温气囊式膨胀罐，增加膨胀管的有效容积，按极端条件下膨胀量和收集集热器中防冻液气化增大的体积之和计算⑷；
②根据实际安装位置合理设置安全阀的泄压值（宜低）和
调整膨胀罐的预充压力值，保证系统内整体压力在较低范
围，降低防冻液漏液风险，而安全阀泄压口溢出的防冻液
应回收利用。
2个项目的最大技术特点是泳池使用时加热系统给泳池
加热，泳池闲置时则通过泳池给集热器系统散热，成为集热
系统现成的"冷却池”，不需要另外配备散热器或者通过其
他方式处理富余的能量。这些是大型体育馆采用太阳能加热
系统得天独厚的优势，能够确保各类体育馆太阳能热水系统
全天候运行。
4结语
分析2个体育馆热水项目的关键技术，总结太阳能光热
系统在大型体育馆应用中的技术难点和注意事项，给大型体
育馆光热项目应用和推广提供参考。在大型体育馆供热系统
中，太阳能光热系统节能量和减排量都相当可观，对建筑节
能和绿建筑的推广具有积极作用，因此太阳能可以作为公
共建筑优先选用的热源。
参考文献：
[1]吴志坚，叶枝全，沈挥，等.新能源和可再生能源的利用[M].北京：机
械工业出版社,2006.
[2]何梓年侏敦智.太阳能供热采暖应用技术手册[M].北京：化学工业
出版社,2011.
收稿日期：2019-06-10
作者简介：范伟锋，男，1984年生，本科，工程师，一级建造师，
现供职于珠海兴业新能源科技有限公司，主要从事太阳能光热和给
水排水设计工作。作者通信地址：广东省珠海市金鼎镇高新区科技
创新海岸金珠路9号，邮编：411100。
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