典型案例｜北京机场T3航站楼太阳能热水系统案例分析

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前言

2008年北京奥运会期间，北京机场配餐楼是T3航站楼扩建工程中的重中之重，作为2008北京奥运会的环保配套工程，除节能和绿色设施实用功能外，还是重要的环保象征。经过专家论证，决定把太阳能系统引入热水需求量最大的配餐楼工程中，凭借雄厚的科研基础和企业实力，北京市太阳能研究所有限公司承接了该配餐楼太阳能热水工程。

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工程概况

首都机场扩建配餐楼工程，总建筑面积45955平方米，由配餐生产楼、综合配套楼、楼体连廊等建筑组成。其中，配餐生产楼地下一层，地上两层，配餐日生产能力设计为30000份，热水需求量巨大。如采用常规热水供应系统（燃气锅炉或燃油锅炉），投资大而且不环保、不节能。

本太阳能热水系统的设计目标是，在日照达到17MJ/㎡·d的情况下，依靠蒸汽换热辅助系统的配合，每天为配餐楼提供112m⊃3;的60℃的生产及生活用热水。

本太阳能热水系统由541组桑普全玻璃真空管集热器、3个水箱、16台水泵、2台板式换热器、2台控制柜等主要设备构成。该系统正式投入运行后，将每天为配餐楼提供100 m⊃3;生产热水和12 m⊃3;生活热水。

该系统的辅助能源为配餐楼的锅炉蒸汽。当遇到日照不好的天气或者配餐楼热水用水量瞬间过大造成太阳能热水供应不足时，锅炉蒸汽自动向生活或生产水箱中的低温水补热，使其在短时间内达到使用水温的要求，从而全面保证配餐楼的热水供应。

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系统介绍

T3航站楼配餐楼太阳能建筑面积三千余平方米，设计每日热水供应量为112吨，集热器选用全玻璃真空管集热器，系统采用工业级可编程控制器控制，可在无人值守情况下全自动运行，系统设计实现了在优先和充分利用太阳能基础上保证热水供给。该系统除满足首都机场起降国际航班的日常配餐用热水需求外，还供应配餐楼的日常生活用热水。

本太阳能热水系统为间接式系统，整个系统分为三个相互配合的子系统。

系统原理图

本太阳能系统所含的集热器阵列集中布置在2号配餐楼楼顶，分为四个子区域。生产热水箱、生产热水板式换热器、生产热水汽水混合设备、生活热水箱、生活热水板式换热器、生活热水汽水混合设备均置于楼房下部的太阳能热水间内。两台板式换热器的太阳能循环侧通过循环管路及循环泵与太阳能集热器相连，生产热水箱及生活热水箱通过各自管路与与两个板式换热器的热水侧相连，组成间接式太阳能循环加热系统（子系统一）；锅炉产生的蒸汽通过生产、生活螺旋盘管换热设备分别与生产、生活热水箱相连构成辅助加热系统（子系统二）；生产热水箱内的热水通过变频供水泵供入生产热水供水管，供水管道中不能满足使用要求的生产用水会通过生产热水回水管回到生产热水箱再次加热后使用，生活热水的取用方式与生产热水相同，同样使用专用管路及变频泵组进行供水，构成供水循环管路系统（子系统三）。

系统中的太阳能循环加热系统通过全玻璃真空管集热器及板式换热器实现了温差循环加换热补水相结合的运行方式，辅助加热系统通过采用锅炉热源加螺旋换热器等设备也实现了水温水位双重控制的运行方式，再加上全自动运行的变频供水管路系统，整个太阳能热水系统可以实现全年全天候供热水；控制部分核心采用西门子可编程控制器，自动化程度高，运行稳定可靠，操作方便、显示直观、功能丰富，可以让整个太阳能热水系统实现无人值守全自动运行，在优先和充分利用太阳能的基础上，实现太阳能与辅助热源的最佳结合，保证满足用户的热水需求。

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工程技术亮点

三千余平方米的全玻璃太阳能集热器做成一个独立的热水生产系统，既要保证系统的长期运行稳定性，还要保证热水供水的可靠安全性，这样的工程在国内未见先例，技术难点主要体现在以下几个方面：

1.屋顶集热器的布置方式，我们知道，一般情况下全玻璃集热器摆放都是参照当地纬度结合场地情况适当的选择一个安装角度布置，这样做是基于全玻璃集热器的循环原理就是利用集热器中的循环水在被加热后水的密度发生变化：高温水向上移动、低温水下降来实现循环水的流动。而配餐楼项目从机场建筑的整体美观性考虑，必须把集热器平铺在配餐楼屋顶上，这就为系统循环设计提出了优化要求。

2.水平放置的集热器，每一只全玻璃真空管与其后的集热管会不会形成遮挡，现成的产品能否满足无遮挡的间距尺寸？

3.由于全玻璃真空管的特殊构造，其承压能力有限（一般为0.02MPa），大规模全玻璃集热器集中到一个系统中时，进水端与出水端距离较远，如要保证出水端的流量就势必会增大进水端的压力，这就可能会造成压力过大损坏真空管的情况，如何平衡整个系统的运行压力成为一大技术难点。

4.安装全玻璃真空管集热器，爆管、炸管问题一直是无法避免的问题，在配餐楼项目中，安装三万多只全玻璃真空管，炸管影响系统运行的情况一定要严格控制在合理的范围内。

5.全玻璃集热器的显著不足就是冬季防冻能力差，一般的小规模全玻璃集热器系统是采用电伴热带+低温循环的方式，其中电伴热带主要为了保护室外循环管路在冰冻温度下的畅通；低温循环则主要是为了保护全玻璃真空管不受损坏。但是本系统室外管路多且复杂，使用电伴热带的话会在冬季消耗较多电能，另外，市场质量参差不齐的电伴热带一旦在使用中出现纰漏将会造成较大的经济损失。因此，本系统对其防冻性能提出了更高的要求。

6.太阳能热水系统与蒸汽辅助的联动问题：太阳能是地球上最容易得到的清洁能源，而制约太阳能的利用最大的问题就是太阳能利用的不可控，配餐楼的生产基本上是全自动的，不可控的太阳能运用是否会影响今后的生产，这是系统控制设计的又一难题。

针对以上几个主要问题，太阳能厂家多次组织领域内专家进行分析论证，并进行了必要的试验测试，通过技术人员的强力攻关，最终解决了该系统所面临的技术难题，具体措施如下：

1.集热器在布置方式上充分遵守T3航站楼的建设原则，在距离屋面两米高的钢结构支架上平铺了541组全玻璃集热器，根据配餐楼的屋顶格局分为三个大区域摆放，三大区域内又细分为五个小区域，尽量保证了每一个小区域的集热器组数大致相同。从集热器的供回水管安装高度上做文章，供水管全部低于集热器平面，回水管全部高于集热器平面，使集热器内高、低温水形成满足循环所需的高度差，保证了集热器的循环。

2.水平摆放的集热器成为系统循环水路中的一个水平载体，现成的产品在冬至日太阳能入射角最低时不能满足遮挡的要求，在不更改产品生产的基础上集热器倾斜了2%的坡度，这种坡度凭肉眼观察不出来，同时也更有利于系统的整体循环。

3.系统的压力平衡是关乎稳定安全运行的关键点，采取了四大技术来平衡系统压力：一是集热器采取分区运行，相当于把一个大的循环系统分成了相对独立的小系统，小系统容易达到水力平衡。同时在集热器总进水管路上安装分水器，平衡各分区进水压力波动，这就解决了几个小系统间的压力均衡问题；二是把太阳能循环水泵由工频运行改为变频控制，实现太阳能循环系统的变频供水，控制系统会根据各分区具体的的需水情况，变频控制能够改变供水压力和流量，以适应各集热器组的实际运行需要。三是把原有设计中的压力平衡设备-膨胀罐改为一个小容积的水箱，从根本上解除大规模系统中膨胀罐的不可靠性。四是在各分区主供水管路上设置电动平衡阀，当五个区中的某几个区需要上水而其它区不进水时，变频控制系统调节循环泵上水压力，使水压在允许范围内。

4.集热器的分区基本上降低了由于水压的问题造成的爆管、炸管问题，分区变频供水使系统尽量实现自然对流式循环，在系统施工时尽早安装全玻璃真空管，使真空管在未通水的时候多次冷热冲击，降低玻璃的冲击应力，实际上这样做的效果相当明显，在系统调试时运行一周内未发生爆管、炸管现象。

5.考虑到本工程大面积应用防冻性能差的全玻璃集热器，防冻措施要做到万无一失。最终放弃了常规系统中的电伴热带防冻，而是采用充分体现节能的低温循环+机械防冻：在不同分区的室外循环管路上面设置多个温度探头，并且减小安放温度探头处的保温层厚度，当任何一个温度探头监测到的温度低于设定值时，控制系统就自动开启太阳能循环泵，把水箱中的热水供入室外管路与集热器，同时冷水被顶回水箱。循环到室外的热水提高了系统中管路与集热器的温度，达到防冻目的。智能、稳定的PLC中央控制系统能够保证该措施的可靠性。如果出现停电等极端情况，难以保证不上冻时，可进行人工紧急手动排空，在集热器组的安装过程中采取措施，沿水流方向抬高集热器和管路，使之呈现一定的坡度，在手动排空时，集热器中的水能够顺利的排出。

6.循环联动采用了现阶段太阳能利用领域最先进的PLC工业级可编程控制器,实现了无人值守全自动运行,并达到优先和充分利用太阳能基础上,根据用户用热水需求,保证用户热水需要的效果。具体运行原理如下:

太阳能系统：当太阳能集热器水温高于储热水箱水温设定值10℃时 ，控制器使温差循环泵中的两台和换热器泵中的一台启动, 将储热水箱内较低温度的热水经过板式换热器加热;如此不断,使储热水箱水温不断升高。当储热水箱温度>62℃时，换热器泵停止 , 太阳能侧电磁阀打开，使生产热水经过换热器初加温后注入水箱。当储热水箱温度=60℃时，电磁阀关闭，自动转入温差循环状态。当水箱处于满水位时，系统转入温差循环，当水位下降时先打开电磁阀将水温降到60℃，再转入温差循环。

辅助加热:当水箱水位小于设定最低水位时，辅助加热侧电磁阀打开，生产水经过汽水混合加热设备加热到60℃注入水箱,当水位等于设定高度时停止。

当太阳能集热器温度低于水箱温度时，同时水箱温度<58℃）时（根据实际可调），板式换热器循环泵启动，当水箱温度=62℃时，停止。

楼宇自控：楼宇自控对太阳能系统功能上只监不控. 太阳能系统的安全运行,经济运行,操作控制等均被监测,即所有保证该系统可靠运行的必要参数,状态信息等,通过通讯方式上传至楼宇自控系统. 系统采用OPC方式，遵从TCP/IP协议，通讯协议应符合国家标准。

此外：本太阳能热水系统是为机场配餐楼提供生产用水，优良的水质是基本要求，考虑到这一因素，系统设计中采用了换热运行方式，储热水箱注入的是可直接用于生产配餐的纯净水，太阳能循环水箱注入的则是自来水，两个系统中的水通过板式换热器进行热量交换，不会产生两种水的混合，既保证了生产用水的水质又充分利用了太阳能。这一设计中，为了降低造价，设计人员通过系统优化对换热推动系统做了改进，传统换热方式是在换热器两边分别设置一组水泵（水流推动设备），加上太阳能循环系统的一组水泵，就需要三组水泵来维持整个热水系统的运行，优化后把热侧的换热水泵组与太阳能循环水泵组合二为一，当太阳能循环水箱中的水温达到换热要求温度时由这组水泵推动进入换热器，成功换热后的水进入室外的太阳能集热器，吸收太阳辐照升温后回流到太阳能循环水箱。这一优化设计在保证系统功能的基础上，同时减少了水泵机组和控制系统的投资。

机场配套设施如此大规模采用太阳能热利用技术在国内并不多见，以上工程难点的解决保证了配餐楼全玻璃太阳能集热器系统的可靠稳定运行，这些技术措施成为本工程的亮点所在。太阳能热水系统的顺利运行，成功为太阳能领域创造了一个示范工程，这一工程无论设计还是施工技术在国内外均属一流，且得到了包括航空系统在内各界的一致好评，为太阳能热利用在航空系统的应用推广树立了典范。

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系统运行效果及安装实景图

该太阳能热水系统经过了三个月的不断优化设计、论证和近六个月的专业施工，于2008年六月正式竣工验收。

由于受配餐楼其它客观因素限制，本系统于2008年10月20日正式投入运行阶段，到目前已运行近9年的时间。太阳能热水系统在秋末冬初的时段，基本能够为配餐楼提供85%左右的热负荷。

北京机场T3航站楼配餐楼太阳能热水系统实景

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结语

能够让太阳能为中国“国门”添绿，作为这一工程承建单位的北京太阳能研究所集团有限公司做出了巨大的贡献。北京太阳能研究所集团有限公司已经有38年的发展历史，一直是我国太阳能热利用方面的权威和技术革新的引擎。当国内还没有太阳能热利用系统工程意识时，北京太阳能研究所集团有限公司敏锐的把握了这一发展趋势，并开始在实践中摸索工程技术经验，同时开展集热器相关的新技术研究。

2005年，北京太阳能研究所一举建成的“桑普——中国太阳能第一楼”，中国首度实现太阳能空调、发电、采暖、热水的综合利用以及与建筑一体化，当年该工程就被授予“北京2008绿色奥运示范工程”荣誉。

以该工程成功为标志，很多被发达国家垄断的太阳能技术被北京太阳能研究所一一研究成功，这些成果有力的促进了中国太阳能热利用技术的快速发展，也是首都机场T3航站楼配餐楼太阳能工程诞生的有力保障。

▌来源：北京市太阳能研究所集团有限公司 赵文智 颜凯 律翠萍

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