太阳能集中热水系统设计探讨

摘要：太阳能热水系统以节能与环保的突出特点越来越受到欢迎， 太阳能热水系统如雨后春笋般出现在各建筑屋顶、阳台等地方。本文笔者就某项目建筑中太阳能集中热水系统的设计展开讨论。

关键词：太阳能热水系统；辅助加热；计量；集热器

Abstract: solar water heating system to energy conservation and environmental protection the outstanding characteristic of more and more popular, solar water heating system efficiency as the building roof, appear in the place such as the balcony. In this paper the author is a project building solar hot water on the design of the system is also discussed.

Keywords: solar water heating system; Auxiliary heating; Measurement; collector

中图分类号： TK51文献标识码：A 文章编号：

如何解决能源问题和环境问题，已经是当今世界各国面临的重要挑战。我国政府也已大力开展节约资源、减少二氧化碳排放的相关工作，例如2006年1月1日颁发了《可再生能源法》，提出了节能减排的具体目标等。在新建和改扩建的工业和民用建筑中，大力开发和利用太阳能资源，对减少常规资源的消耗，提高生产和生活的品质，具有十分重要的意义。而随着新的产品技术的不断发展，如新型太阳集热器，太阳热泵等技术的开发应用，必将进一步推进此项工程的发展。下文就某项目建筑中太阳能集中热水系统的设计展开讨论。

1 工程概况

深圳市某项目，总用地面积20199m2，总建筑面积5138m2，地下一层，地上二层，建筑高度9.1m。使用功能包括球场、咖啡厅、图书室、更衣室、游泳池、配套办公室和设备用房等。其中打球、健身和游泳沐浴，最高日使用人数175人，需保证热水供应；夏季平均使用人数400人/d，可不完全保证热水供应。

项目设置淋浴喷头78个，每天15小时使用热水，设备布置在一块约308m2的屋顶。

2热水负荷计算

2.1最高日设计热水(60℃)用量Qd

根据《建筑给水排水设计规范(GB 50015-2003)》，使用人员用水额30L/人次，最高日设计热水(60℃)用量Qd＝175*30＝5250L/d。

2.2 平均日用水量Qda

根据《室外给水设计规范》用水日变化系数Kd为1.1-1.5，对于用水量较小的单栋建筑取高值，为安全计，本项目取Kd=1.4。

Qda＝Qd/Kd＝5250/1.4=3750L/d。

2.3设计小时耗热量

根据《建筑给水排水设计规范》(GB 50015-2003)，定时供应热水的体育场馆热水系统设计小时耗热量以卫生器具的数量为计算依据，其计算方法为：

Qh―设计小时耗热量(W)

qh―卫生器具热水的小时用水定额L/h，体育场馆为300L/h

C―水的比热，4.187KJ/kg℃

tr―热水温度，体育场馆为35℃

tl―冷水计算温度，按照最冷月地面水平均水温，15℃

ρr―热水密度，按照1kg/L计算

N0―同类型卫生器具数，39个

b―卫生器具同时使用百分数，游泳池更衣室31个按照30%计算，地下室和网球场8个按照100%计算

经计算：Qh=120725W。

2.4 设计小时热水量，按照下式计算

其中：

qrh―设计小时热水量(L/h)

Qh―设计小时耗热量(W)

tr―设计热水温度，60℃

tl―意义同2.4

ρr―热水密度，按照1kg/L计算

经计算：qrh=2307L/h。

2.5 设计小时供热量，按如下公式：

式中：

Qg水加热器设计小时供热量（W）；

Qh设计小时耗热量（W）；

Vr总贮热容积（L）；设计值为6000L，详见3.3节计算。

T设计小时耗热量持续时间（h）；T＝2－4h，本项目取4h。

有效贮热容积系数，取0.85.

tr,tl意义同2.5。

经计算，加热量设计小时供热量为Qg=53998W。

2.6 全年生活热水耗热总量

3750x365x4187x(60-15)x1=257893MJ/a。

3 系统设计

3.1 系统形式选择

太阳能是一种可再生的清洁能源，随着太阳能集热器价格的下降，其几近免费的运行(产热)成本，在太阳能资源丰富、建筑自身条件许可的项目中，太阳能可以说是热水系统热源形式的首选。深圳地区在全国的太阳能条件方面属于资源一般区中的较高水平，年日照时数为1975h，水平面上年太阳辐照量5225MJ/m2a。本项目有一块约300m2的屋顶可以布置设备。因此确定本项目热水系统的第一热源为太阳能。

由于可接收的太阳能辐射的不稳定性，故太阳能作为生活热水的热源时，需要设置辅助加热的设备进行补充。深圳地区由于室外温度较高，采用空气源热泵来补充生活热水具有较高的能效比，因此确定空气源热泵为辅助热源，从而可保证用水时段全部热水供应。

将空气源热泵机组和太阳能集热系统两者有机结合，既可充分利用太阳能，又可节约辅助能源，最大限度的降低运行成本，节能省费。

其主要组成包括太阳能集热板、太阳能热水循环泵、空气源热泵机组、生活热水箱、生活热水加压给水泵以及控制器等。系统形式为集中式热水系统；传热工质为自来水，为太阳能直接系统；太阳能集热器与贮水箱之间采用强制循环；贮热水箱从成本、管理方便安全等角度考虑采用开式。其系统原理见图1。

图1系统原理图

3.2 集热器设计

(1) 集热器的选择

目前，我国太阳能热水系统中主要使用平板型集热器和真空管型集热器。全玻璃真空管直插整体式太阳能热水器由于它可以过冬，而且价格较低，是当前市场的主流，主要用于北方的家庭式太阳能热水系统。平板型太阳能集热器在我国的市场份额较小，但其一直以来是世界太阳能市场的主导产品，广泛应用于各种低温热水加热领域，而且其结构简单，运行可靠，成本低廉，热流密度较低，即工质的温度也较低，安全可靠。与真空管太阳能集热器相比，它具有承压能力强，吸热面积大等特点。虽然集热效率受环境温度影响较大，但对于南方地区年平均气温较高，其综合集热效率与真空管不相上下。考虑到平板型的其它优点，因此平板型集热器是本项目的选择。

(2)集热器的面积

根据《民用建筑太阳能热水系统应用技术规范》(GB 50364-2005)，直接系统集热器总面积可根据用户的每日用水量和用水温度确定，按下式计算：

式中：

Ac――直接系统集热器总面积，m2 ；Qw――日均用水量，3750kg/d ；

Cw――水的定压比热容，4.187kJ/(kg•℃ ) ；

tend――贮水箱内水的设计温度，60℃；

ti――水的初始温度，15℃；

JT――当地集热器采光面上的年平均日太阳辐照量，14315.1kJ/m2；

f――太阳能保证率；根据系统使用期内的太阳辐照、系统经济性及用户要求等因素综合考虑后确定，宜为30％～80％；本工程80%。

ηcd――集热器的年平均集热效率；根据经验取值宜为 0.25～0.50，具体取值应根据集热器产品的实际测试结果而定；根据厂家提供的检测数据，吸收率大于90%，发射率小于10%，综合集热效率54%。

ηL――贮水箱和管路的热损失率；根据经验取值宜为 0.20～0.30；本项目贮热水箱及管路均采取严格保温措施，24小时温降小于5℃，热损率5/45=0.11。为安全计，取0.2计算。

代入数据，经计算得Ac＝91.4 m2。考虑到与建筑一体化布置，集热板面积取96 m2。共48块标准集热板，每块2m2。重新验算太阳能保证率f＝84%。

集热器面积复核：GB 50364-2005 4.4.2条文说明，推荐的粤南地区每100L热水需集面板面积1.6m2，即96m2可产热水量6000L，刚好略大于最高日热水用水量5750L。

(3)倾角及间距

在本项目太阳能热水全年需要使用，所以倾角选择与深圳纬度一致，深圳纬度约为22°33’，选择倾角为23°。

集热器与遮光物或集热器前后排间的最小距离可按下式计算：

，式中：

D――集热器与遮光物或集热器前后排间的最小距离，m；

H――遮光物最高点与集热器最低点的垂直距离， m；

αs――太阳高度角，度(°)；对全年性使用的系统，取深圳冬至日正午 12 时的太阳高度角，44.1°。

经过计算，集热器前后排的最小距离为0.8m。

图2 太阳能集热板布置计算

3.3 贮热水箱设计

太阳能热水系统贮热水箱的计算方法，根据《民用建筑太阳能热水系统应用技术规范》(GB 50364-2005)中规定有两种。一是利用集中供热水系统的贮水箱容积应根据日用热水小时变化曲线及太阳能集热系统的供热能力和运行规律，以及常规能源辅助加热装置的工作制度、加热特性和自动温度控制装置等因素按积分曲线计算确定。其计算结果精度高，但有关数据参数难于获取。

二是要求V≥60minQh。根据2.5的计算结果， V≥2307L。

考虑到太阳能加热过程较为缓慢，为保证太阳能被充分吸收贮存，笔者认为V不宜小于集热器每天可加热的热水量即96/1.6*100=6000L。

综上，设计贮水量为6000L，分为两个每个3000L。

水箱材质为食品级不锈钢，保温采用聚氨脂发泡，厚50mm，以保证24小时温降小于5℃。

3.4 辅助加热设计

当设置96m2的太阳能集热板后，在全天晴天情况下太阳能可以100%保证当天的热水供应。当阴雨天气时，采取空气源热泵做为辅助热源，设置空气源热泵两台，单台输入功率8.3Kw，不利工况下，环境10℃，水温15℃，温升45℃，COP＝3.5。输出功率58.1KW>Qg53998W。因此在连续阴雨天气亦可完全保证热水供应。

3.5 其它设计要点

(1)减少温度波动措施：热回水管道同程布置。因建筑高度较小，且热水为开式系统，设置专用变频热水加压泵，便于调节冷热水压力平衡。

(2)系统保温：系统保温对于节能效果的影响很大，本设计贮热水箱与管路系统均采取了严格的保温措施，以减少热损。

(3)防烫伤控制：设有过热保护装置，当贮热水箱水温超过60℃时，系统将自动停止加热。

(4)为使用系统尽可能节能运行，水箱水位会按一定规律变化，当水箱内水位较低时，吸水管内容易进气，会引起停泵故障，影响供水。所以本设计中在贮热水箱吸水喇叭口处设置了导流罩，减小了水泵进气的机率。同时热水泵选型时选择了自动复位型水泵，一般故障后可很快自动恢复运行，减小对供水的影响。

(5)建筑一体化：设计中主要考虑了集热板、水箱、热泵等设备布置不影响主立面，因女儿墙仅1.5m高，水箱尺寸设计，热泵选型过程考虑了其最高点不超过女儿墙。

(6)安全措施

设备基础及连接条件提交结构专业核算，以满足抗震抗风要求。将设备设置情况提交电气专业设置有效的防雷措施。

4 系统分析

4.1 运行工况分析

4.1.1热水系统运行的三种工况

（1）太阳能加热生活热水

在大部分日照良好的晴天，系统按此工况工作，此时太阳能循环泵的工作由系统控制器根据太阳能集热器和热水箱的温度进行控制，源源不断的利用集热器采集的热量通过中间换热器输送到热水箱。

（2）空气源热泵机组加热生活热水

当连续阴天或多云天气，当太阳能集热系统不足以产生设计温度的热水时，热泵机组启动，利用空气作为热源加热热水箱内生活热水。

（3）太阳能和热泵机组同时加热生活热水

在日照情况一般或热水耗量大于太阳能集热系统的有效供热量，太阳能只能部分满足热水系统的用热需求，则太阳能和热泵机组同时工作向热水系统供热。

4.1.2运行节能措施

(1)根据实际运行规律，夜间不用热水，热水循环泵由管网末端水温和时间两个参数控制启停。在满足使用要求的同时最大限度减少热损。

(2)贮热水箱水位的调节。其水位根据太阳辐射情况，用水时段，用水规律等情况，设定水位控制程序。保证太阳辐照较好时，通过补水最大限度的吸收太阳辐照。当太阳辐照较弱时，刚在满足使用要求的前提下，尽量少补水，以减少空气源热泵的开启。从而实现节能。

4.2 系统经济性分析

全年热水耗热总量：3750x365x4187x(60-15)x1=257893MJ/a。太阳能保证率为84%，则全年由太阳能提供的热量为：257893x84%=216630MJ/a。其余16%的耗热量41263MJ/a由热泵系统提供，热泵亦具有明显的节能效果，总耗电量为41263/3.5=11789MJ/a（合3275度电/a）。因此总节能量可达257893－11789＝246104MJ/a（合68362度电/a），节能率达95.4%。年耗电量为热水系统总耗热量的4.6%。

项目增量成本计算：本热水系统成本约15万元，常规能源系统较易实现的以电热水炉为例，成本约3.5万元。增量成本为15-3.5=11.5万元。

项目费效比、回收年限计算：这里采用静态增量算法，计算期取系统设计寿命15年，常规能源系统以电热水炉为标准计算：ICE＝Ｃ／Ｅ，式中：ICE费效比，C初投资增量费用万元。E计算期内节省的电能（度），68362（度）x15a＝102.54万千瓦时。ICE＝C/E=11.5/102.54=0.112元/千瓦时。投资回收期T=11.5/68362/1.0(商业电价)＝1.7a。

5 结语

太阳能集中热水系统可提供较高比例的“免费”热水，当环境温度较高时，空气源热泵具有较高的能效比，是一种比较理想的辅助加热设备，其组合系统还可全天候运行，供水安全、环保、节能，具有良好的社会效益和经济效益，比较适用于在常年气温较高地区热水需求量大集中的公共性建筑。

参考文献

[1] GB 50015-2003，建筑给水排水设计规范；

[2] GB 50364-2005，民用建筑太阳能热水系统应用技术规范；

[3] 06SS128太阳能集中热水系统选用与安装 国家建筑标准设计图集。

[4] 建筑给水排水工程(第五版) 王增长 主编

[5] 2003全国民用建筑工程设计技术措施―给水排水

注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。