住宅集中太阳能热水系统设计探讨

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，小型太阳能热水系统如雨后春笋般出现在各住宅天面、阳台等地方。本文笔者就多层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;自动控制系统;

随着能源紧缺对国民经济发展带来的严重威胁，社会各界普遍重视对新能源和可再生能源的开发应用。其中太阳能热水系统堪称技术最为成熟，经济最具有竞争力，应用最为广泛，产业化发展最为迅速的技术。太阳能热水系统与建筑一体化将为太阳能的利用开辟更广阔的空间，同时也能够为建筑开源节流。深圳市地处广东南部，属夏热冬暖地区，长夏短冬，夏无酷暑，冬无严寒，阳光充足，雨量丰沛，气候宜人。年日照时数介入2200～3000h，年辐射总量介于5000～5852MJ/m2，属于我国太阳能资源一般区，太阳能全天、全年分布较为均匀，全年50%的白天具有采集太阳能的条件，这种较为优越的太阳能资源条件对深圳市太阳能热水系统的利用具有现实意义。本文结合工程实例分析了住宅太阳能集中热水系统的设计。

一、工程概况及设计原则

某9层住宅楼，建筑面积12000m2，共4个单元，每单元一梯两户，全楼72户，屋顶为平屋面。根据深圳经济特区节能条例(公告二十三号)和深建节能〔2011〕46号，该项目需设置集中太阳能热水系统。在进行系统设计和产品选择时应主要考虑以下原则：(1)保证用户热水供应的连续性和稳定性;(2)日照不充足时有可靠的辅助加热措施，保证用户随时用水;(3)最大限度地利用太阳能，尽可能少地利用辅助能源加热;(4)在满足系统供热能力的同时，尽可能优化系统配置，减少初投资;(5)解决好与建筑一体化及系统冬季防冻、漏电、防雷等安全问题;(6)控制系统设计合理，既满足自动化、智能化、远距离控制要求，又具有长期无故障运行的可靠性和稳定性。

二、系统组成及工作原理

1系统组成

结合本建筑的类型和使用要求，选用集中--分散供热水系统。整个系统由集热器、贮水箱、辅助加热器、控制系统及管路循环系统组成。集热器分组串联摆放在屋顶，面向正南，各组并联同程连接;燃气辅助加热器设于每层住户阳台;承压保温水箱，热水回水泵均设于每层住户阳台。系统示意如图一,辅助加热详图如图二。

图1 太阳能热水系统流程示意图

图2 燃气辅助加热详图

2系统工作及控制原理为：

(1)热水接入各户承压保温水箱的两位三通阀：当水箱水温比立管水温低5度时，则电磁阀直通;当水箱水温比立管水温低2度时，则电磁阀通至回水管;当水箱水温达到55度时，则电磁阀通至回水箱。

(2)定时温差强制循环：系统工作时间设定在7：30~19：00(可调)。在工作时间内，当集热器出水温度T1比集热器进水温度T2高出7度时，太阳能循环泵启动循环;当集热器出水温度T1比集热器进水温度T2小于2度时，太阳能循环泵停止工作。

(3)快速补水。如果用水量较大，集热器产水量不能满足要求，承压保温水箱水位不断下降至最低警戒水位h1时，快速补水阀打开，系统快速补水，避免系统断水。当水箱水位上升至最高水位h2时，快速补水阀F2关闭，系统再次进入定时温差强制循环过程，h2与h1差值为系统设计秒流量5~10min用水量。

(4)自动辅助加热。温控切换器检测供热水立管末端的水温，当水管的水温T5低于设定下限值(45℃)时，两位三通阀自动切换到燃气热水器，通过加热进行供水，当水温T5高于50℃时采用直接供水。切换温度可以任意设定。

(5)保温循环。用户末端供热管路设供热循环泵，当热水回水管路水温T3低于40℃时，供热循环泵自动启动，进行保温循环，当T3升至45℃时，停止循环，保证用户热水随开随用。

(6)自动控制。系统设集中控制器，对以上所述各种工作过程进行检测和控制，各温度设定值可根据不同设用要求和季节变换进行现场调整，系统运行参数均可显示，出现故障自动发出报警信号，并可与小区物业管理系统联网，实现远距离控制。

3系统的优点：

(1).分开设置承压式贮水箱与辅助加热器可有效提高太阳能利用率，减少其他能源消耗。

(2).有效解决热水计量问题，每户节省热水水表。

(3).可适应开发商对热水使用的要求，灵活设计为仅立管循环或做到末端支管循环。

三、系统设计水量

1用户热水用量计算。

本工程最高日热水用水定额按70L/(人·d)(60℃)，地面水温度为20℃，根据《建筑给水排水设计规范》(GB 50015-2003)中式5.3.1～5.3.3，经计算热水最高日用水量(60℃)为0.07×72×3.5=17.65(m3/d),设计小时耗热量Qh=Kh*m*qr*C*(tr-tl)ρr/T,代入数值Qh=150.79KW，设计小时热水量qrh=Qh/〔(tr-tl) *C *ρr〕= 3.31 m3/h。

2太阳集热器设计

(1) 集热器的选择

集热器分为平板型太阳能集热器和真空管型太阳能集热器两大类型。

在粤北地区，宜采用全玻璃真空管型集热器和U型管式真空管集热器，如采用平板型集热器应采取防冻措施;在粤南地区，无此限制，可采用平板型集热器和真空管型集热器;对于须保证热水供应的太阳能热水系统，应采用平板型集热器或U型管式真空管集热器。平板型其结构简单，运行可靠，成本低廉，热流密度较低，所以安全可靠。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，但粤南年平均气温较高，其综合集热效率与真空管不相上下。考虑到平板型集热器的优点，本项目选择平板型集热器。

(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，172970kg/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，20℃;

JT——当地集热器采光面上的年平均日太阳辐照量，16.29MJ/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%;本工程取60%。

ηcd——集热器的年平均集热效率;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50%。

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=266.60 m2。考虑到与建筑一体化布置，集热板面积取300 m2。共150块标准集热板，每块2m2。

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300m2可产热水量18.75 m3，略大于最高日热水用水量17.65 m3，满足要求。

(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。

集热板

0.8m

1.84m

23o

o

44.1o

o

2m

图3 太阳能集热板布置计算

3集热水箱及加热器设计选型。

承压保温水箱容量按最高日用水量选用，与集热器平均日产水量相匹配。每户选用立式承压保温水箱：容积200L，内胆为316L不锈钢，δ1.5mm;内带铜盘管，换热面积不少于2平方，中间50mm聚胺脂发泡，外包彩板。燃气热水器选用室外型快速热水器JSW48-24A，热负荷48KW,电源85W，热效率大于88%。

四、系统造价及效益分析

本建筑太阳能的系统总造价为34.3万元。根据前文所述，太阳能年辐射总量5200MJ/(m2·a)，集热器集热效率50%，管路热损失20%，该系统每年可节约5200×50%×(1-0.2)×300=624000(MJ·a)。按燃气热水器计算，天然气的热值8600Kcal/m3，热效率88%，换算燃气实际制热量31.68 MJ/m3。每年太阳能节约的热量相当于624000/31.68=19697 m3燃气，按燃气4.8元/m3每年节省94545元。理论上最短3~4年即可收回成本，经济效益可观，因此该系统具有较高的投资回报率。

五、结束语

为了更好推广太阳能这一绿色能源，笔者观点是要充分结合住宅中的诸多特点一起考虑。集中太阳能热水系统具有供水品质好、节能、环保、便于管理、使用费用低等特点，值得今后大力推广应用。

参考文献

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[2]GB50364-2005 民用建筑太阳能热水系统应用技术规程[S].北京:中

国建筑工业出版社,2005.

[3]CECS222:2007 小区集中生活热水供应设计规程[S].北京:中国计划

出版社

[4]郑瑞澄.民用建筑太阳能热水系统工程技术手册[M].北京:化学工业

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