太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算實(shí)例

霍小爭(zhēng)　李建高

(1.北京天恒筑景建筑設(shè)計(jì)咨詢有限公司，北京　102600; 2.國(guó)貿(mào)工程設(shè)計(jì)院，北京　100037)

太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算實(shí)例

霍小爭(zhēng)1李建高2

(1.北京天恒筑景建筑設(shè)計(jì)咨詢有限公司，北京102600; 2.國(guó)貿(mào)工程設(shè)計(jì)院，北京100037)

摘要:以某宿舍樓為例，在核定該宿舍樓地區(qū)是否適合設(shè)置太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，從太陽(yáng)能集熱器面積、熱水水箱容積、循環(huán)水泵流量等方面，闡述了太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算方法，達(dá)到節(jié)約能源的目的。

關(guān)鍵詞:太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)，集熱面積，熱水水箱，循環(huán)流量

有一座三層宿舍樓(Ⅱ類)，位于昆明市，每層設(shè)有倒班宿舍12間，三層共42間，每間宿舍2人，設(shè)有獨(dú)立衛(wèi)生間，衛(wèi)生間設(shè)有坐便器、洗臉盆、淋浴器各1套，宿舍樓各層平面圖如圖1所示，試設(shè)計(jì)集中供熱太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)。

圖1　宿舍樓各層平面圖

1　確認(rèn)此地區(qū)是否適合做太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)

該宿舍樓位于昆明市，為太陽(yáng)能資源較豐富地區(qū)，且云南省有“11層以下的居住建筑和設(shè)置熱水供應(yīng)系統(tǒng)的公共建筑強(qiáng)制安裝”太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的規(guī)定，所以該宿舍樓適合設(shè)計(jì)太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)。

2　確定集熱器總面積

2.1計(jì)算太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)集熱面積

本設(shè)計(jì)采用直接加熱方式供水，設(shè)計(jì)集熱器總面積按照GB 50015—2003建筑給水排水設(shè)計(jì)規(guī)范( 2009年版) (以下簡(jiǎn)稱建水規(guī))中公式5.4.2A-1: Ajz=［qrmCρr( tr－tl) f］/［Jtηj( 1－η1)］進(jìn)行計(jì)算。

公式中各個(gè)參數(shù)的取值: qr為設(shè)計(jì)日用熱水量( L/d)，按不高于建水規(guī)表5.1.1-1熱水用水定額中下限及GB 50555—2010民用建筑節(jié)水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)(以下簡(jiǎn)稱建節(jié)水規(guī))表3.1.7取值，本設(shè)計(jì)取qr=50 L/(人·d) ; m =84人; C =4.187 kJ/( kg·℃)，60℃熱水密度ρr=0.983 2 kg/L，tr=60℃，tl=10℃(地面水)，根據(jù)建水規(guī)、GB 50364—2005民用建筑太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)規(guī)程及全國(guó)民用建筑工程設(shè)計(jì)技術(shù)措施——給水排水( 2009年版)附錄F -2有關(guān)規(guī)定取f =50%，ηj= 45%，η1= 30%，太陽(yáng)能集熱板傾斜按昆明市當(dāng)?shù)鼐暥? 25°01')安裝Jt= 15.551×103kJ/( m2·d)，將上面數(shù)值代入下列公式:

2.2根據(jù)太陽(yáng)能集熱器樣本參數(shù)確定集熱器總面積

選擇某廠家LJ-1.6-50型橫排連箱集熱器，單臺(tái)集熱器集熱面積6.0 m2，則所需集熱器臺(tái)數(shù)n =88.24/6.0 =14.7臺(tái)，取16臺(tái)集熱器，集熱器總面積Aj=16×6.0 =96 m2。宿舍樓太陽(yáng)能集熱器平面布置圖見(jiàn)圖2。

3　計(jì)算貯熱水箱有效容積

單位采光面積平均每日產(chǎn)熱水量qrjd，根據(jù)建水規(guī)及廠家樣本取qrjd=45 L/( m2·d)，則:

Vrx=45×96 = 4 320 L = 4.32 m3，取熱水水箱有效容積為4.4 m3，且將熱水水箱分為2個(gè)等容積水箱，每個(gè)均為2.2 m3，太陽(yáng)能熱水水箱原理圖見(jiàn)圖3。

太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)控制原理:

1)本系統(tǒng)采用雙水箱形式，當(dāng)供熱水箱水位不大于設(shè)定補(bǔ)水水位時(shí)，電磁閥1打開(kāi);當(dāng)供熱水箱水位不小于設(shè)定滿水水位時(shí)，電磁閥1關(guān)閉。

圖2　宿舍樓太陽(yáng)能集熱器平面布置圖

圖3　太陽(yáng)能熱水水箱原理圖

2)溫差循環(huán):當(dāng)T1－T2≥8℃時(shí)，集熱循環(huán)泵P1啟動(dòng);當(dāng)T1－T2≤3℃時(shí)，集熱循環(huán)泵P1關(guān)閉。

3)水箱加熱循環(huán):當(dāng)T2－T3≥6℃時(shí)，水箱循環(huán)泵P2啟動(dòng); 當(dāng)T2－T3≤3℃時(shí)，水箱循環(huán)泵P2關(guān)閉。

4)當(dāng)T3小于設(shè)定溫度時(shí)，輔助電加熱器開(kāi)啟;當(dāng)T3大于設(shè)定溫度+5℃時(shí)，輔助電加熱器關(guān)閉;水位低于防干燒水位，輔助熱源不啟動(dòng)。

5)當(dāng)管道溫度T4＜設(shè)定溫度－3℃時(shí)，回水電磁閥2開(kāi)啟;當(dāng)管道溫度T4大于設(shè)定溫度時(shí)，回水電磁閥2關(guān)閉。

6)防凍:當(dāng)溫度T5≤5℃時(shí)，循環(huán)泵P1啟動(dòng);當(dāng)T5≥10℃時(shí)，循環(huán)泵P1關(guān)閉。當(dāng)溫度T5≤4℃時(shí)，電伴熱啟動(dòng);當(dāng)T5≥9℃時(shí)，電伴熱關(guān)閉。

7)輔助熱源為電加熱器。補(bǔ)水根據(jù)水質(zhì)情況確定是否采用水處理設(shè)備。

4　計(jì)算太陽(yáng)能電輔助熱源功率

本工程采用電輔助熱源進(jìn)行加熱，電輔助熱源需要預(yù)留多大功率往往比較困難。電加熱時(shí)間太短則預(yù)留功率較大，電氣專業(yè)很難提供足夠的功率;電加熱時(shí)間過(guò)長(zhǎng)又影響用戶使用熱水。經(jīng)過(guò)與多個(gè)太陽(yáng)能設(shè)計(jì)廠家溝通探討及結(jié)合實(shí)際設(shè)計(jì)工程經(jīng)驗(yàn)，預(yù)留功率加熱設(shè)計(jì)水量達(dá)到設(shè)計(jì)溫度時(shí)間以4 h為宜，不超過(guò)6 h，本例單個(gè)熱水水箱為2.2 m3，由10℃冷水加熱為60℃熱水所需熱量Q( kJ)。

4 h～6 h電加熱達(dá)到設(shè)計(jì)溫度( 60℃)所需功率為P( kW)。

5　計(jì)算太陽(yáng)能循環(huán)泵流量、揚(yáng)程

根據(jù)建水規(guī)5.4.2A-4公式，集熱系統(tǒng)循環(huán)流量qx= qgz×Aj取單位采光面積集熱器對(duì)應(yīng)的工質(zhì)流量為0.02 L/( s· m2)。

則qx= qgz×Aj=0.02×52.8 =1.92 L/s。

根據(jù)建水規(guī)5.4.2A-5公式，集熱系統(tǒng)循環(huán)泵揚(yáng)程為Hx= hjx+ hj+ hz+ hf。集熱系統(tǒng)循環(huán)管道采用DN65鋼塑復(fù)合熱水管(熱水型)，流量取1.95 L/s，流速為0.99 m/s，阻力i =169.9×10－3kPa/m，管道長(zhǎng)度約80 m，單個(gè)集熱器阻力取0.5 kPa/m2。

則Hx=169.9×10－3×80×1.2 +0.5×6×2 +25 +50。

6　太陽(yáng)能設(shè)計(jì)系統(tǒng)

本工程采用16臺(tái)單臺(tái)集熱面積為6.0 m2的集熱器，2座2.2 m3熱水水箱的雙水箱供熱系統(tǒng)，電輔熱功率為30 kW，集熱系統(tǒng)循環(huán)泵2臺(tái)( 1用1備)，單臺(tái)集熱系統(tǒng)循環(huán)泵流量為1.95 L/s，揚(yáng)程為98 kPa。

7　結(jié)語(yǔ)

太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)為清潔高效能源，但并不是全國(guó)所有地區(qū)均能采用，需首先核定該地區(qū)是否適合設(shè)置太陽(yáng)能熱水系統(tǒng);設(shè)計(jì)取值應(yīng)符合建節(jié)水規(guī)節(jié)水、節(jié)能要求;熱水水箱宜分格設(shè)置，既能防止單水箱電輔熱啟動(dòng)后控制不善造成持續(xù)加熱，又能在太陽(yáng)能不充足啟動(dòng)電輔熱時(shí)減少加熱時(shí)間;集熱系統(tǒng)循環(huán)泵流量、揚(yáng)程不宜過(guò)大，否則水在集熱器內(nèi)停留時(shí)間過(guò)短，還未被充分加熱就回到熱水水箱中，造成循環(huán)能量浪費(fèi)。此幾點(diǎn)應(yīng)引起重視，以期達(dá)到節(jié)水、節(jié)能之目的。

參考文獻(xiàn):

［1］GB 50015—2003，建筑給水排水設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［2］住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部工程質(zhì)量安全監(jiān)管司，中國(guó)建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)研究院.全國(guó)民用建筑工程設(shè)計(jì)技術(shù)措施——給水排水( 2009年版)［M］.北京:中國(guó)計(jì)劃出版社，2009.

［3］中國(guó)建筑設(shè)計(jì)院有限公司國(guó)家住宅與居住環(huán)境工程技術(shù)研究中心，中國(guó)建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)研究院.太陽(yáng)能集中熱水系統(tǒng)選用與安裝［M］.北京:中國(guó)計(jì)劃出版社，2006.

Design and computation example of solar water heating system

Huo Xiaozheng1Li Jiangao2
( 1.Beijing Tianhengzhujing Building Design Consulting Co.，Ltd，Beijing 102600，China; 2.International Trade Engineering Design Institute，Beijing 100037，China)

Abstract:Taking the dormitory building as an example，on the basis of examining whether the dormitory building region fitting to set solar water heating system，safety from aspects of solar heat collector area，hot water box volume and circular water pump flow，the paper describes the design and computation method of the solar water heating system，and finally achieves the goal of saving resources.

Key words:solar water heating system，heat-collecting area，hot water box，circular flow

作者簡(jiǎn)介:霍小爭(zhēng)(1982-)，女，工程師;李建高(1979-)，男，工程師

收稿日期:2015-11-25

文章編號(hào):1009-6825( 2016) 04-0205-02

中圖分類號(hào):TU201.5

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A