太阳能热水工程的方案设计

一、太阳能热水工程的方案设计

（1）确定相关设计条件

①热水工程的使用功能及要求。不同的使用功能对热水工程的设计参数、运行方式有不同的要求。一般而言，系统的使用功能取决于服务对象，如宾馆、住宅、浴室等主要是满足洗浴热水供应；游泳馆一般是泳池加热和淋浴热水。

明确用户对用水量、水温、用水时间、辅助能源的种类等特殊要求。如果用户没有特别要求，那么这些参数可根据设计规范确定。此外还应了解冷水供应方式、温度、水压等参数。

②地理环境条件。当地的纬度，气候条件和气象数据包括太阳辐射资源、太阳辐照总量、日照时间、环境温度、风力、风速以及遮挡等。

③热水工程的设计安装条件。用户需提供屋顶平面和结构建筑设计图样等相关资料，主要包括安装平面（屋面）的具体尺寸，屋面的荷载、承重梁的分布及水源、电源情况。

（2）确定太阳能集热器形式

目前工程常用的太阳能集热器主要有平板式、全玻璃真空管式和热管真空管式，上述3种形式的集热器都是技术成熟的产品。在选用时，应综合考虑太阳能资源条件、水质、投资规模、后期运行管理等各方面因素，选择最适合的产品。

（3）太阳能集热器面积估算

①按太阳能集热器得热量和热水系统日耗热量计算确定：

太阳能集热器面积=热水系统日耗热量÷每平方米太阳能集热器的日有用得热量

太阳能热水工程的得热量可按春、秋季晴天估算。以当地春、秋季每平方米日平均太阳辐照量乘以太阳能集热器的日效率即可得出每平方米太阳能集热器的日得热量。太阳能辐照量可查阅当地的太阳辐射资料，或近似以17MJ/（m²·d）（4.72kWh/d）估算。太阳能集热器集热效率以厂家出厂产品测试报告的测试数据为准，或按类型不同取40%～60%。

系统日热水用量一般根据国家标准《建筑给水排水设计规范》（GB50015—2003）提供的热水用水定额和热水系统的用水规律或实际用水经验数据确定。正常情况下，淋浴用热水，每人每次用水量35～40L（40℃以上）；宾馆客房则为每人每日75～100kg；住宅集中供应热水量为平均每人每30～40L。

②按太阳能集热器生产热水量估算：

在日照17000kJ/（m²·d）条件下，真空管集热器生产水温40℃～60℃的热水量，春秋季为60～70L/（m²·d）；夏季为70～80L/（m²·d）；冬季为50～60L/（m²·d）。为保证系统全年使用，设计时．推荐选用60～70L/（m²·d）（水温40℃以上）。

据此可推算出整个系统的集热器面积。

（4）确定太阳能热水工程的运行方式

①直流式系统。直流式太阳能热水系统适用于规模较小，对用水量及水要求不高的场所。直流式又可以分为热虹吸式和定温放水式。

热虹吸式。如图2-35所示，这种系统主要由集热器、热水箱、补水箱和连接管路组成。补水箱的水位由浮球阀控制，使其与集热器出水管口的最高位置在一个水平面上。在无阳光照射时，集热器、上升管和下降管中的水是静止不动的，当阳光照射集热器后，其内部水温升高，系统中形成热虹吸压头，从而使上升管中的热水流人热水箱，而补水箱中的冷水则由下降管进人集热器。日照越强，热水温度就越高，产水量也越大。

图2-35　直流热虹式系统示意图

定温放水式。如图2-36所示，定温放水式系统在集热器的出水口处装有一温度传感元件，通过控制器控制装在集热器进水管上的电动阀门，使之根据集热器出口水温的变化改变其开启程度，调节水的流量，从而使流人热水箱的水温保持恒定的一种运行方式。

图2-36　直流低温防水系统示意图

②自然循环式系统。图2-37为自然循环式太阳能热水系统示意图。这种系统的热水箱必须高于集热器，水在太阳能集热器中被加热后温度升高；由于集热器与蓄热水箱中水的温度不同，从而产生密度差，形成热虹吸压头，使热水由上循环管进人水箱的上部，同时水箱底部的冷水由下循环管流人集热器形成循环，逐步使水达到使用温度。用水时，则由补水箱或自来水管向热水箱补水。

图2-37　自然循环系统示意图

③强制循环系统。在强制循环太阳能热水系统中，工质的流动是靠泵推动，泵的运行由控制系统操控。强制循环系统的热水箱位置不必高于集热器，因此系统布置比较灵活，若采用可承压运行的集热器，系统还可以带压运行，强制循环适合于规模比较大的热水系统。强制循环系统根据加热方式又可分为直接加热系统和间接加热系统。直接加热强制循环热水系统如图2-38所示，太阳能集热器与热水箱形成环路，当集热器出口温度高于热水箱温度达到某一设定值时，控制器起动太阳能循环泵，将集热器加热的水导人热水箱中；若两者的温差小于某一设定值，循环泵停止运行。如此反复循环，直至把热水箱中的水加热到适宜温度。系统中，热水箱由补水箱或自来水管直接补水，也可在补水管上安装电磁阀，通过水位控制仪或时间控制器控制补水时间和水量，以保证供水期间热水水温的恒定。

图2-38　直接加热强制循环热水系统

间接加热强制循环热水系统。如图2-39所示，太阳能系统工质通过设于热水箱内的换热盘管对水加热，工质为防冻液或软化水。这种间接加热方式可以保证热水清洁及有效解决太阳能集热系统的防冻与结垢问题。太阳能循环泵的人口处设有膨胀罐或补液装置，以保持系统内压力的稳定。

以上介绍了常用的几种太阳能热水系统形式，供方案设计选用。但究竟确定何种系统形式，应根据工程实际及各种因素综合考虑。表2-6根据国家标准《太阳能热水系统设计、安装及工程验收技术规范》（GB/T18713—2002）给出推荐选用的运行方式。

（5）辅助加热设备的选择

工程方案设计应根据用户要求或工程需要选用适当的辅助加热设备。辅助加热设备的功率应按照热水工程设计的小时耗热量确定，以保证系统在连续阴雨天工况下依然能正常供热。辅助加热设备可以采用锅炉、空气源热泵、水源热泵等。规模较小的太阳能热水工程可在热水箱内安装电加热器，但必须采取相应的安全保护措施。辅助加热设备作为太阳能热水系统的补充，可以与太阳能系统并联运行，共同对热水箱加热，也可以串联在太阳能热水供水管上，在太阳能供热不足时进行补充加热。

图2-39　间接加热强制循环热水系统

表2-6　太阳能热水系统运行方式选用表

注：①在温控器控制泵的方式下可用　　

　　②在温控阀控制的方式下可用　　　

　　③在光电池控制直流泵的防水下可用

（6）系统投资及节能、环境效益

在这个阶段，设计者可以根据方案设计做出太阳能热水工程预算并与投资方洽商、调整，形成最终的预算。

每平方米太阳能热水器每年平均替代标煤150kg，电450kWh，天然气60m³。每平方米太阳能热水器每年可减排二氧化碳233.05kg，二氧化硫3.3kg，二氧化氮1.5kg，烟尘2.55kg，具有明显的节能效益和环境效益。据此可以计算出太阳能热水工程的节能效益和环境效益。

（7）方案设计举例

①设计条件。北京某大学生活区，学生人数2000人，需全天供应淋浴热水，使用水温45℃，冷水温度15℃。本地区水平面七每平方米太阳能年辐照总量5432MJ（1513kWh），平均日辐照量14.88MJ。

②集热器形式确定。本地区冬季气温较低，为保证系统可靠高效运行，方便运行管理，拟采用热管真空管太阳能集热器，平均集热效率55%。集热器安装方位角正南，倾角40°。

③集热器面积估算。按平均每人每日45℃热水用量40L估算，则日总热水用量为80t。系统日总耗热量为：

Q=Cm△t=4.19×80000×（45－15）＝10056000kJ=10056MJ。

太阳能集热器安装角度为40°，集热器安装斜面上的太阳能辐量按约为水平面上的1.3倍。

每平方米集热器表面上每日有效得热量为：

14.88×1.3×55%=10.64（MJ）

太阳能集热器安装面积：F=10056/10.64＝945（m²）

④太阳能热水系统形式。本工程拟采用直接加热式强制循环太阳能热水系统形式，系统流程如图2-40所示。

图2-40　太阳能热水系统流程示意图

太阳能集热系统的循环采用温差控制方式。系统设两个热水箱，一个是太阳能储热水箱，一个是恒温供水箱。太阳能直接对储热水箱加热，恒温供水箱向热水用户供热，由太阳能储热水箱为其补充热水。液位控制器和补水电磁阀联合控制太阳能储热水箱的上下限水位，回水管电磁阀和热水循环泵联动。两个水箱的容积根据热水系统的功能和用水特点进行确定，由于学校生活热水系统的用水高峰一般集中在晚间和早晨，所以太阳能储热水箱容积确定为60m³，可以储存全天70%～80%的太阳能热量，恒温供水箱容积为20m³。为保证系统水质，在太阳能集热系统和热水供水系统水泵的出口管路上各安装了一台电子水处理器。

⑤辅助加热设备。如图2-40所示，本系统采用一台功率为700kW的燃气热水锅炉作为辅助加热设备。燃气锅炉串联在热水系统供水干管上，书热水箱出水温度不能满足使用要求或全天太阳能加热达不到水箱设定温度时，起动辅助加热设备进行加热。

⑥节能与环境效益。本系统安装热管式真空管太阳能集热器945m²，集热器日总得热量约为10055MJ，全年约367万MJ，每年节约常规能源367万MJ，相当于电102万kWh，天然气约13万m³。每年可减排二氧化碳22万t,二氧化硫3100kg，二氧化氮1400kg，烟尘2400kg，节能效益和环境效益显著。