太阳能热水工程的施工图设计

二、太阳能热水工程的施工图设计

太阳能热水工程施工图设计是方案设计的具体化，通过施工图设计形成最终施工图样，作为工程施工、验收和预算控制的主要依据。

（1）确定热水使用工况

①确定热水水质。太阳能热水系统的水质应满足国家或行业相关标准或规范的要求。

②确定用水点的位置、用水器具的数量。可根据建筑设计图样或建设单位的要求确定。

③设定供水温度。洗浴用热水温度应符合国家标准《建筑给水排水设计规范》（GB50015—2003）要求，供水温度一般应控制在55℃～60℃。水温过高将加速设备与管道的结垢、腐蚀，增大系统的热损失，降低供水的安全性；水温过低则易滋生细菌。

在目前的技术条件下，热水用太阳能集热器在出水温度45℃左右时，集热效率最为理想。出水温度设定过高则太阳能得热徽会大幅度减少，辅助加热能源的用量将增加，从而使太阳能系统节能效果降低。而当连续几天不用时，储热水箱的水温会持续升高到70℃甚至80℃以上，较低的供水温度对延长集热器及管道的使用寿命和防止水垢也能起到积极的作用。所以在确定太阳能热水系统的出水温度时，从高效利用太阳能资源的角度出发，根据实际使用水温要求，将水温设定在50℃左右为宜，这样既能保证热水水质，又能达到节能的目的。

（2）系统日耗热量与小时耗热量计算

一般按热水系统的实际用水量或能够满足大部分时间的用水量来确定太阳能集热系统的供热能力。短时间的用水高峰，由辅助热源补充，从而提高太阳能利用率，使其长期在比较高的效率下工作，这样考虑还可以减少太阳能集热系统投资，辅助加热设备的功率则通过小时耗热量计算确定。

①系统日耗热量计算。主要根据每日总热水用量和冷热水温度，《建筑给水排水设计规范》给出了不同热水系统每人日热水用水定额和卫生器具用水定额，各地区冷水计算温度系统日耗热量按下式计算：

Q_d=mq_rC（t_r-t₁）ρ_r

式中　Q_d——系统日耗热量，J/d；

m——用水计算单位数，人数或床位数；

q_r——热水用水定额，L/（人·d）或L/（床·d）；C——水的质量热容，C=4178J/（kg·K）；

tr——热水设计温度，℃；

t1——冷水设计温度，℃

ρ_r——热水密度，kg/L。

②系统设计小时耗热量计算。根据《建筑给水排水设计规范》的规定，全日供应热水的住宅、别墅、招待所、培训中心、旅馆、宾馆的客房（不含员工）、医院住院部、养老院、幼儿园、托儿所（有住宿）等建筑的集中热水供应系统的设计小时耗热量按下式计算：

式中Q_h——设计小时耗热量，W；

m——用水计算单位数，人数或床位数；

q_r——热水用水定额,L/（人·d）或L/（床·d）；

C——水的质量热容，C=4187J（kg·K）；

t_r——热水设计温度，℃；

t₁——冷水设计温度，℃；

ρ₁——热水密度，kg/L；

K_h——小时变化系数。

注：1W=1J/s，式中86400指每日86400s

设计和计算居住小区集中热水供应系统的小时耗热量时，当公共建筑的最大用水时段与住宅的最大用水时段一致时，应按两者的设计耗热量叠加计算；当公共建筑的最大用水时段与住宅的最大用水时段不一致时，应按住宅的设计小时耗热量加公共建筑的平均小时耗热量叠加计算。

定时供应热水的住宅、旅馆、医院及工业企业生活间、公共浴室、学校、剧院、体育馆（场）等建筑的集中热水供应系统的设计小时耗热量应按下式计算：

式中 Q_h——设计小时耗热量，W；

t_r——热水设计温度，℃；

t₁——冷水设计温度，℃；

C——水的质量热容，C=4187J（kg·K）；

q_h——卫生器具热水的小时用水定额，L/h；

ρ1——热水密度，kg/L；

N₀——同类型卫生器具数；

b——卫生器具的同时使用百分数。

住宅、旅馆、医院、疗养院病房的卫生间内浴盆或淋浴器可按70%～100%计，其他器具不计，但定时连续供水时间应不小于2h。工业企业生活间、公共浴室、学校、剧院、体育馆（场）等的浴室内淋浴器和洗脸盆均按100%计。住宅一户带多个且生间时，只按照一个卫生生间计算。

（3）太阳能集热系统设计

①太阳能集热面积的确定。在太阳能热水系统方案设计时，已经初步估算出了热水系统需要安装的太阳能集热器而积。对于规模较小、用水要求较低的热水系统，可按此面积设计太阳能集热系统。但对于热水需求量较大、用水要求较高的系统，一般是由太阳能和辅助加热系统共同供热，系统投资相对较大，太阳能集热器在总投资中占有比较大的比例，对于此类系统，就要对太阳能集热器的安装面积进行评估，确保以比较经济的投资达到最佳的节能效果。

在实际设计中，为了防止太阳能资源的浪费，使系统投资经济合理，一般可按照估算面积的50%～80%来确定实际安装的集热面积。对于偏重于春、夏、秋三季使用的系统，可以取偏小值；投资规模较大，希望在冬季也能大量使用太阳能热水的系统，可以取偏大值。

另外，在确定太阳能集热器面积时，还应考虑安装场地的面积。因为大部分太阳能集热器要以一定的倾角安装、为了避免前排对后排的采光造成遮挡，各排集热器之间要留一定的间隔，一般情况下，安装场地的面积应为太阳能集热器面积的2～3倍。

②太阳能集热器安装角度的确定。太阳能集热器安装角度包括倾角和方位角两个指标，当倾角近似于当地纬度时，可获得最大年太阳能辐照量。当要求在冬季获得更多的太阳辐射能时（如太阳能采暖），安装倾角大于当地纬度10°；如希望在夏天获得更多的太阳辐射能，则安装倾角应比当地纬度小10°。太阳能集热器宜朝向正南，或在南偏东、偏西10°的范围内放置。

③太阳能集热器的连接方式。工程中使用的太阳能集热器数量一般较多，在应用中先将集热器连接成集热器组，集热器组之间再通过一定的方式连接成集热器系统。集热器组的连接方式有串联（图2-41）、并联（图2-42）和混联（图2-43，图2-44）3种。

图2-41　集热器串联连接

图2-42　集热器并联连接

图2-43　串-并联连接

采用自然循环的太阳能热水系统，集热器不宜串联过多，否则流动阻力大，系统无法循环。自然循环集热器的面积不宜超过32m²，总面积不宜超过48m²；采用非自然循环太阳能热水系统，集热器可以采用串联或并联方式连接，但串联的集热器面积不宜超过30m²。

图2-44　并-串联连接

为保证集热器组之间的水力平衡，各集热器组之间的连接推荐采用同程式连接，如图2-45。异程式连接时，应在每个集热器组的支路上设置调节阀调节流量，如图2-46。集热器组之间采用并联方式连接，各集热器组的面积应相同。

图2-45　同程式连接

④集热器前后排间距的确定。为了使集热器有较好的采光效果，应确定集热器前、后排之间南北方向上的不遮挡距离。计算公式为：

式中S―前后排集热器不遮光最小距离，m；

H―前排集热器的高度，m；

γ―方位角（地平面正南方向与太阳光线在地平面投影间的夹角）；

图2-46　异程式连接

a―太阳高度角。

太阳高度角a和方位角γ可通过以下公式求得：

式中ω―时角（以太阳时的正午起算，上午为负，下午为正，它的值等于离正午的时间钟点数乘以15°）；

δ―赤纬角（太阳光线与赤道平面的夹角）；

Φ―工程所在地的纬度。

例如：计算北京地区春、夏、秋季节使用的太阳能热水系统集热器最小不遮光距离。北京的纬度中Φ=40°，对应春分或秋分的赤纬角δ=0，对应9：00（或15：00）的时角ω=3×15°=45°，代入计算公式：

求得太阳高度角α=32.8°；

求得方位角γ=57.3°；从而求得集热器前后排最小间距为：

全年使用的太阳能热水系统，前后排集热器的最小不遮光距离一般可按2.0H～3.0H来确定。

（4）太阳能储热水箱容积的确定

太阳能储热水箱的容积应根据太阳能热水温度和太阳能集热器全天得热量确定，应能容纳太阳能集热系统全天最大热水量。

为最大限度利用太阳能，减少辅助加热设备的能源消耗，对于日产水量10t以上的太阳能热水系统，可以将储热水箱分为一大一小两个。大的水箱主要储存太阳能热水，起到对热水系统预热的作用，其容积可按全天最大热水量的70%～80%确定；小水箱作为热水系统供热水箱，辅助加热设备只对供热水箱加热，其容积应能满足热水供应系统的设计小时耗热量的要求，可按全天最大热水量的20%～30%确定。

有些太阳能热水系统除了储热水箱外，还需要设置一个与之配套使用的补水箱。补水箱的作用主要是控制储热水箱的水位和保持恒定的水压。补水箱的设计容量一般为储热水箱的1/30。

（5）管道系统

①管材。太阳能热水工程管道根据管内工质不同可分为冷水管道、热水管道和集热系统管道。冷水管道可选用的管材有热镀锌钢管、铜管、薄壁不锈钢管、塑料管、金属复合管、PP—R（聚丙烯）管、PB（聚丁烯）管、PEX（交联聚乙烯）管等；热水管道可选用热镀锌钢管、铜管、薄壁不锈钢管、塑料管、金属复合热水管、PP—R热水管、PEX热水管等；对于集热系统，因为循环介质温度变化幅度较大，温度相对较高，一般采用金属管，如热镀锌钢管、铜管、薄壁不锈钢管等。系统中的管件应和管道采用同种材质。无论选用哪种管材，管道的工作压力和工作温度不得大于产品标准标定的允许工作压力和工作温度。

②管径。太阳能集热系统的管径可按如下两种方法确定。

根据流量和流速估算

根据循环系统的流量和管道的流速，按下式可以计算出管道的直径，根据计算结果，选择适宜管径的管材。

式中D——计算管道直径，mm；

Q——管道流量，m^3/h；

V——管道流速，m/s；参照表2-7。

表2-7　水管道的流速

在不需要精确计算时，管道的沿程阻力损失按50～l00Pa/m估算，局部阻力损失按照沿程阻力损失的25%～30%估算。

根据水力计算表确定。附表5是根据热水系统的特点调整后的水力计算表，设计水温为60℃。根据系统流量、流速，可以选择适宜的管道公称直径，并确定沿程阻力损失值。按上述方法确定热水供水系统的管径时，如果是自然循环系统，回水管管径可比相应位置的供水管管径小一号；如果是强制循环系统，其回水管管径一般可比供水管管径小两号，但回水管管径不得小于20mm。

管道坡度。太阳能集热系统管路的最高点要设置自动排气阀或放气管，放气管应高出最高点600～800mm，整条管路要有一定的坡度（＞0.5%）。

管道保温。集热系统和热水供水系统管道必须保温处理。保温材料的选择应符合《建筑设计防火规范》等规定的要求，并采用热导率低、吸湿性好、抗压强度高、对管道无腐蚀、易于施工的非燃和难燃材料，对于电加热器或采用低温发热电缆防冻保护的管道保温，保温材料必须采用非燃材料。太阳能热水工程中常用的保温材料有岩棉、超细玻璃棉、硬聚氨醋、橡塑海绵等，厚度应参照表2-8确定。

表2-8　管道保温层厚度参考值

保温层的外面应敷设保护层，保护层有水泥保护层、铁皮保护层、玻璃布或塑料布保护层、木板或胶合板保护层等多种，可根据工程需要选用。

（6）太阳能循环泵的选择

太阳能集热系统循环泵一般采用管道离心泵，应选择适用介质温度100℃以上的热水泵，水泵壳体承受的工作压力不得小于其所承受的静水压力加水泵扬程，设计时还宜设备用泵或双泵交替运行。

水泵的流量应为集热系统设计循环流量，可按照集热器的最大小时得热量和集热系统进出水温差（一般为5℃～15℃）计算，即：

式中

q_x——设计循环流量，L/h；

Q_h——集热系统小时得热量，W；

△_t——集热系统进出水温差，℃。

水泵的扬程应按下式计算：

H_b=h_p＋h_x

式中

H_b——循环水泵的扬程，kPa；

h_p——循环水量通过配水管网的水头损失，kPa；

h_x——循环水量通过回水管网的水头损失，kPa。

当采用间接加热式太阳能热水系统时，水泵扬程还应计算通过换热器的水头损失。

（7）系统的防冻和防过热措施

为保证冬季的安全运行，在北方寒冷地区安装使用太阳能热水系统时，除了对管道设备进行常规的保温处理外，对于全年运行的系统，还必须采取有效的防冻措施。

①防冻循环。在室外集热系统管道上设温度传感器，当温度低于设定的防冻温度时，太阳能循环泵启动，以利用水箱内的热水提高管道和集热器的温度。采用这种方式的前提是整个集热系统循环畅通，没有死角。该方式的缺点是增加系统热损失，消耗能源。

②回流排空防冻。即热水箱安装于系统最低处，当循环泵停止运行时，系统内的存水在重力作用下全部回流到热水箱中，起到防冻的作用，并且减少了管道系统的热损失。使用该方式时，要求集热系统管路和管道不能有反坡，以保证系统中的水能完全回流。

③防冻介质防冻。对于间接加热式系统，循环上质可采用一定比例的防冻液，在保证热水系统水质的同时达到较好的防冻效果。

④电伴热防冻。在一些小规模太阳能热水系统中，可沿管道和集热器集管敷设低温发热电缆，根据室外温度情况对其通电，保证管道不结冻。

夏季长期无人用水时，集热系统的水温会不断升高，热水箱内甚至可能会沸腾，因此必须采取防过热措施。日前一般是对集热系统进行定温控制，当热水箱超过一定温度后，集热系统循环泵停止运行或短时间间断运行，对于问接加热的闭式系统，还要设置安全阀等泄压装置。

（8）控制系统

太阳能热水系统的控制一般包括太阳能集热系统的控制和热水供应系统的控制两部分，两部分控制可以分开也可以合在一起。

太阳能集热系统一般采用集热器和热水箱温差控制，可以在集热器系统和热水箱分别设置测温点，控制器能够根据二者的温度变化和温差控制太阳能循环泵的运行。同时，控制系统还应具有超温保护和防冻功能，防止用水量较少时太阳能热水箱过热或者冬季雨雪天及夜间集热系统管道、设备冻坏。

热水供应系统的控制主要包括辅助加热设备的控制、补水系统的控制和热水循环系统的控制等，应根据使用功能和用户要求进行设计，力求操作简单、运行可靠。

（9）基础、支架的设计

集热器和储热水箱的基础一般采用预制或现浇混凝土基础。基础可建在屋顶防水层上，也可以建在屋顶结构层上，其位置应按照集热器的布置形式和水箱的安装位置确定。建在屋顶结构层允的基础，其预埋件应与结构层中的钢筋相连，并做好防水，防水的制作应符合GB50207—2002规定的要求。基础顶面应设有地脚螺栓或预埋铁，便于同支架紧固或焊接在一起。建在屋顶防水层上的基础，可不设地脚螺栓或预埋铁。基础的高度和位置应考虑日后的屋面维修。储热水箱基础应设在建筑物的承重梁或承重墙上；储热水箱满水时的荷载不应超过建筑设计的承载能力；储热水箱周围应当留有≥0.5m的检修空间。

储热水箱和太阳能集热器的支架主结构材料可采用角钢、槽钢和钢板。支架的强度应能承受设备本身的荷载和不低于10级风的负载，如果当地历史最大风力高于10级，则按照当地历史最大风力设计。所有钢结构支架的材料，在不影响其承载能力的情况下，应选择利于排水的方式。由于结构或其他原因造成不易排水时，应采取合理的排水防水措施，确保排水通畅。

以上我们介绍了太阳能热水系统设计的基本思路和方法，具体的设计细节和一些未提及的部分可参阅相关国家标准或规范，如《建筑给水排水设计规范》（GB5001—2003）、《家用太阳能热水系统技术条件》（GB/T19141—2003）、《民用建筑太阳能热水系统应用技术规范）（GB50364—2005）、《太阳能热水系统设计、安装及工程验收规范》（GB/T19713—2002）等。总之，设计者在设计时应根据工程的实际情况，与建筑、电气、自控等相关专业密切配合，共同完成太阳能热水系统各部分的设计。