太阳能热水工程设计手册

太阳能热水工程设计手册1太阳能热水工程概述一般讲，只要是供热水量大于0.6t的太阳能热水系统都可以叫太阳能热水工程。通常包括太阳能集热器、储水箱、水泵、连接管道、支架、控制系统和必要时配合使用的辅助能源。1.1太阳能热水系统分类1.按有无换热器划分太阳能热水系统按有无换热器划分可分为:直接系统和间接系统。（1）直接系统，也称为单回路系统或单循环系统，是指最终被用户消费或循环流至用户的热水直接流经集热器的太阳能热水系统。（2）间接系统，也称为双回路系统或双循环系统，是指传热工质不是最终被用户消费或循环流至用户的水，而是传热工质流经集热器的太阳能热水系统。2.按集热与供热水范围划分太阳能热水系统按集热与供热水范围划分可分为:集中供热水系统、集中-分散供热水系统和分散供热水系统。（1）太阳能集中供热水系统，是指采用集中的太阳能集热器和集中的储水箱供给一幢或几幢建筑物所需热水的系统。（2）太阳能集中-分散供热水系统，是指采用集中的太阳能集热器和分散的储水箱供给一幢建筑物所需热水的系统。（3）太阳能分散供热水系统，是指采用分散的太阳能集热器和分散的储水箱供给各个用户所需热水的小型系统。3.按辅助能源加热设备安装位置划分太阳能热水系统按辅助能源加热设备安装位置划分可分为:内置加热系统和外置加热系统。（1）内置加热系统，是指辅助能源加热设备安装在太阳能热水系统的储水箱内。（2）外置加热系统，是指辅助能源加热设备不是安装在储水箱内，而是安装在太阳能热水系统的供热水管路上或储水箱旁。4.按辅助能源启动方式划分太阳能热水系统按辅助能源启动方式划分可分为:全日自动启动系统、定时自动启动系统和按需手动启动系统。（1）全日自动启动系统，是指始终自动启动辅助能源加热设备，确保可以全天24小时供应热水的太阳能热水系统。（2）定时自动启动系统，是指定时自动启动辅助能源加热设备，从而可以定时供应热水的太阳能热水系统。（3）按需手动启动系统，是指根据用户需要，随时手动启动辅助能源加热设备的太阳能热水系统。1.2太阳能热水系统设计选用太阳能热水系统的最终目的是在寿命期内，稳定地为用户提供一定温度、一定数量的热水，满足用户热水需要，因此，太阳能热水系统设计应遵循“热装置高效可靠，供给水及循环系统合理适用，辅助能源经济实用”的原则。太阳能热水系统设计选用表如表6.1所示。2技术资料准备确定太阳能热水系统设计方案，就要充分考虑用户单位的具体实际，根据需要科学设计，使其达到合理、可靠、先进。2.1现场勘查（1）太阳能热水系统安装点有关资料:地理位置（纬度）、屋面情况（屋面荷载、平顶或斜顶）、承重墙（梁）分布、周围有无高大建筑物、集热器放置所需正南方向的日照情况，以及消防管及其他管道、设备、设施的分布和高度尺寸。（2）集热器与前面遮阳物的距离:测量可能对集热器产生阴影的建筑物的高度。（3）水源:从天面水池接人时，要测量水池的最高水位和最低水位；从市政管网接入时，应了解在用水高峰季节和用水高峰时段的水压情况。（4）电源:对热水系统配有用电设备的，需了解电压、输电线路可供容量及接驳位置和控制箱的安装位置；特别是加热装置为电热管时，应了解用户的供电容量和安装点的供电线路是否满足要求，如果用户是自己发电，还应了解频率、相电压、线电压情况。（5）燃油（气）的供给：对已确认的使用燃油（气）作加热装置或辅助加热装置的，要了解燃油（气）接驳位置和燃气的种类、压力能否满足要求；对于已有地下储油设施的，或只设地面油泵的，自活动油车将油从地面抽人天面热水炉的日用油箱时，应与客户协商好天面油箱、地面油泵的位置及大（日用油箱与燃油热水锅炉应有7m以上的安全距离）。（6）冷热水交接位置:要了解冷水从哪里接驳，哪些位置需要供热水（开）水，与供水点的管网安装有关的建筑物平面及立面尺寸要测量准确。（7）太阳能集热器的安装位置对建筑物屋面承载的要求。一般地区屋面的承载力应大于150kg/m2；沿海地区因有台风的影响，屋面的承载应大于200kg/m2.（8）根据集热器的面积拟定集热器的摆放位置与热水箱的位置。将用户相关调查材料记录在表6.2中。2.2热水系统负荷计算1.系统日耗热量、热水量计算全日供热水的住宅、别墅、招待所、培训中心、旅馆、宾馆、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日耗热量可按下式计算:2.设计小时耗热量、用水量计算热水加热设备的计算，应根据耗热量、热水量和热媒耗量来确定，同时也是对热水供应系统进行设计和计算的主要依据。1）耗热量计算（1）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）、医院的住院部、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应按下式计算:（2）定时供应热水的住宅、旅馆、医院、即工业企业生活间、公共浴室、学校、剧院、体育场馆等建筑，其集中热水供应系统的设计小时耗热量应按下式计算：公共浴室和工厂、学校、剧院、体育馆等浴室中的淋浴器和洗脸盆同时使用百分数按100计算；客房中设有浴盆的宾馆、旅馆，按60-70计算，其他器具不计；医院、疗养院的病房卫生间的浴盆按25-30计算，其他器具不计；全日制供应热水的住宅，每户设有浴盆时，仅计算浴盆，其他器具不计。2）热水量的计算设计小时热水量可按下式计算：（1）全日制供应热水的的系统，用水量可按下式计算：（2）定时供应热水的系统，设计小时用水量可按下式计算：2.3太阳能热水系统集热器换热计算1.直接系统集热器总面积的计算假设，日用水量为lOt，水箱的终止温度为45℃，初始水温为15℃，年日均辐照量为15000kJ/㎡，太阳能保证率取0.5，集热器全日集热效率取0.47，热损取0.2的条件下，经计算直接系统集热器总面积为133.4㎡。2.间接系统集热器总面积3.间接系统换热器的选型计算1）间接系统换热器的Qz的计算假设，太阳辐照度时变系数取1.7，太阳能保证率取60%，日均用水量为10t，工质的比定压热容为4.18kJ/（kg℃），工质（水）密度为1kg/L，储水箱内水的设计温度为45℃，水的初始温度为15℃，年平均日照小时数为7h/d的条件下，经计算集热系统换热量Qz=50757.14W。2）间接系统换热器换热面积F的计算假设，集热系统换热量50757.14W，传热系数为5000，结垢影响系数取0.7，集热系统热损失系数取1.2，计算温度差为8℃，经计算换热面积为2.175㎡。3太阳能集热器数量确定1.真空管集热器数量的确定工程配备真空管的数量和当地的太阳能辐射量、环境温度、冷水水温都有一定的关系，与真空管的质量、集热器的布置和工艺也有一定的关系，这里提供一组行业内习惯采用的经验数据，供参考，见表6.6。根据表6.6可以初步确定工程真空管的数量，然后再根据生产或者采购的条件，确定最终真空管的数量。2.平板集热器数量的确定根据式（6.8）或式（6.10）可以计算一个工程要用多少面积的平板集热器，但由于公式比较复杂，一般的小工程都采用估算方式。工程配备平板的数量和当地的太阳能辐射量、环境温度、冷水水温都有一定的关系，和平板的质量也有一定的关系。标准的平板是1m*2m的，绝大多数的工程都采用这种规格的平板，这里提供一组行业内习惯采用的经验数据，供参考，如表6.7所示。4系统运行方式选择4.1太阳能热水系统运行方式1.自然循环系统自然循环系统也称为热虹吸系统，是仅利用传热工质的密度变化来实现集热器和蓄热装置之间或集热器和换热器之间进行循环的系统。这种系统结构简单.为了保证必要的热虹吸压头，储水箱应置于集热器上方。如图6.1所示，在自然循环系统中，水在集热器中受太阳辐射能加热，温度升高，加热后的水从集热器的上循环管进人储水箱的上部，与此同时，储水箱底部的冷水由下循环管流人集热器，经过一段时间后，水箱中的水形成明显的温度分层，上层水达到可使用温度。用热水时，由补给水箱向储水箱底部补充冷水，将储水箱上层热水顶出使用，其水位由补给水箱内的浮球阀控制。自然循环式太阳能热水系统是国内最早采用且目前大量推广应用的一种太阳能热水系统。其优点是系统结构简单，不需要附加动力和辅助能源，运行安全可靠，管理方便，设备维护费用少。其缺点是为了维持必要的热虹吸压头，并防止系统在夜间产生倒流现象，储水箱必须置于集热器的上方，而且高度差要大，通常为1-2m。因为大型系统的储水箱很大，要将储水箱置于集热器上方，在建筑布置和荷重设计上都会带来很多问题，因此，大型太阳能热水系统不适宜采用这种自然循环方式。2.直流式系统直流式系统是待加热的传热工质一次流过集热器后，进入蓄热装置（储水箱）或进入使用辅助热源的加热器，或进入使用地点的太阳能加热系统。直流式系统有热虹吸型和定温放水型两种。1）热虹吸型热虹吸型直流式太阳能热水系统由集热器、储水箱、补给水箱和连接管道组成,如图6.2所示。补给水箱的水位由箱中的浮球阀控制，使之与集热器出口热水管（上升管）的最高位置一致。根据连通管的原理，在集热器无阳光照射时，集热器、上升管和下降管均充满水，但不流动。当集热器受到阳光照射后，其内部的水温升高，在系统中形成热虹吸压力，从而使热水由上升管流人储水箱，同时补给水箱的冷水则自动经下降管进人集热器。太阳辐射越强，则所得的热水温度越高，数量也越多。早晨太阳升起一段时间以后，在储水箱中便开始收集到热水。这种虹吸型直流式太阳能热水系统的流量具有自动调节功能，但供水温度不能按用户要求自行调节。这种系统目前应用得较少。2）定温放水型为了得到温度符合用户要求的热水，通常采用定温放水型直流式太阳能热水系统，如图6.3所示。该系统在集热器出口处安装测温元件，通过温度控制器，控制安装在集热器入口管道上的开度，达到根据温度调节水流量，使出口水温始终保持恒定。这种系统不用补给水箱，补给水管直接与自来水管连接。系统运行的可靠性同样决定于电动阀和控制器的工作质量。定温放水型直流式太阳能热水系统由于系统的补冷水由自来水直接供给，自来水具有一定的压头，保证了系统的水循环动力，因此系统中不需设置水泵。储水箱可以因地制宜地放在室内，既减轻了屋顶载荷，也有利于储水箱保温，减少热损失，完全避免了热水与集热器入口冷水的掺混，可以取消补给水箱，系统得到大大简化。阴天，只要有一段见晴的时刻，就可以得到一定量的适用热水。所以，定温放水型直流式太阳能热水系统特别适合于大型太阳能热水装置，布置也较为灵活。缺点是要求使用性能可靠的电磁阀和控制器，从而使系统枕为复杂。在能够得到性能可靠的电磁阀的条件下，该系统是一种结构合理、值得推广的太阳能热水系统。该系统目前在国内有一定的应用。系统优点:系统运行相对自然循环系统产热水速度大大提高，系统运行由控制器控制，智能化提高，系统相对比较稳定，适用于大型热水工程。系统缺点:对储水箱保温性能要求高，当储水箱内的水温降低而水箱又处于满水位时，无法使集热器内的高温水继续进入水箱，造成浪费。系统增加控制器及温度探头，设备维护费用提高。3.主动循环系统主动循环系统又称为强制循环太阳能热水系统，是利用泵或风机等外部机械设备动力迫使传热工质通过集热器或换热器进行循环的热水系统。图6.4所示为主动循环式太阳能热水系统。这种系统在集热器和储水箱之间管路上设置水泵，作系统中的水循环动力。系统中设有控制装置，根据集热器出口与储水箱之间的温差控制水泵运转。在水泵人口处，装止回阀，防止夜间系统中发生水倒流而引起热损失。主动循环式太阳能热水系统使循环动力大大加强，有利于提高热效率，实现热水系统的多种功能及控制，是目前应用较广泛的一种热水系统形式。4.2系统运行方式选择应考虑的问题（1）太阳能热水系统运行方式的合理性、先进性、可靠性。对于宾馆使用的太阳能热水系统，一般应设计成直流定温与温差循环相结合的运行方式，当储水箱水位不满时，系统采用直流定温方式运行；当储水箱达到满水位时，系统自动转人温差循环，通过提升储水箱的热水温度，来储存太阳能集热器得到的热能。（2）优先利用太阳能源，当太阳能不足时，再利用辅助能源补充加热热水。宾馆的用热水量随用热水人数的变化