分户储热间接换热式太阳能热水系统设计探讨

谢红雷 刘晓霞

1 分户储热间接换热式太阳能热水系统介绍及其优点

分户储热间接换热式太阳能热水系统一般应用于住宅，是集中集热分散供热的热水系统，一般按住宅单元把太阳能集热器集中布置在屋顶，储热供热水箱分散在每户户内。本热水系统特点是太阳能集热器内水和用户使用热水进行间接换热，相比其他系统有比较明显的优势:

1)户内冷热水同源，冷热水侧压差小，使用稳定舒适。

2)使用户内水源和辅助热源，热水无需另外计量收费，运行工作量小。

3)不受楼层限制，各层住户资源均好。

4)系统不影响建筑外立面，易于同建筑一体化。

5)主要设备集中在屋面，便于管理维护。

2 分户储热间接换热式太阳能热水系统组成及原理图

系统主要由屋面上的太阳能集热器、集热循环泵、缓冲水箱、换热循环泵和户内的储热水箱、循环管路组成。原理图见图1。

图1 分户储热间接换热式太阳能热水系统原理图

3 集热器、缓冲水箱、分户储热水箱设计

集热器设计参数和方法在设计手册和国标图集《太阳能集中热水系统选用与安装》中已有详细说明，据此设计即可。缓冲水箱没有储热要求，在太阳能集热部分和户用水箱换热部分之间起过渡作用，一般采用1 t的不锈钢水箱。

按《建筑给水排水设计规范》住宅热水定额取低值，每人每日40 L。小户型住宅每户取2.5个人，储热水箱采用100 L。大户型住宅每户取3个人，储热水箱采用120 L。水箱内辅助电加热功率一般取2 kW。

4 缓冲水箱和分户储热水箱循环系统流量和扬程设计探讨

集热器加热后的水和用户水箱内的水通过水箱内的盘管换热，属于间壁式换热。盘管内流体和管壁间是强迫流动交热，为了保证换热效率，应使流体处于紊流，即雷诺数Re＞10 000。经了解市场上100 L和120 L储热水箱内盘管一般为管径9.5 mm铜管，管长约15 m。据此可以计算最小流量。

水的运动粘性系数:

缓冲水箱没有储热功能，集热器得到的热量和交换给储热水箱的热量宜基本平衡。按宁波地区小户型计算。

换热量:Qz=Kt×f×qrd×C×ρr×(te－tL)×1 000/(3 600×Sy)=1.8×0.5×100×4.187×(60－5)×1 000/(3 600×5.67)=1 015 W。

温差:Δtj=Qz×Cr/F/K/ε =1 015 ×1.1/(3.141 5 ×0.009 5 ×15)/410/0.7=6.7 ℃。

流量:qrx= K1× Qz/(1.163 × Δtj× ρr)=1.1 × 1.015/(1.163 ×6.7)=0.143 m3/h=0.039 L/s。

在热平衡算得的流量和最小流量中取大者，并由此确定循环泵流量。循环管路按推荐流速配置，即管径15 mm～20 mm，流速不大于0.8 m/s;管径25 mm～40 mm，流速不大于1.0 m/s;管径不小于50 mm，流速不大于1.2 m/s。确定系统后计算管路水头损失，并以此确定循环泵扬程。

5 系统控制策略，防止分户水箱热量逆流

当热媒水温低于户内水箱辅助热源加热后的水温时，应采取措施防止热量逆流。一般有3种方式:

1)在水箱热媒入口处设温度传感器和常开电动阀，控制器监控水箱水和热媒水温差，当热媒水温不大于水箱水温时关闭电动阀。

2)在水箱热媒入口和出口间设旁通管和常闭电动阀，控制器监控到热媒水温不大于水箱水温时打开电动阀。

3)控制户用水箱辅助加热后温度低于热媒最低循环温度，比如辅助加热最高温度控制为50℃，换热循环泵最低循环停止温度设置为55℃。

上面这3种方式中第3种方式虽然在户内水箱辅助加热上有一定限制，但系统简单、投资少、运行维护容易，因此应用最多。

6 结语

本文比较全面的讨论了分户储热间接换热式太阳能热水系统各个组成部分的设计，特别是户内储热水箱市场上可供设计人员选择的类型很少，基本只能按定型产品(换热盘管参数确定)设计。本文给出了一种已知盘管参数，求换热循环泵流量的计算方法，并讨论了防止水箱热量逆流的控制方式。

［1］ 王 经.传热学与流体力学基础［M］.上海:上海交通大学出版社，2007.

［2］ 黄儒钦.水力学教程［M］.成都:西南交通大学出版社，1998.

［3］ 苏亚欣.传热学［M］.宜昌:华中科技大学出版社，2009.

［4］ 中国建筑标准设计研究院.太阳能集中热水系统选用与安装［M］.北京:中国计划出版社，2006.

［5］ 中国建筑设计研究院.建筑给水排水设计手册［M］.北京:中国建筑工业出版社，2008.