太阳能热水系统设计指南手册

东莞市五星太阳能有限公司工程设计指南第1页共54页一、设计前的现场查勘1．了解和测量热水系统安装点有关资料：屋面尺寸（包括天面水池，楼梯间等其他构筑物的平面和高度），承重的墙、承重梁的分布情况，消防管及其它管的分布和高度尺寸。2．屋面或安装点的负载能否满足热水系统的安装条件，同时用指南针测量屋面或安装点的方位。3．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（构）筑物的高度。4．水源：从天面水池接入时，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。5．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。6．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入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小（日用油箱与燃油热水锅炉应有7米以上的安全距离）。7．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。二、集热器的朝向及安装倾角和遮阳物体的距离1．集热器的朝向：1.1.平板集热器、玻璃真空管和热管等南北向放置的太阳能集热器朝向应为正南方，如受条件限制不能满足时，其偏移角允许有偏差：在低纬度23处为20以内，在中纬度30处为15以内，在高纬度36处为7。且偏西比偏东好，在坡屋面安装时，其方位可作进一步调整，但必须与客户讲明吸热效果会差10~20%。2．集热器的安装倾角2.1.平板集热器、南北向放置的玻璃真空集热管、玻璃真空热管集热管的最佳倾角是集热面与太阳能光线垂直，对于全年使用的，可采用当地地理纬度作为倾角；冬季使用以纬度+10作为倾角；夏季使用的纬度-10作为倾角。对于夏季气温较高的亚热带地区其倾角为30，在其它地区作适当调整，其倾角以5和10为单位，便于制作。在坡屋面安装集热器时，视其坡度和整体美观情况而定。2.2.东西向放置的玻璃真空集热管、玻璃真空热管集热管的采光面为圆弧型，因此，对其安装倾角没有太严格的要求。我们规定为15º，以减少支架的材料用量和提高空间的利用率。东莞市五星太阳能有限公司工程设计指南第2页共54页3．集热器与遮阳物的距离一般以遮阳物的高度的1~1.3倍作为间距，纬度高的地区选大值三、太阳集热器的安装位置对建筑物屋面承载的要求1．一般地区屋面的承载力应大于150㎏/㎡。2．沿海地区因有台风的影响，屋面的承载应大于200㎏/㎡。四、蓄热水箱位置的确定根据承重梁柱的尺寸确定其荷载：常规情况下，水箱的安装位置应选择在有承重立柱的“十”字梁或“T”字梁上，其水箱的重量均匀分布在梁上。梁的尺寸和钢筋配置情况与荷载有直接关系，因此应按照表1来选择水箱的设计容量：承重梁尺寸与荷载选择表表1梁荷尺载寸形状600X400（高X宽）550X350（高X宽）500X300（高X宽）450X250（高X宽）400X200（高X宽）十字型8m37m36m34m33m3T字型6m35m34.5m33m32m3对于较大容量的水箱，在一个承重梁柱不能满足要求的前提下，可选择多个承重梁均匀承重，并用工字钢或预制钢筋混凝土反梁做水箱加强基础，参照表2、表3来选择工字钢与反梁的规格：水箱加强底座工字钢选型表2ABC4m35m36m37m38m39m310m315m320m325m330m33m10#10#12.1#12.6#12.6#12.6#10#4m12.6#14#14#16#16#16#16#18#16#18#20a#6m16#18#18#20a#20b#22a#20b#25a#25b#28b#32a#7.5m18#20a#20b#22a#22b#25a#25a#28b#32a#36a#36c#A：水箱容量B：水箱加强底座工字钢型号C：承重梁柱跨距注：以上工字钢选型是按水箱底座安装示意图计算的。(参见图59)东莞市五星太阳能有限公司工程设计指南第3页共54页图1自然循环系统简图300mm储热水箱上循环管下循环管集热器钢筋混凝土反梁尺寸参考表表3反跨梁距规格水箱容量3m4m6m7.5m81015202530五、热、开水用量计算1．热水用量（水温以60℃为标准）表4用水量场所用水方式桶提冲凉淋浴浴缸泡脚盒工厂定时供热水15~25L/人次30~45L/人次学校、医院定时供热水20~30L/人次40~60L/人次普通旅店定时供热水50~70L/人次高级宾馆、酒店、医院全天候供热水100~150L/人次150~250L/床次沐足10L/人次桑拿100L/人次说明：表中用水量为广东地区行业设计用水量参考值，具体用水量应与甲方协商或参照国家有关标准执行。2．开水用量：人均2㎏/日六、平板型太阳热水器的系统设计名词定义：集热器单体并联：是指每块集热器之间的连接采用铜卡套接头直接连成一排的方式叫单体并联。集热器连接级数：是指一个单体并联的出口与另一个单体并联的入口相连接时，第一个单体并联为一级，第二个单体并联为二级，两个单体并联的组合称为一级串联组合，依此类推。东莞市五星太阳能有限公司工程设计指南第4页共54页图2单体并联图3并联阵列i=1%i＞1%储热水箱i=1%图5并联阵列自然循环系统图4单体并联自然循环系统下循环管i＞1%上循环管储热水箱坡度集热器阵列：若干个集热器单体并联或串联的组合称为集热器阵列。1．自然循环系统：自然循环系统是靠热虹吸作用进行循环，其蓄热水箱底部应较最末端集热器阵列上循环管顶部水平面高出300mm以上，以防止夜间储热水箱水的逆循环；它具有结构简单，造价相对较低，故障率低等特点。（见图1）。1.1安装面积：每一个独立的系统集热面积小于50㎡时应优先选择。1.2集热器的连接方式：1.2.1.单体并联：集热器块数一般不超过6块。（见图2）1.2.2.并联阵列：每一个单体并联不超过6块，每个并联阵列不超过3个单体并联为宜。（见图3）1.3上、下循环管的连接方式：因为是自然循环，故要求系统的上、下循环管弯头尽可能少一些，否则，循环阻力过大，会影响系统的热效率。当采用一个独立系统不能克服管道弯头过多的问题时，可考虑设几个单一的自然循环系统，但必须注意上、下循环管与集热器蓄热水箱的连接绝不能有反坡现象，应沿水流的方向有1%的坡度，上循环管与水箱连接时严禁使用90度弯头，应使用135度弯头，以免产生气堵，严重影响循环效果。（见图4、图5）1.4循环管管径的选择：管径太大会增加散热面积，管径太小会增加循环阻力，因此，上、下循环管的流通截面积应等于几个集热器单体并联进出口与循环管接驳时截面积总和的70%~90%。（见表5）表5集热器单体并联数量1个2个3个4个5个6个7个8个管径DN25DN32DN40DN50DN50DN50DN50DN651.5水箱设置：每个自然循环系统设一个蓄热水箱，也可几个系统共用一个蓄热水箱（见图6）东莞市五星太阳能有限公司工程设计指南第5页共54页图6二个自然循环系统共一个水箱储热水箱温差控制器储热水箱下循环管集热器循环水泵图7强制循环原理图上循环管温度传感器温度传感器2.强制循环系统2.1强制循环是利用水泵使集热器与蓄热水箱内的水进行循环，它的特点是蓄热水箱的位置不受集热器位置制约，可任意设置，我们一般采用温差控制方式循环，即利用蓄热水箱下部的温度传感器与集热器阵列末端上循环出口的温度传感器之间的温度差控制水泵的起动运行。实际工程设计时，一般为避免温差循环泵的频繁启动，其温差循环泵启动工作时的温差值通常随季节变化情况按照在5~8℃之间来设定，而泵停止工作的温差控制下限一般可按2~3℃之间设定（见图7）。2.2安装面积：强制循环布置具有很大的灵活性，通常可做成并联、串联或串并联结合等多种组合形式。并联连接时应注意流量平衡，串联时也要尽可能使流经各组阵列的流量不致过大，以免系统阻力过大。对于集热器面积大于60㎡，小于或等于280㎡（甚至300㎡）的系统，根据集热器安装地点的建筑平面结构状况，既可设计成单个独立强制循环系统，也可分设成多个独立强制循环系统；但单个系统的集热面积较小时，则其单位面积工程造价就相对较高，而单个系统集热面积较大时，则循环管路较长，系统管道阻力增大而对循环泵的扬程要求较高，导致增加循环泵的功率和增大管道的安装密封要求。实际进行工程设计时，应从技术和经济等方面综合考虑，合理布局选择优化设计方案。2.3集热器的连接方式（见图8、图9、图10）图8并列阵列图9串并连阵列方式之一图10串并连阵列方式之二串联级数≤2级串联级数≤2级每个阵列≤8个单体并联每级单体并联数≤6个每级单体并联数≤6个每个单体并联≤12块集热器每个单体并联不超过12块集热器东莞市五星太阳能有限公司工程设计指南第6页共54页2.4.上、下循环管的连接方式上、下循环管应为同程式连接设计。上、下循环管与蓄热水箱的距离尽量缩短，弯头尽可能少一些，以减少管道的阻力；要求上循环管有不小于3‰的坡度，并在容易产生积气的地方装设排气阀，防止产生气堵，而影响循环效果。（见图11、图12）2.5循环管管径的选择上、下循环管的流通截面积应不小于集热器串、并联后与循环管的接驳口总的截面积的60%（见表6）表6集热器组数一组二组三组四组五组六组循环管管径DN20DN25DN32DN32DN40DN402.6水箱设置：每个系统可设一个或多个蓄热水箱，也可几个系统共用一个蓄热水箱，水箱与集热器安装距离可远可近，可高可低，但必须考虑到系统循环管路增长之后，管道的散热损失增大（见图13）2.7强制循环泵的选型泵的小时流量按系统的日产水量的50~70%选择，系统（独立系统）的日产水量按太阳能集热面积乘以每平方产水量（如70L/m2）计算，水泵扬程为系统总水头损失的1.1~1.3倍选择，对于单级并联或两级并串联阵列也可按下表选择：（见表7）蓄热水箱图13两个串并联系统共一个水箱的强制循环系统图12串并联系统之二图11串并联系统之一排气阀循环水泵蓄热水箱蓄热水箱循环水泵排气阀集热器集热器东莞市五星太阳能有限公司工程设计指南第7页共54页DN32DN32DN32主管DN32DN32DN32DN32DN32DN32012345678910DN32图14集热器阵列组合方式图例（一）太阳能强制循环泵选择表表7集热器面积单体并联块数单体并联组数串联级数循环管径水泵扬程水泵流量60~80㎡5~84~61~2级DN3215m2.5~3.5m3/h80~100㎡5~105~81~2级DN3220m3.3~4.2m3/h100～150㎡5~126~102级DN4020m4.2~6.3m3/h150～200㎡7~128~122级DN4025m6.3~8.4m3/h200～250㎡7~129~122级DN5032m8.4~10.5m3/h250～280㎡11~1211~122级DN5020m10.5~12m3/h循环泵选型计算范例１：图14系统集热面积为78m2，按循环流量78㎡×70L/㎡×64%=3510L/h；主管径DN32，根据循环管各管段长度、流量选择适当管经，查水力计算表计算各管段沿程水头损失，按30%计局部损失，集热器阵列总阻力按每块集热器0.5m～1m左右计。本系统水力计算见表8。从计算结果所需循换泵总扬程11.53m（循环流量3.51m3/h）选择ISG32-125A水泵，流量3.1/4.5/5.8m3/h，扬程17.6m/16m/14.4m,电机功率0.55KW。表8太阳能循环管路水力计算管段编号管段长度（m）流量（L/h）管径（mm）流速（m/s）沿程水头损失每米损失（mmH2O）管段损失（mmH2O）0～110.53510321.1211111661～2集热器阵列7