太陽能熱水系統關鍵設計參數的分析

曲泓俐

（廣東一也節能科技有限公司，廣東廣州510000）

太陽能熱水系統關鍵設計參數的分析

曲泓俐

（廣東一也節能科技有限公司，廣東廣州510000）

太陽能是一種取之不盡、用之不竭的綠色能源，以其無污染、環保、經濟節約的特點被廣大地區廣泛使用。太陽能熱水系統工程實際就是一種能夠將太陽能轉化為熱能的裝置，利用這一原理，人們可以加熱水，并進行有效利用。太陽能熱水系統因其節能、環保等特點，成為近年來發展最快、最有活力的可再生能源利用技術。為了發揮太陽能熱水系統最大的節能作用，結合有關規范規程，通過實例對太陽能熱水系統設計參數進行了詳細剖析，希望能對同行的設計過程提供幫助。

太陽能熱水系統；集熱器；貯熱水箱；熱源功率

目前，由于對能源的大量需求使得新型能源的開發成為了重要的課題。太陽能熱水系統工程所包含的裝置主要是由集熱裝置、蓄熱容器、控制系統、水泵以及相關的保溫防腐管道所構成。通過對太陽能熱水系統的設計計算、組裝與調試，太陽能熱水系統裝置能夠在有陽光照射的情況下，充分利用太陽散發出的能源將水加熱，使人們能穩定、有效地使用到熱水資源。

1 工程概況

太陽能是目前最豐富的可再生能源，在發電、取暖、供水等方面應用廣泛。

某一座3層宿舍樓（Ⅱ類）每層設有倒班宿舍12間，3層共42間，每間宿舍2人，設有獨立衛生間，衛生間設有坐便器、洗臉盆、淋浴器各1套，宿舍樓各層平面圖如圖1所示，試設計集中供熱太陽能熱水系統。

圖1 宿舍樓各層平面圖

2 確認是否適合安裝太陽能熱水系統

該建筑所在地區太陽能資源較豐富，適合設計安裝太陽能熱水系統。

3 確定集熱器總面積

3.1 計算太陽能熱水系統集熱面積

本設計采用直接加熱方式供水，設計集熱器總面積按照GB 50015—2003建筑給水排水設計規范（2009年版）（以下簡稱建水規）中公式5.4.2A-1進行計算：

式（1）中：qr為設計日用熱水量，L/d，本設計取50 L/（人·d）；m為人數，84人；C=4.187 kJ/(kg·℃)；60℃熱水的密度ρr=0.983 2 kg/L；tr=60℃；tl=10℃（地面水）。

根據建水規GB 50364—2005民用建筑太陽能熱水系統應用技術規程及全國民用建筑工程設計技術措施——給水排水（2009年版）附錄F-2有關規定取f=50%，ηj=45%，η1=30%，太陽能集熱板傾斜按當地緯度安裝Jt=15.551× 103kJ/（m2·d），將上面數值代入，得出Ajz=88.24 m2。

3.2 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，單臺集熱器集熱面積為6.0 m2，所需集熱器臺數n=14.7臺，取16臺集熱器，集熱器總面積Aj=16×6.0=96 m2。宿舍樓太陽能集熱器平面布置圖如圖2所示。

圖2 宿舍樓太陽能集熱器平面布置圖

4 計算貯熱水箱有效容積

單位采光面積平均每日產熱水量為qrjd，根據建水規及廠家樣本取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個等容積水箱，每個均為2.2 m3。

太陽能熱水系統控制原理為：①本系統采用雙水箱形式，當供熱水箱水位小于設定補水水位時，電磁閥1打開；當供熱水箱水位大于設定滿水水位時，電磁閥1關閉。②溫差循環。當T1-T2≥8℃時，集熱循環泵P1啟動；當T1-T2≤3℃時，集熱循環泵P1關閉。③水箱加熱循環。當T2-T3≥6℃時，水箱循環泵P2啟動；當T2-T3≤3℃時，水箱循環泵P2關閉。④當T3小于設定溫度時，輔助電加熱器開啟；當T3大于設定溫度+5℃時，輔助電加熱器關閉；水位低于防干燒水位，輔助熱源不啟動。⑤當管道溫度T4＜設定溫度-3℃時，回水電磁閥2開啟；當管道溫度T4大于設定溫度時，回水電磁閥2關閉。⑥防凍。當溫度T5≤5℃時，循環泵P1啟動；當T5≥10℃時，循環泵P1關閉。當溫度T5≤4℃時，電伴熱啟動；當T5≥9℃時，電伴熱關閉。⑦輔助熱源為電加熱器。補水根據水質情況確定是否采用水處理設備。

5 計算太陽能電輔助熱源功率

本工程采用電輔助熱源進行加熱，電輔助熱源需要預留多大功率往往比較困難。電加熱時間太短則預留功率較大，電氣專業很難提供足夠的功率；電加熱時間過長又影響用戶使用熱水。經過與多個太陽能設計廠家溝通探討及結合實際設計工程經驗，預留功率加熱設計水量達到設計溫度時間以4 h為宜，不超過6 h，本例單個熱水水箱為2.2 m3，由10℃冷水加熱為60℃熱水所需熱量Q（kJ），Q=Cm（tr-rl）=4.187×2.2×1 000×（60-10）=460 570 kJ。4～6h電加熱達到設計溫度（60℃）所需功率為P（kW），P=Q/（4～6 h×1×3 600）=21.32～31.98 kW。

6 計算太陽能循環泵流量、揚程

根據建水規5.4.2A-4公式，集熱系統循環流量qx=qgz× Aj，取單位采光面積集熱器對應的工質流量為0.02 L/（s·m2），則qx=qgz×Aj=0.02×52.8=1.92 L/s。

根據建水規5.4.2A-5公式，集熱系統循環泵揚程為Hx= hjx+hj+hz+hf。集熱系統循環管道采用DN65鋼塑復合熱水管（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，管道長約80 m，單個集熱器阻力取0.5 kPa/m2，則Hx=169.9×10-3×80×1.2+0.5×6×2+25+50=97.3 kPa。

7 太陽能設計系統

本工程采用16臺單臺集熱面積為6.0 m2的集熱器，2座為2.2 m3。

熱水水箱的雙水箱供熱系統電輔熱功率為30 kW，集熱系統循環泵2臺（1用1備），單臺集熱系統循環泵流量為1.95 L/s，揚程為98 kPa。

8 結束語

綜上所述，太陽能熱水系統是一項有效的節能技術，對其進行合理應用是實現我國節能減排、開發新能源的重要舉措。但值得注意的是并不是所有地區均能采用，需先核定該地區是否適合設置太陽能熱水系統。同時，在應用過程中，為了提高太陽能使用效率，要注意系統裝置裝設中各項參數的計算。隨著設計工程師的不斷努力和總結改進，太陽能熱水系統的設計應用水平會得到不斷提升，達到更好的能源利用效果，得到更大規模的推廣應用。

［1］何長洪.太陽能熱水系統設計計算方法修正［J］.給水排水，2016（S1）.

［2］干偉紅，邵紅.太陽能熱水系統設計的計算分析［J］.城市建筑，2013（02）.

〔編輯：張思楠〕

TU822

：A

10.15913/j.cnki.kjycx.2017.15.108

2095-6835（2017）15-0108-03