1、項目與系統簡介
1.1項目概況
中國建筑設計院有限公司與某太陽能企業共同研發了具有創新性的無動力太陽能熱水系統，較好地解決了傳統太陽能系統存在的問題。系統成功應用于北京某大學工程項目中，通過對該項目無動力太陽能熱水系統實際測試，介紹分析無動力太陽能熱水系統相關技術參數。
已竣工工程為學校一期項目，包括學生食堂、3棟學生宿舍；其中3棟學生宿舍A、B、C樓總建筑面積43535m2，針對項目A樓太陽能熱水系統進行測試。本項目2015年9月投入使用，入住學生3700人，均為本科學生，每棟學生宿舍設一套獨立的集中式太陽能熱水系統，每層設置集中淋浴間，宿舍內衛生間不再設淋浴噴頭。
1.2太陽能熱水系統
學生宿舍A樓服務人數為1008人，熱水設計最高日用水定額為60L/（人·d），平均日用水定額取最高日的50%，為30L/（人·d），設計熱水溫度為60℃，設計冷水溫度取北京地區年平均環境溫度11.5℃，設計太陽能保證率為50%。
經計算，屋頂實際安裝太陽能集熱裝置總面積為365.4m2，共設置84組集熱裝置；太陽能集熱裝置正南向布置，根據建筑師的要求，盡量降低集熱裝置對建筑景觀的影響，集熱裝置安裝傾角為15°；輔助熱源為學校鍋爐房提供的鍋爐熱水，屋頂機房設置2個2m3的半容積式換熱器；學生宿舍A樓共6層，每層集中設置淋浴間，淋浴間內設恒溫混水閥，原設計采用單管供水模式，根據業主要求，安裝時增加了冷水支管。
2、系統測試
根據《太陽熱水系統性能評定“規范”》（GB/T20095-2006，以下簡稱規范）對系統熱性能進行三期性能測試。一期、二期測試由北京工業大學師生團隊和中國建筑設計院團隊負責完成；三期測試委托獨立第三方中國建筑科學研究院國家太陽能熱水器質量監督檢驗中心(北京)進行檢測。
2.1一期測試
測試時間為2015年8月，期間沒有學生入住，輔助熱源尚未啟用，選取1A、2B、3B、4B共4組集熱裝置貯熱水箱為測試對象，根據規范對系統的升溫性能、貯熱水箱保溫性能和系統連續供熱能力進行測試。
2.1.1升溫性能測試
（1）測試方法。于2015年8月9日對系統進行升溫性能測試，測試時間為8∶00～16∶00，共8h。試驗期間，關閉進水和出水閥門，輔助熱源關閉。每小時記錄1次數據。
水箱升溫應折算成標準太陽能輻射為17MJ/(d·m2)時的數值，貯熱水箱的溫升Δt17用式(1)計算：Δt17=17(te-tb）H（1）式中H——太陽集熱裝置采光口所在平面的太陽輻照量，MJ/m2；
tb——集熱試驗開始時貯水箱中水的平均溫度，℃；
te——集熱試驗結束時貯水箱中水的平均溫度，℃。
（2）測試結果見表1。扣除2B號水箱，得出8月9日水箱平均升溫為28.1℃，優于“規范”中溫升≥25℃的要求。
2.1.2保溫性能測試
（1）測試目的與方法。集熱裝置貯水箱在室外且散熱面積加大，其散熱量對系統效率影響較大，需要準確測試其保溫性能和對系統效率的影響。保溫性能試驗從晚上8：00至第二天早晨6：00，試驗時間共計10h。測試期間，關閉進水和出水閥門，輔助熱源關閉。每小時記錄1次數據。
貯水箱試驗期間的溫降Δfr用式(2)計算：Δfr=tr-tf（2）式中tr——貯水箱保溫性能試驗結束時貯水箱中水的平均溫度，℃;
tf——貯水箱保溫性能試驗開始時貯水箱中水的平均溫度，℃。
貯水箱水溫在當地標準溫差下的溫降Δsd用式(3)計算：Δsd=(tr-tf)Δt(tr+tf)×0.5-tas(av）（3）式中Δt——太陽能熱水系統的當地標準溫差，℃；
Δsd——在當地標準溫差條件下，貯水箱中水的溫降值，℃；
tas（av）——貯水箱保溫性能試驗期間貯水箱周圍的環境空氣平均溫度，℃。
（2）測試結果見表2。扣除2B號水箱，8月9日在當地標準溫差條件下，貯熱水箱中水的平均溫降值為6℃，在“規范”要求的8℃范圍內，保溫性能良好。
2.1.3系統連續供熱能力
（1）測試方法。于8月7日和8日分別采用人為開啟30%（23個）和50%（39個）的淋浴噴頭，將熱水閥門開到最大處，即無冷水混入，一直到出水溫度低于55℃停止，來模擬系統供熱的工況，測試系統的連續供熱能力。選取1A號水箱為研究對象，每半小時記錄1次數據。
（2）測試結果。由圖4可知當淋浴噴頭開啟時，水箱內熱媒水溫度與熱水出水溫度之間的溫差逐步減小，基本維持在5℃以下，說明波紋管的換熱能力是滿足要求的。熱水出水溫度大概在開啟淋浴噴頭30min達到最大值，之后隨水箱一同下降。當開啟30%（23個）淋浴噴頭時，系統可連續供熱水（≥55℃）2h；當開啟50%（39個）淋浴噴頭時，系統可連續供熱水（≥55℃）1h。
以每個淋浴噴頭理論出水量為0.15L計，當開啟30%（23個）淋浴噴頭時，系統可以連續提供55℃以上的熱水24.84m3;當開啟50%（39個）淋浴噴頭時，系統可以連續提供55℃以上的熱水21.06m3。以人均熱水定額30L/（人·d）計，夏季系統可以連續提供828名學生連續淋浴的需求，由于淋浴用水具有間隙性，在淋浴間隙，貯水箱內熱媒水會繼續加熱波紋管內的冷水，所以夏季系統可完全提供A樓1008名學生的淋浴需求；如果按50℃供應熱水。可提供更多的熱水，由于測試期間輔助熱源關閉，學生淋浴用水全部由無動力循環太陽能熱水系統提供，因此在夏季晴好天氣可達到太陽能保證率100%。
2.2二期測試
測試時間為9月，正值學生軍訓期間，其中A樓實際住有968人，因為工程進度問題，輔助熱源尚未啟用；且由于軍訓期間熱水用水量集中，生活熱水需要全部由太陽能熱水系統提供，客觀上為檢驗太陽能熱水系統綜合性能提供了理想的測試條件和嚴酷的使用要求。本期重點測試無動力太陽能熱水系統貯水箱溫度變化、學生用水規律和人均熱水用量等技術參數。
2.2.1測試時間與方法
于2016年9月18～20日每天8：00～22：30對系統進行測試。同樣選取1A、2B、3B、4B集熱裝置水箱作為研究對象，期間總用水量通過系統熱能表讀取；水箱內溫度根據設備間顯示屏讀取；太陽輻照量通過太陽輻照儀自動采集。
2.2.2主要測試數據（見表3）
2.2.3測試結果分析
2.2.3.1貯水箱內溫度變化與學生用水規律
9月18～20日正值新生軍訓期間，天氣炎熱，基本上所有學生每天至少淋浴一次，用水點集中，用水量大，由圖5和圖6可以看出，水箱內熱媒水接受太陽輻照逐漸上升，約17：30時達到最高值，之后開始迅速下降，這是由于17：30～19：00這個時間段，學生軍訓休息，部分學生選擇這個時間段進行淋浴；19：00～21：00學生繼續軍訓，用水人數很少，水箱內溫度下降速率變緩，換熱盤管內的水繼續被加熱；21：30后剩下的學生開始淋浴，熱水用量最大值出現在21：30～22：00，最高值達到9.8m3；經觀察發現在22：30之后仍有學生在淋浴，由于時間原因不方便繼續測試。根據軍訓時間安排，次日早上進行淋浴的學生幾乎很少，故根據22：30和次日早上8：00的熱能表數據來分析得出22；30之后的熱水用量，測試期間每天此時段用水量為7～9m3。可以總結出軍訓期間學生主要淋浴發生在18：00～19：00和21：00～24：00兩個高峰時段。
2.3.2人均熱水用量
軍訓期間實際學生宿舍A樓入住人數為968人，從表4可知，學生平均每天熱水用量為19L（60℃計），小于設計人均熱水定額30L/(人·d)。分析原因之一是淋浴采用了IC卡方式，此類計費方式可以大大節省用水量，側面反映了現行《建筑給水排水設計規范》取值偏高。
2.2.3.3系統集熱效率
系統集熱效率見表5，測試期間，系統的日平均集熱效率（基于集熱器輪廓面積）為53.3%，優于“規范”系統集熱效率≥37%的要求。
2.3三期測試
測試時間為2016年1月，北京正值多年來最寒冷的氣溫，輔助熱源全天開啟，對學生的熱水用水量、系統集熱效率和太陽能保證率進行了測試。
2.3.1測試時間與方法
于2016年1月15～18日對系統進行了測試。期間總用水量通過系統熱能表讀取；瞬時流量采用便攜式超聲波流量表自動采集；溫度采用溫度傳感器自動采集；輻照量采用太陽輻照儀表自動采集。
2.3.2主要測試數據
由于每分鐘測試一組數據，數據較多，摘錄1月18日18：00以后部分數據，見表6。
2.3.3測試結果分析
2.3.3.1熱水用量
冬季測試期間人均熱水用量為27L（以60℃計），詳見表7，而夏季測試期間人均熱水用量為19L（以60℃計），得出冬季比夏季熱水用量高出約42%，一般來說溫度越低，熱水用量越大，測試期間基本上為全年溫度最低的時間，熱水用量接近全年最高日熱水用量，而《建筑給水排水設計規范》中給出Ⅲ類宿舍熱水最高日用水定額范圍下限為40L/（人·d），也大于實測值，基本符合實際用水規律。
2.3.3.2集熱效率和太陽能保證率
扣除1月16日的數據，由表8可知，系統的日平均集熱效率(基于集熱器輪廓面積)達到38.9%，優于“規范”系統集熱效率≥37%的要求；日平均太陽能保證率為28.4%，一是冬季用水量較大，二是由于冬季集熱總量降低，太陽能保證率降低符合工程邏輯，保證率只有夏季的30%左右。
3、結論
對北京某大學學生宿舍的無動力循環太陽能熱水系統進行了3期測試，得出以下結論：
（1）夏季水箱平均溫升值為27.4℃；夜間平均溫降值為6.5℃；夏季可連續提供55℃以上的熱水至少21.06m3；水箱內熱媒水與不銹鋼波紋管內水的溫差小于5℃，快速換熱能力滿足設計要求。
（2）在學生軍訓時期，用水量大，用水時間點集中，學生人均熱水用量為19L/（人·d），采用IC卡計費方式節水效果顯著；學生軍訓期間，系統的日平均集熱效率為53.3%；系統在夏季可完全滿足學生淋浴用水需求。
（3）在冬季測試期間，學生人均熱水用量為27L/（人·d）；系統日平均集熱效率達到38.9%；日平均太陽能保證率為28.4%。實測數據表明，即使在寒冷的冬季該系統也具有較高的系統集熱效率，遠好于傳統太陽能系統。
綜上，無動力循環太陽能熱水系統具有較好的集熱性能、運行可靠，系統設計理念具有創新性，測試數據表明各項指標良好，具有較好的推廣價值。
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