太阳能热水系统的设计计算

太阳能热水系统的设计工作包括与建筑物的结合设计和太阳能热水系统自身设计。本文只讨论太阳能热水系统的设计计算不涉及与建筑同步设计问题。太阳能热水系统的设计计算包括：太阳能热水系统的选型设计、热水需求量计算、集热面积计算、储热水箱体积计算、控制系统设计和辅助能源设计等内容，辅助能源设计计算部分将单独论述。 　　1太阳能热水系统选型 　　根据用户用水习惯和建筑物情况，可以选择不同的太阳能热水系统。针对居住建筑，尤其是新建商品房可以采用阳台壁挂系统或者集中集热分户储热系统；对于别墅型建筑建议选择间接分体式热水系统；对于酒店、宾馆、部队、学校、工厂等集中用热水的建筑应优先选用集中集热集中供热水系统。 　　对超过12层以上的高层建筑因为楼顶可以安装集热器的面积有限，且楼层高度太高造成供水管道压力过大对太阳能热水系统安全造成一定威胁，建议采用分区安装太阳能方式，从楼顶向下的十层范围建议采用集中集热分户储热太阳能热水系统；十层以下的系统采用阳台壁挂或南立面壁挂太阳能热水系统。 　　对商业住宅小区之所以推荐集中集热分户储热系统和阳台壁挂系统，主要是考虑这种建筑的业主入住时间不统一，太阳能热水系统的运行费用公摊执行起来难度较大，对热水收费还要增加热水计量装置和物业公司查热水表费工作，这会增加系统投资和物业管理费用，且对高层建筑由于屋顶集热面积有限，很难满足对所有业主24小时提供生活热水的需求。 　　住宅和公共建筑内，生活热水用水定额应根据水温、卫生设备完善程度、热水供应时间、当地气候条件、生活习惯和水资源情况等确定。目前太阳能生活热水系统的用水定额通常根据经验采用简单估算，即共有多少个用水个体，每个用水个体一天用多少热水，两者相乘即得到日热水需求量。由于人们生活水平的提高，洗浴频次的增多，人们单次洗浴的用热水量比GB50015-2003《建筑给水排水设计规范》规定的热水定额要少。 　　对于一般的部队、工厂和三星级以下酒店宾馆按每人每天50L50℃热水计算实际工程过程中热水需求量。 　　2太阳能集热面积计算 　　应根据热力学定律和能量守恒定律计算太阳能集热面积，在计算太阳能集热面积之前必须计算出产生热水所需的能量，根据太阳能保证率计算太阳能集热器面积。由于不同季节太阳平均辐照量不同，自来水初温不同，因此产生同容量、同温度的热水在不同季节需要的能量是不同的，因此需要太阳能集热器面积也是不同的。 　　2.1计算不同月份产生用户需要热水的能量 　　根据公式：Q=C×m×△T（1）逐月计算产生太阳能热水需要的能量（如表1所示） 　　2.计算出12个太阳能集热面积后应进行优化法处理，优化选取的原则是按平均值选取，这样计算出的太阳能集热面积在春秋季的晴好天气可以保证100%的热水供应，在夏季晴好天气热水供应量略有富裕，冬季晴好天气产热水量不足。如果计算出的集热面积使得初投资规模偏大，可以选取晴好天气的保障率＜100%的系数。 　　3.在计算出集热面积后还要根据建筑物的朝向、建筑物的光照条件、集热器之间的安装间距和维护通道等因素综合计算集热器的面积。 　　3储热水箱设计 　　太阳热水系统水箱的容积既与太阳集热器面积有关，也与用户使用热水情况有关，因此根据热水的用水情况分别计算。因为水箱中的水不可能都放出来，水箱容积要比计算容积大10％～20%。水箱容积的总体计算原则是：太阳能系统只有白天产热水，要能把白天产生并剩下的热水都储存起来，并保证和辅助能源配合时能量储存最大峰值用水。 　　3.1水箱容积确定 　　1.在下午定时用水的太阳能热水系统水箱容积只在每天下午太阳落山时定时用水的太阳能热水系统，其储热水箱要存储一天的用水量，容积应按日产热水量的1.2倍计算。 　　2.白天连续用热水时太阳能水箱的容积确定 　　由于白天连续使用热水，产生的热水随时使用，因此储热水箱的容积应＜总热水需求量，计算时要按用水习惯列出每小时用水量，储热水箱的容积应是日落后最大用水量。例如某学校日需热水10m3，其小时水量如表3所示。 　　根据表3数据，该学校的最大用水量在16:00～20:00，总用水量为6m3，14:00前总用水量为4m3。16：30后太阳辐照量很小，基本不再产生热水，因此可以判断其最大热水储量为6m3，因此设计水箱的容积为6m3。这样上午产生的热水不会装满水箱，14:00时总共用掉4m3后水箱还能再储存6m3热水，能满足全天使用。 　　3.全天连续供热水的太阳能水箱容积确定 　　由于24小时连续使用热水，而太阳能热水系统只在白天产生热水，因此储热水箱至少要能储存夜晚和次日08:30前的热水用量；因此其容积应小于总热水需求量。计算时要按用水习惯列出24小时用水量表，根据用水量表分析实际用水情况，再确定水箱容积。例如某星级酒店日需热水60m3，酒店提供的用水量如表4所示。 　　从表4可以看出，该酒店白天用水量为20吨（8:00~17:00），夜晚用水量为40吨（17:00~次日08:00），即下午17点前水箱内应该储存至少40吨热水才能保证夜间的热水供应，再考虑到用水波动情况，水箱的容积选择为50m3。 　　4.集中集热分户储热过渡水箱容积计算方法 　　由于太阳能采暖系统和集中集热分户储热系统只利用太阳能系统的热量而不利用水的质量，因此它们的储热水箱只要能保证集热系统和供热系统的正常运行即可，其容积要按能量守恒定律计算。在白天如果太阳能集热系统获得能量有多余，水箱中只储存多余部分的能量，具体计算方法见本连载的第三篇《太阳能采暖系统设计》。 　　3.2水箱形状设计 　　在太阳能热利用中，为了便于维护加工，提高水箱的经济性和通用性，蓄热水箱已标准化，目前最常见的水箱形式有圆形和方形。具体选择何种形式要具体问题具体分析。对于室内水箱，为便于施工，一般采用现场拼装或现场焊接形式，对于拼装水箱，目前都是以1000mm×1000mm和1000mm×500mm为标准模块进行拼装。 　　在设计水箱形状时要考虑安装位置和检修通道的问题，水箱四周应留出至少600mm的检修通道，顶部应留出1000mm的检修空间，水箱的入孔应设计在便于维修人员进出的位置。水箱排污口应设计在便于操作和离排污管道近的地方。 　　水箱上预留的各种进出水口要考虑便于施工和管道安装的同时还要考虑绝热保护问题。 　　4太阳能集热器阵列的设计 　　4.1集热器的方向 　　太阳集热器的最佳布置方位是朝向正南面，设计时可以根据建筑物的实际情况进行适当调整，但不应超出南偏东30°或南偏西30°范围，否则影响集热器面接收的太阳辐照量。 　　4.2集热器的安装倾角 　　集热器的安装倾角与周围建筑环境相协调，尽可能做到与建筑物结合时，对建筑造型没有影响或把影响控制在最小范围内。全年使用太阳能热水系统，集热器安装倾角等于当地纬度。如系统侧重在夏季使用，其安装倾角推荐＜当地地纬度10°；如系统侧重在冬季使用，其安装倾角推荐采用当地纬度加10°。安装倾角误差一般不超过±3°。 　　4.3集热器前后排间距 　　为保证集热器前后排不遮挡，前后两排集热器之间需要留出一定距离，如果我们把太阳光照射到地面的路程看作是一个平面，那我们可以用图1来解释遮挡问题，从图1中我们可以得到： 　　从图1中我们可以看出只要光线落在阴影范围之外，就对后排没有遮挡，即只要光线的入射角度＞琢，前后排之间就没有遮挡，我们求出了琢角就可以根据公式（4）求前后排之间的距离S。 　　由于任意时刻太阳高度角与当地纬度、时角、和方位角有关。考虑到太阳系空间位置的影响，公式（4）的正确形式应为： 　　5集热器系统管路设计计算 　　一般来说，集热器的连接方式有三种：串联、并联和串并联。 　　对于强制循环系统，以上三种连接方式均可采用。集热器并联时，各组并联的集热器数应该相同，这样有利于各组集热器流量的均衡。 　　通过以上方式连接起来的集热器通常称之为集热器组或集热器矩阵。一个集热器矩阵可以组成一个热水系统，也可以把多个集热器矩阵连接起来形成更大的太阳能集热系统。为保证各集热器组的水力平衡，各集热器组之间的连接推荐采用同程连接。当不得不采用异程连接时，在每个集热器组的支路上应该增加平衡阀来调节流量平衡。 　　5.1集热管路管道直径计算 　　根据集热面积和单位面积流量计算出集热系统的总流量，通过不同流速试算管道截面积和直径，根据计算出的管道直径和其对应的流速范围选取合理的管道直径。推荐的单位面积流量为0.01L/（m2·s）~0.02L/（m2·s），不同直径管道内冷热水流速如表6所示。100m2太阳能集热面积集热系统管道直径计算数值如表7所示，从表6和表7数据中我们选择公称直径为mm的管道。 　　根据表7，流速＞1.2m/s时的数据都不满足要求，流速＜0.8m/s的数据也不满足要求，因此选择流速为1m/s的数据，DN40或DN50的管道都满足要求，考虑到经济性和便于施工我们选择DN40管道。