太阳能热水系统设计

1．项目设计原则太阳能集热器设计项目应遵循以下几方面的设计原则，科学设计太阳热水系统，使其达到合理、可靠、先进。（1）遵守国家相关法律、法规及太阳能、给排水、采暖和土建等专业的相关标准、规范。（2）综合考虑产品、系统的技术先进性、运行可靠性、经济性、使用便利性和使用寿命等各方面因素，选择实用、经济的方案。（3）系统设计应安全可靠，内置加热系统必须带有保证使用安全的装置，并根据不同地区采取防冻、防结露、防过热、防雷、防雹、抗风、抗震等技术措施。（4）安装在建筑上或直接构成建筑围护结构的太阳能集热器，应有防止热水渗漏的安全保障措施；应设置防止太阳能集热器损坏后部件坠落伤人的安全防护设施；集热器不应跨越建筑变形缝设置。（5）太阳能热水系统的给水应对超过有关标准的原水做水质软化处理。（6）安装在建筑上的太阳能热水系统不得影响该部位的建筑功能，并应与建筑协调一致，保持建筑统一和谐的外观；应避免集热器的反射光对附近建筑物引起的光污染。（7）太阳能热水系统的管线应有组织布置，做到安全、隐蔽、易于检修；为减少热损及循环阻力，循环管路尤其热水循环管路应尽量短而少弯；为了达到流量平衡和减少管路热损，绕行的管路应是冷水管或低温水管；管路的通径面积应与并联的集热器或集热器组管路通径面积的总和相适应。（8）太阳能热水系统的结构设计应为太阳能热水系统安装埋设预埋件或其他连接件；轻质填充墙不应作为太阳能热水系统的支承结构。储水箱和集热器的安装位置应使其在满载情况下分别满足建筑物上其所处部位的承载要求，必要时应请建筑结构专业人员复核建筑载荷。2．项目设计要求鉴于该项目为连云港地区太阳能工程项目，并采用电辅助能源热水系统用于日常生活使用的特点，我认为，该项目设计要求有以下几点：（1）根据图纸的要求，在不影响楼房外观的情况下，合理设计太阳能热水系统，太阳能集热系统布置方式、色彩等应尽可能做到与建筑相协调。（2）系统采用楼面太阳能集中集热方式，春、夏、秋、冬晴天以太阳能制热为主，以电辅助加热为辅。要求24小时热水供应，打开龙头既有热水。（3）系统应备有超压保护、低温保护、过热保护等功能。（4）系统应保证全天供应热水，并考虑在高峰用水情况下，确保热水供应问题，循环供水方式打开淋浴头进出热水。（5）系统设计应考虑优先利用太阳能源加热热水；当太阳能不足时，再利用辅助能源补充热能，以达到环保和节能降耗的目的。（6）要综合考虑建筑设计，合理选择太阳能和其他主要设备的放置位置。（7）太阳能系统和电辅助加热系统应可靠、耐用、方便管理。（8）在保证工程质量的前提下，尽可能降低工程造价，提高工程的性价比。3.项目设计依据（1）GB50015-2003《建筑给水排水设计规范》（2）GB/T50364-2005《民用建筑太阳能热水系统应用技术规范》（3）GB/T20095-2006《太阳能热水系统性能评价规范》（4）GB/T4271-2007《太阳能集热器性能实验方法》（5）GB/T18713-2002《太阳能热水系统设计、安装及工程验收技术规范》（6）0017-2003《钢结构设计规范》（7）B5009-2001《建筑结构载荷规范》（8）B50207-2002《屋面工程质量验收规范》（9）50205-2001《钢结构工程施工质量验收规范》（10）50242-2002《建筑给水排水及采暖工程施工质量验收规范》（11）50303-2002《建筑电气安装工程施工质量验收规范》（12）50300《建筑工程施工质量验收统一标准》（13）GB/T4271-2007《太阳能集热器性能实验方法》（14）GB/T17581-1998《真空管太阳集热器》（15）NY/514-2002《家用太阳热水器储水箱》（16）GB/T18708-2002《家用太阳热水系统热性能试验方式》（17）NY/T343-1998《家用太阳热水器技术条件》（18）NY/T6510-2002《家用太阳热水系统安装、运行维护技术规范》（19）NY/T513-2002《家用太阳热水器电辅助热源》4．项目基本设计（1）根据连云港地区冬季寒冷结冰的特点，选用抗冻性强、热效率高、安全可靠的热管真空管型集热器。（2）太阳能系统设计为定温加温差循环太阳热水系统，达到充分利用太阳能，系统集热效率高；电辅助加热采用温控方式作为太阳能热水系统辅助能源。（3）冬季采用自限温伴热带防止管路结冰冻坏。（4）供水承压供水，供水方式简单、方便。（5）采用先进的中央快速热水器作为太阳能的补充能源，当遇阴雨天气太阳能不足时系统自动切换至电辅助加热模式，客人的全天候用水需求。（6）采用工业级可编程电脑控制器，实现太阳能和辅助加热系统的全自动化、智能化，确保控制系统的可靠性，实现自动化运行，并具有可以根据用户的实际需要，任意修改控制程序，使系统实现真正意义上的全自动控制和智能化管理。5．项目具体设计5.1连云港地区气象参数、太阳能资源调查情况（1）太阳能资源情况：江苏省连云港市处于暖温带南部，属于太阳能资源较丰富区，维度为北纬34.7度，年日照时数在2500小时左右；水平面上太阳能辐照量为4200—5400MJ/㎡.a。（2）气象参数：年平均温度14.3℃。1月平均温度-0.4℃，极端低温-19.5℃：7月平均温度26.5℃，极端高温39.9℃。历年平均降水量920多毫米，常年无霜期为220天，主导风向为东南风。气象资料显示：连云港四季分明，冬季寒冷干燥，夏季高温多雨，每年大约紧有20-30天处于阳光不足状况状态。5.2热水系统负荷计算5.2.1系统日耗热量、热水量计算本项目设计对象为高级宾馆，要求是全日供热水，24小时热水供应且即开即热，并采用集中式热水供应。实际客房12间，床位24个，人数24人。人均日用水量取60L。日耗热量可按此公式计算：Qd=qrcρ(tr-tL)m/86400式中：Qd为日耗热量，单位W；qr为热水用水定额，取60L/人；C为水的比热容，C=4178J/(kg·℃）；ρ为热水密度，60℃密度为0.982kg/L；tr-tL为温升，设计温升45℃（连云港地区tL取15℃）；m—用水设计单位，为24。经计算可得日耗热量Qd=3077w设计日热水量可按此公式计算：qrd=qr·m经计算日热水量qrd=1440L5.2.2设计小时耗热量、热水量计算小时耗热量计算:()/86400hhrrlQKqcttm式中:qr—热水用水定额，60L/单位。Kh—小时变化系数，查表得Kh=6.84。tr-tl—温升，设计温升45℃。m—用水设计单位，取24床位。ρ—热水密度，60℃密度0.982kg/L。计算得小时耗热量Qh=21000w小时热水量计算：qrh=Qh/1.163(tr-tL)ρ计算得小时热水量qrh=408.6L/h5.3太阳能集热系统设计太阳能集热系统主要包括太阳能集热器、贮水箱及相应的阀门和控制系统，由于该项目为强制循环系统包括循环水泵。5.3.1太阳能集热系统选型太阳能集热系统选型主要考虑以下因素：①太阳能集热器类型：本项目要求为采用全玻璃真空管集热器；②系统工作方式：本项目系统为强制循环；③换热方式：本项目系统为直接系统；④备份热源：本项目系统为电加热器。本项目系统选用双排直插式全玻璃真空管集热器，集中集热—集中供热方式，系统为强制循环运行方式，换热方式为直接系统，辅助能源为电加热。5.3.2太阳能集热面积的确定根据我国现行标准，太阳能热水系统根据贮水箱容积可分为家用太阳能热水器（贮水箱容积小于600L）和太阳能热水系统（贮水箱容积大于600L），本项目系统贮水箱容积明显大于600L，所以属于太阳能热水系统。直接式太阳能热水系统集热的总面积可根据系统的日平均用水量和用水温度确定，按以下公式计算：)1()(01LcdWWCJfTTCQAAC—集热器采光面积/㎡QW—日均用热水量，LCW—水的定压比热容4.18KJ/(KG·℃)T1—要求水温T0—初始水温f—太阳能保证率J—平均日辐照量17540KJ/(m2·d)ηcd—集热器全日集热效率ηL—热损失率式中相关参数按以下方法确定：（1)日均用热水量QW由5.2.1计算结果日热水量qrd=1440L，鉴于极端天气情况，热水供应设计为日均1500L。（2）T1—要求水温，要求为60℃，T0—初始水温，连云港地区年平均水温为15℃。（3）太阳能保证率ƒ是确定系统所需集热器面积的一个关键因素，也是影响太阳能热水系统经济性能的重要参数。实际选用的太阳能保证率与系统使用期内的太阳辐射、气候条件、系统热性能、用户使用热水的规律和特点、热水负荷、系统成本和投资者的预期投资规模等因素有关。通常在工程的方案设计阶段，太阳能保证率ƒ可用经验法确定。表1是按我国的太阳辐照资源区划，给出的各区太阳能保证率的选择范围。资源区划年太阳能辐照量[MJ/(m2ga）太阳能保证率资源丰富区≥6700≥60%资源较富区5400∽670050%∽60%资源一般区4200∽540040%∽50%资源贫乏区≤4200≤40%表1不同地区太阳能保证率的选值范围用表1选取ƒ值时，全年使用的太阳能热水系统取中间值，连云港地区属于资源一般区，ƒ值取40%∽50%中间值，为45%。（4）ηcd—集热器全日集热效率的确定当缺乏相关数据时，ηcd可按经验在0.25~0.5之间取值，取ηcd=0.48。（5）ηL—热损失率的确定当条件限制无法进行精确计算时，可取经验值0.2~0.3。保温较差时取上限，反之取下限，本项目取0.2。综上所述：式中取值代入上面公式，可以得出集热器采光面积AC=18.85㎡。5.3.3太阳能集热个数、类型的确定由5.3.2计算出的集热器采光面积AC=18.85㎡可以得出，若本工程采用Ф47*1500型双排直插式全玻璃真空管，单根集热面积为3.14*（0.047-0.01）*（1500-40）/2=0.0848㎡,所需真空管数目为18.85/0.0848=223，其中双排直插式全玻璃真空管每组有50根全玻璃真空管，故需4.5组，鉴于工程需要，本项目需5组模块。太阳能集热系统采用串联形式。5.3.4太阳能集热器的定位由于本工程太阳能集热器类型为双排直插式全玻璃真空管，在安装时无需考虑集热器安装倾角，水平安装即可。安装时，在建筑上或直接构成建筑围护结构的太阳能集热器，应有防止热水渗漏的安全保障措施；应设置防止太阳能集热器损坏后部件坠落伤人的安全防护设施；集热器不应跨越建筑变形缝设置。另外，安装时，在建筑上的太阳能热水系统不得影响该部位的建筑功能，并应与建筑协调一致，保持建筑统一和谐的外观；应避免集热器的反射光对附近建筑物引起的光污染。5.4贮水箱的设计贮水箱设计应注意以下事项：1.贮水箱选择时，水箱容积按工程要求确定，水箱形状根据安装条件和水箱布置方式确定。2.贮水箱结构设计合理，满足太阳能热水系统安全、稳定供应的要求，应设溢流口、排污管、排气管、温度测点、水位显示。3.内部设置电加热元器件的贮水箱，其内箱应做接地处理。4.太阳能集中式系统的贮水箱的水位控制应考虑保持一定的安全容积，高水位应低于溢水口不少于100mm，低水位应高于设计最低水位不小于200mm。本项目贮水箱根据5.2.1计算结果日热水量qrd=1440L，可得，贮水箱实际容积应大于此数值，以防止极端情况，可取贮水箱容积为2000L。因为全玻璃真空管由于真空管与水箱连接处承压后易泄露，不适合承压，承压式水箱一般适用于热管真空管或平板集热器，所以本工程采用开式水箱。5.5辅助热源为保证太阳能热水系统可靠供应热水，系统采用电能作为补给能源。恶劣天气状况下，不考虑太阳能提供的能源份额，依据热水供应负荷计算，电能应在设计时间内向系统提供热水所需的全部热量。辅助热源控制：设定好电加热保护水位，即水位低于该设定值，电加热不启动，终止加热的水温不宜超过60℃。温控加热：当水温低于40℃（可自己做调整）时，电加热启动，水温高于60℃时，电加热关闭，这样既节约能源且操作方便。手动加热，在不需要设定温控加热的情况下，可设置手动加热功能，按下加热按钮，电加