太阳能热水系统设计计算实例

霍小争　李建高

(1.北京天恒筑景建筑设计咨询有限公司，北京　102600; 2.国贸工程设计院，北京　100037)

太阳能热水系统设计计算实例

霍小争1李建高2

(1.北京天恒筑景建筑设计咨询有限公司，北京102600; 2.国贸工程设计院，北京100037)

摘要:以某宿舍楼为例，在核定该宿舍楼地区是否适合设置太阳能热水系统的基础上，从太阳能集热器面积、热水水箱容积、循环水泵流量等方面，阐述了太阳能热水系统的设计计算方法，达到节约能源的目的。

关键词:太阳能热水系统，集热面积，热水水箱，循环流量

有一座三层宿舍楼(Ⅱ类)，位于昆明市，每层设有倒班宿舍12间，三层共42间，每间宿舍2人，设有独立卫生间，卫生间设有坐便器、洗脸盆、淋浴器各1套，宿舍楼各层平面图如图1所示，试设计集中供热太阳能热水系统。

图1　宿舍楼各层平面图

1　确认此地区是否适合做太阳能热水系统

该宿舍楼位于昆明市，为太阳能资源较丰富地区，且云南省有“11层以下的居住建筑和设置热水供应系统的公共建筑强制安装”太阳能热水系统的规定，所以该宿舍楼适合设计太阳能热水系统。

2　确定集热器总面积

2.1计算太阳能热水系统集热面积

本设计采用直接加热方式供水，设计集热器总面积按照GB 50015—2003建筑给水排水设计规范( 2009年版) (以下简称建水规)中公式5.4.2A-1: Ajz=［qrmCρr( tr－tl) f］/［Jtηj( 1－η1)］进行计算。

公式中各个参数的取值: qr为设计日用热水量( L/d)，按不高于建水规表5.1.1-1热水用水定额中下限及GB 50555—2010民用建筑节水设计标准(以下简称建节水规)表3.1.7取值，本设计取qr=50 L/(人·d) ; m =84人; C =4.187 kJ/( kg·℃)，60℃热水密度ρr=0.983 2 kg/L，tr=60℃，tl=10℃(地面水)，根据建水规、GB 50364—2005民用建筑太阳能热水系统应用技术规程及全国民用建筑工程设计技术措施——给水排水( 2009年版)附录F -2有关规定取f =50%，ηj= 45%，η1= 30%，太阳能集热板倾斜按昆明市当地纬度( 25°01')安装Jt= 15.551×103kJ/( m2·d)，将上面数值代入下列公式:

2.2根据太阳能集热器样本参数确定集热器总面积

选择某厂家LJ-1.6-50型横排连箱集热器，单台集热器集热面积6.0 m2，则所需集热器台数n =88.24/6.0 =14.7台，取16台集热器，集热器总面积Aj=16×6.0 =96 m2。宿舍楼太阳能集热器平面布置图见图2。

3　计算贮热水箱有效容积

单位采光面积平均每日产热水量qrjd，根据建水规及厂家样本取qrjd=45 L/( m2·d)，则:

Vrx=45×96 = 4 320 L = 4.32 m3，取热水水箱有效容积为4.4 m3，且将热水水箱分为2个等容积水箱，每个均为2.2 m3，太阳能热水水箱原理图见图3。

太阳能热水系统控制原理:

1)本系统采用双水箱形式，当供热水箱水位不大于设定补水水位时，电磁阀1打开;当供热水箱水位不小于设定满水水位时，电磁阀1关闭。

图2　宿舍楼太阳能集热器平面布置图

图3　太阳能热水水箱原理图

2)温差循环:当T1－T2≥8℃时，集热循环泵P1启动;当T1－T2≤3℃时，集热循环泵P1关闭。

3)水箱加热循环:当T2－T3≥6℃时，水箱循环泵P2启动; 当T2－T3≤3℃时，水箱循环泵P2关闭。

4)当T3小于设定温度时，辅助电加热器开启;当T3大于设定温度+5℃时，辅助电加热器关闭;水位低于防干烧水位，辅助热源不启动。

5)当管道温度T4＜设定温度－3℃时，回水电磁阀2开启;当管道温度T4大于设定温度时，回水电磁阀2关闭。

6)防冻:当温度T5≤5℃时，循环泵P1启动;当T5≥10℃时，循环泵P1关闭。当温度T5≤4℃时，电伴热启动;当T5≥9℃时，电伴热关闭。

7)辅助热源为电加热器。补水根据水质情况确定是否采用水处理设备。

4　计算太阳能电辅助热源功率

本工程采用电辅助热源进行加热，电辅助热源需要预留多大功率往往比较困难。电加热时间太短则预留功率较大，电气专业很难提供足够的功率;电加热时间过长又影响用户使用热水。经过与多个太阳能设计厂家沟通探讨及结合实际设计工程经验，预留功率加热设计水量达到设计温度时间以4 h为宜，不超过6 h，本例单个热水水箱为2.2 m3，由10℃冷水加热为60℃热水所需热量Q( kJ)。

4 h～6 h电加热达到设计温度( 60℃)所需功率为P( kW)。

5　计算太阳能循环泵流量、扬程

根据建水规5.4.2A-4公式，集热系统循环流量qx= qgz×Aj取单位采光面积集热器对应的工质流量为0.02 L/( s· m2)。

则qx= qgz×Aj=0.02×52.8 =1.92 L/s。

根据建水规5.4.2A-5公式，集热系统循环泵扬程为Hx= hjx+ hj+ hz+ hf。集热系统循环管道采用DN65钢塑复合热水管(热水型)，流量取1.95 L/s，流速为0.99 m/s，阻力i =169.9×10－3kPa/m，管道长度约80 m，单个集热器阻力取0.5 kPa/m2。

则Hx=169.9×10－3×80×1.2 +0.5×6×2 +25 +50。

6　太阳能设计系统

本工程采用16台单台集热面积为6.0 m2的集热器，2座2.2 m3热水水箱的双水箱供热系统，电辅热功率为30 kW，集热系统循环泵2台( 1用1备)，单台集热系统循环泵流量为1.95 L/s，扬程为98 kPa。

7　结语

太阳能热水系统为清洁高效能源，但并不是全国所有地区均能采用，需首先核定该地区是否适合设置太阳能热水系统;设计取值应符合建节水规节水、节能要求;热水水箱宜分格设置，既能防止单水箱电辅热启动后控制不善造成持续加热，又能在太阳能不充足启动电辅热时减少加热时间;集热系统循环泵流量、扬程不宜过大，否则水在集热器内停留时间过短，还未被充分加热就回到热水水箱中，造成循环能量浪费。此几点应引起重视，以期达到节水、节能之目的。

参考文献:

［1］GB 50015—2003，建筑给水排水设计规范［S］.

［2］住房和城乡建设部工程质量安全监管司，中国建筑标准设计研究院.全国民用建筑工程设计技术措施——给水排水( 2009年版)［M］.北京:中国计划出版社，2009.

［3］中国建筑设计院有限公司国家住宅与居住环境工程技术研究中心，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.

Design and computation example of solar water heating system

Huo Xiaozheng1Li Jiangao2
( 1.Beijing Tianhengzhujing Building Design Consulting Co.，Ltd，Beijing 102600，China; 2.International Trade Engineering Design Institute，Beijing 100037，China)

Abstract:Taking the dormitory building as an example，on the basis of examining whether the dormitory building region fitting to set solar water heating system，safety from aspects of solar heat collector area，hot water box volume and circular water pump flow，the paper describes the design and computation method of the solar water heating system，and finally achieves the goal of saving resources.

Key words:solar water heating system，heat-collecting area，hot water box，circular flow

作者简介:霍小争(1982-)，女，工程师;李建高(1979-)，男，工程师

收稿日期:2015-11-25

文章编号:1009-6825( 2016) 04-0205-02

中图分类号:TU201.5

文献标识码:A