淺談一例給排水設計中太陽能集中熱水系統的應用

徐煒棟

【摘要】本文結合太陽能系統在實際工程中的應用，剖析了太陽能熱水的設計要點，總結了太陽能系統儲熱水罐容積的確定及運行控制方式。

【關鍵詞】太陽能；熱水；儲熱水罐容積；控制方式

0.太陽能利用的技術背景

相對于使用常規能源制造熱水，使用太陽能制造熱水節約了化石資源，符合我國節約型社會的國策。同時太陽能熱水系統的設備使用壽命可以達到幾十年，在這期間都使用免費的太陽能作為熱源，初期投資可以在后期運行中得到回收，所以使用太陽能十分具有經濟效益。

目前越來越多的省市從政策上強制要求一些有熱水需求的新建項目采用太陽能制備生活熱水，使太陽能熱水系統成為給排水設計中不可或缺的一部分。

筆者在近幾年新設計的項目中，一些住宅和有熱水需求的公建項目都采用了太陽能熱水系統，針對不同的項目特點采用不同的太陽能熱水系統，在滿足規范政策的同時，使太陽能系統具有較好的產熱水效果。

1.項目概況

南京某項目的一所幼兒園施工圖設計中采用了太陽能集中熱水系統，在滿足當地要求的情況下通過合理控制較大限度地節約了常規能源。該工程位于南京市，其中幼兒園為非住宿制幼兒園，共15個班，每班30名幼兒，3名教師。

2.太陽能熱水系統應用

2.1設計依據及設計標準

根據江蘇省《公共建筑節能設計標準》DGJ32/J96-2010第6.3.1條：生活熱水的生產能源選擇應充分利用工業余熱和廢熱，以及太陽能、空氣源、地源等可再生能源。第6.3.2條：新建、擴建、改建的賓館、酒店、商住樓等有熱水需求的公共建筑，應設太陽能熱水系統[1]。本案有熱水需求，可采用集中式太陽能熱水系統，且屋面具有較大面積放置太陽能集熱板，使用太陽能可以達到較好的效果。

2.2設計思路

2.2.1了解熱水需求，確定設計參數，計算設計耗熱量及熱水量

設計小時耗熱量計算：

熱水用水定額按每人15L，共15個班495人，使用時間10小時。

設計小時耗熱量計算公式：

設計小時熱水量計算公式：

公式引自《建筑給水排水設計規范》GB50015-2003（2009年版）5.3.1-1及5.3.2[2]。

Kh由內插法求得為4.0。

經計算得Qh=672319kJ/h =186.8kW，qrh=2970L。

綜合多所非住宿幼兒園資料，作息時間見表1：

根據上述作息表，推測最大小時耗熱量發生在以下時段：

①11：30-13：00：清洗炊具餐具

②17：00-17：30：教師組織幼兒離園；保育老師清洗毛巾、水杯并將水杯送廚房統一消毒。

各時段設計小時耗熱量及熱水量（折合成60℃熱水，冷水溫度取5℃）見表2：

2.2.2初定太陽能熱水供應范圍，收集項目所在地基礎資料，選定太陽能熱水系統形式

2.2.2.1根據江蘇省當地要求，根據耗熱量計算，擬使用太陽能熱水供應幼兒園全部用水，根據《太陽能集中熱水系統選用與安裝》，江蘇省屬于資源一般區，太陽能保證率推薦取40%～50%[3]，考慮到控制初期投資成本取40%。

水源條件：市政自來水供水壓力為0.28MPa，本項目建筑最高用水樓層（三層）標高為7.80，可全部采用自來水壓力直接供水。

2.2.2.2南京地區位于北緯3200'，經度11848'，平均海拔高度8.9m。具體氣象參數詳見表3：

2.2.2.3本案考慮到初期投資，太陽能集水器擬采用平板型集熱器。再者為簡化系統在冬季的防凍控制，擬在項目中選用防凍介質作為熱媒，同時可以解決平板型太陽能集熱器防凍性能差的問題。其次考慮到強制循環能夠保證用水點溫度，雙罐（外置輔助熱源）更適用于集中供熱系統，系統采用自來水壓力直接供水。據此選用強制循環、間接加熱、雙罐（外置輔助熱源）的系統，采用平板型太陽能集熱器。系統原理圖基本如下：

2.2.3主要設備選型

2.2.3.1太陽能集熱器面積計算與選型：

直接加熱時集熱器總采光面積Ajz：

引自《建筑給水排水設計規范》GB50015-2003（2009年版）公式5.4.2A-1[2]。

經計算，直接加熱時總采光面積為118.5 m2。

間接加熱時集熱器總采光面積Ajj：

引自《建筑給水排水設計規范》GB50015-2003（2009年版）公式5.4.2A-2[2]。

經計算，間接加熱時總采光面積為125m2。南京地區集熱器安裝傾角為30°，方位角根據建筑物按南偏西28.7°時，面積補償比為R=98%，故實際換熱器面積需要127.6m2。現選用平板型集熱器72塊，每塊集熱面積1.85m2，總集熱面積133.2m2。安裝傾角為30°，方位角南偏西28.7°，經計算前后排間距為1120mm。

2.2.3.2儲熱水罐與輔助加熱設備計算與選型：

儲熱設備容積按以下要求考慮：

由于輔助熱源系按滿足冬季工況下的設計小時耗熱量供應，故需滿足《建筑給水排水設計規范》GB50015-2003（2009年版）對于半容積式熱交換器儲熱量的規定；

儲熱量應大于設計工況下每日產生的全部熱量，按《太陽能集中熱水系統選

用與安裝》06SS128提供的每單位面積集熱板產熱水量進行校核。

2.2.3.2.1輔助熱源選型

①按半容積式儲存20min設計小時耗熱量計，需儲存的熱水水量：

②Qg≥Qh=186.8kW

③現選用容積為500L的燃氣熱水爐2個，單個功率99kW

2.2.3.2.2集熱系統儲罐計算與選型

①按《太陽能集中熱水系統選用與安裝》06SS128提供的每單位面積集熱板產熱水量經驗數據，對于直接加熱系統，取值為40～100L/m2集熱板·d，資源一般區取值為50～60L/m2集熱板·d；對于間接加熱系統，取值為30～70L/m2集熱板·d[3]，資源一般區取值可按直接加熱系統的70%取值，約為35～42L/m2集熱板·d，則每日產熱水量為（35～42）×133.2=4662～5594L。

集熱系統的儲熱量要求（儲熱量應大于設計工況下每日產生的全部熱量）

A—太陽能集熱板集熱面積，考慮到面積補償比及間接加熱因素，經計算得有效值為123.7m2

Vj—按集熱要求所需熱水的儲存容積，L；

C—水的定壓比熱容，4.187kJ/kg·℃；

te—貯水箱內水的設計溫度，60℃；

tl—水的初始溫度，℃；

ρr—熱水密度，60℃的熱水密度為0.983kg/L；

JT—傾角等于當地維度時，傾角平面年平均日輻照量，南京取12.898MJ/m2·d；

η—集熱器年平均集熱效率，55%；

ηL—管路及貯熱箱的熱損失，20%；

②按儲熱量最大的季節夏季計算儲熱量：

夏季6、7、8月：平均室外氣溫26.79℃，傾斜面平均日太陽總輻照量15.823MJ/m2·d，平均日日照小時數6.64h，平均水溫按氣溫減5℃考慮。全天儲熱量根據上式計算得Vj=5476L，此數值與圖集的經驗數據基本一致。考慮到本案熱水需求集中在白天，故儲熱量可適當減小，暫定為4000L左右，此數值會在下文中進行校核。

③集熱系統換熱量計算Qz：

引自《太陽能集中熱水系統選用與安裝》06SS128公式8.6.1。

經計算得Qz=60029W。

引自《太陽能集中熱水系統選用與安裝》06SS128公式8.6.2-1[3]。

經計算得F=13.48 m2。

⑤殼程Ps=0.6MPa，管程Pt=0.4MPa，選RV-04-2.0（0.4/0.6）型罐2個。單罐傳熱面積F=7.2m2。單個容積1940L，實際儲存3880L熱水（60℃）。

2.3運行策略及其他設計要點

2.3.1運行策略

2.3.1.1本例考慮到熱水末端使用點使用溫度不同（從35℃至50℃，淋浴器35℃，盥洗槽水嘴30℃，廚房洗滌盆50℃），將供熱水罐的出水溫度設置在60℃，保證每個用水點的溫度都能滿足要求。

2.3.1.2根據當地氣候條件及案例熱水使用時段合理選擇儲熱水罐的容積。如果熱水使用集中在晚上，儲熱水罐需要儲存的容積就比較大，需要儲存一天的太陽輻照熱量。儲熱水罐容積可以根據《太陽能集中熱水系統選用與安裝》06SS128

中的經驗數據進行計算。如果熱水使用主要在白天，可根據建筑物熱水需求曲線通過計算合理確定儲熱水罐的容積。保證儲熱水罐出水能有較高的溫度。

按儲熱量最大的季節夏季每個時段的熱水需求校核儲熱量：根據本案例每個時段的熱水需求，可將全天分成兩個時段（第一時段7：30-13：00：熱水需求量5195L，日照小時數4.32h；第二時段13：00-17：30：熱水需求量2225L，日照小時數2.32h）。

第一時段：

Vj=3563L<5195L，儲熱量可以被完全利用。

第二時段：

Vj=1913L<2225L，儲熱量可以被完全利用。

由此可見，前文選用的總容積為3880L的熱交換器可以分別達到兩個時段的儲熱量要求。

2.3.1.3在第3.1.2點的基礎上進一步提高熱水溫度，儲熱水罐經過計算后容積固定，在不同季節時水溫會有較大差異。在冬季或太陽能輻照量不是很大的時間，水溫較低，需消耗的輔助能源較大；同時每天會有大量低溫預熱水的熱量因未被使用而浪費。可以通過以下方式才解決：設置兩個或多個儲熱水罐，通過并聯達到總的儲熱量要求。但加熱方式不是同時加熱多個儲熱水罐，而是通過溫度控制依次加熱儲熱水罐，當第一個儲熱水罐達到設定溫度時再加熱第二個儲熱水罐，當第二個儲熱水罐達到設定溫度時再加熱第三個儲熱水罐，以此類推。在使用時首先使用溫度較高的儲熱水罐中熱水。這樣在不同季節時都能保證首先利用到預熱溫度較高的熱水，最大限度地節約輔助能源。

2.3.2其他設計要求

2.3.2.1防過熱及防凍：

防過熱：在集熱系統管路上設置安全閥并引至安全處排放，設定壓力為350kPa。防凍：對于冬季極端最低氣溫會低于0℃的地區，可以采用熱媒為防凍介質的間接系統；如采用熱媒為水的間接系統或直接系統，應采用防凍能力較強的集熱板形式，當低溫時可以啟動太陽能系統循環泵或采用電伴熱防凍。

2.3.2.2防燙傷：

采用恒溫混水閥及恒溫龍頭供應熱水，控制出水溫度不大于40℃；熱水管道外壁均設置保溫層，在保溫同時保證人不會被燙傷。

2.3.2.3供熱壓力平衡：

系統采用強制循環，幼兒盥洗區域與廚房后勤區域分別采用支管循環，熱水管同程布置方式保證熱水循環效果；兩個區域回水總管匯合處分別設置壓力平衡閥保證壓力平衡。

2.4確定太陽能熱水系統，詳見圖2：

結語：

筆者認為隨著我國各地持續推進關于設置太陽能熱水系統的政策，太陽能熱水系統在工程實踐中會有更廣泛的應用。在工程設計時，應根據項目特點有針對性地選擇合理的太陽能熱水系統形式，結合當地氣候資料及項目熱水需求曲線通過計算合理確定儲熱水罐容積，同時采用合理的控制方式使太陽能熱水系統具有最佳的運行效果。

參考文獻：

[1]公共建筑節能設計標準，DGJ32/J96-2010，江蘇省建筑設計研究院有限公司，2010.5.

[2]建筑給水排水設計規范，GB50015-2003（2009年版），中國計劃出版社，2010.5 .

[3]太陽能集中熱水系統選用與安裝，06SS128，中國建筑科學研究院.