太阳能热水系统工程的设计与实践

陈善峰

【摘要】太阳能热水系统作为太阳能产品的一种，能够利用太阳能将冷水转化为热水，同时还具有价格低、使用简单等特点。本文以探讨太阳能热水系统工程目前的发展情况，对其在实际使用过程中的实用性进行简要分析，以期能够对发展太阳能技术有所裨益。

【关键词】太阳能；热水系统；工程设计；实践操作

1 太阳能系统工程定义

1.1 含义

目前，由于对能源的大量需求使得新型能源地开发成为了重要的课题。太阳能以其无污染、环保、经济节约的特点被广大地区广泛使用。太阳能热水系统工程实际就是一种能够将太阳能转化为热能的装置，利用这一原理，人们可以加热水，并进行有效利用。其中，太阳能热水系统工程所包含的装置主要是由集热装置、蓄热容器、控制系统、水泵以及相关的保温防腐管道所构成。通过一定的组装与调试，太阳能热水系统装置能够在有阳光照射的情况下，充分地利用太阳散发出的能源将水加热，这样就能够使人们能稳定有效地使用到热水资源。在我国已有皇明股份有限公司、江苏桑夏太阳能产业有限公司等公司对太阳能热水系统工程进行了商业化地开发，国外针对相关技术的研发公司也有不少。

1.2特点

太阳能是一种可再生资源，其在发展上有不少可以利用的方向，如太阳能发电、太阳能加热。太阳能热水器相对于传统用电、煤气加热水的装置而言，每平方米的太阳能热水器，每年可以节约700-800度电。除了在节约能源方面有突出表现，太阳能热水器同时也以其高效的性能与可维护性被更多场合使用，如酒店、医院、学校、家庭与小型工厂，都可以采用太阳能热水器以达到节约能源的目的。作为一种高效的使用装置，其可以在装备完成后使用长达数十年。同时也可以为建筑隔温，以保证实际的使用舒适度。相对于其他的能源，太阳能无污染、高效，在实际的使用过程中，往往具有煤气资源、电力资源、水资源等不可比的优势。

1.3 现有太阳能热水工程与需求分析

目前，太阳能工程被广泛地应用，一般大型住宅区楼顶安装的是双水箱集热、储水装置，对于单个家庭用户来说一般采用单水箱模式。目前市面上流行的大多是双水箱模式。通过太阳能与辅助器材加热的模式，使得家庭式用戶能够全天候享受到热水。实际上，根据各地需求的不同可以安装不同的太阳能加热装置，其中的不同主要是太阳能与电力加热的使用程度，每种方式的工作原理大同小异。在目前的市场中，需要对太阳能加热装置有更加合理的计量方式，这也能够保证市场的有效运行，并改善太阳能装置的缺点。通过对太阳能供水的有效利用，也能够促使用户在实际的使用上有更大地进步，并扩展市场的需求价值。

2 太阳能热水工程系统原理

2.1 工作原理

图1 太阳能热水器工作原理

如图1所示，本系统采用两个工程水箱，储热水箱A作为集热保温水箱，储热水箱B为供热保温水箱，两水箱通过管道联通，当有用户用水时，储热水箱B内水位下降，储热水箱A内的水自动补进水箱B内。当定时灯亮时，可以由定时器控制进水。

太阳能装置设计原理是在天气晴好的情况下水箱中的水利用太阳能加热，当阳光不足及阴雨天气时，由辅助能源补充提供能量。系统通过电磁阀和浮球箱自动上水至储热水箱A，水满自动止水，电磁阀和浮球可以起到互补的作用。循环加热方式为在集热器出水口处和水箱A中各安装一个温度探头，当集热器的温度高于水箱A的温度，达到控制系统设定的启动温差时（即T1-T2≥ΔT启动），控制系统控制循环泵P1启动，水箱A中的低温水进入到联集管集热器中，集热器中的相对高温水被顶回水箱A，使水箱A中的水温升高，当二者的差值降到系统设定的停止温差时（T1-T2≤ΔT停止），循环泵停止运行，如此反复进行，将热量传递到水箱A，使水箱A中的水温度不断升高。当水箱A中的温度高于水箱B的温度达到设定值时，循环泵P2启动，当二者的差值降到系统设定的停止温差时，循环泵停止运行。在用水管道上安装一个温度传感器，当的探测到管道上的温度低于50℃（此温度可在30℃-55℃设定），电磁阀开启，循环泵P3启动，将管道中的冷水打入水箱，保证用水端打开既出热水。当阴雨天气没有太阳时，水箱中的水温低于设定温度5℃时，自动启动电加热或辅助能源，达到设定温度时自动停止电加热。

这套装置具有安装简单及不需要其他用电设备的特点。通过太阳能加热，使得用户能够使用到热水，并且可以合理地调控水温。在实际安装中，需要注意线路的设置与控制柜安装地点设计，以使用户有更加方便的使用体验。

2.2设计情况

2.2.1 工程概况

本工程以上海鑫泽阳光公寓二期工程为例，上海莘庄工业区新建辅助用房在太阳能热水使用方面非常广泛，对节能、减排起到了很大的积极推动的意义。本项目共有13幢职工公寓楼和1幢食堂组成。分两期开发，一期1#-7#公寓楼及食堂，于2005年已建成，二期8#-14#公寓楼。于2008年5月动工建设。

上海莘庄工业区新建辅助用房二期共有七幢公寓楼。根据贵方提供数据，共设计7套太阳能热水系统，每幢公寓楼分别提供一套独立运行的太阳能热水系统。

2.2.2公寓楼的概况如下：

1#公寓楼共8层，共有70间房间，每间房间入住人员为3人，总入住人员约为210人。

2#公寓楼共6层，共有80间房间，每间房间入住人员为6人，总入住人员约为480人。

3#公寓楼共6层，共有80间房间，每间房间入住人员为6人，总入住人员约为480人。

4#公寓楼共5层，共有50间房间，每间房间入住人员为4人，总入住人员约为200人。

5#公寓楼共8层，共有70间房间，每间房间入住人员为3人，总入住人员约为210人。

6#公寓楼共6层，共有80间房间，每间房间入住人员为6人，总入住人员约为480人。

7#公寓楼共5层，共有50间房间，每间房间入住人员为4人，总入住人员约为200人。

2.2.3 用水情况：

（1）、供水方式：24小时恒温供水或分时段定时供水。热水管路循环（定温或定时），热水一开就有。每个房间提供的热水用水点分别为面盆、淋浴房

（2）、热水温度：60℃；

（3）、用水量的确定

①参考《建筑给水排水设计规范》中的日定额用水量40-60L/人；（后附）

②和业主交流沟通。

1#公寓楼为10吨/天；2#公寓楼为24吨/天；3#公寓楼为24吨/天；4#公寓楼为10吨/天；5#公寓楼为10吨/天；6#公寓楼为24吨/天；7#公寓楼为10吨/天。

（4）水箱配比

1#公寓楼：水箱采用10吨设计：水箱配比为，集热水箱5吨，恒温水箱5吨；2#公寓楼：水箱采用24吨设计：水箱配比为，集热水箱12吨，恒温水箱12吨；3#公寓楼：水箱采用24吨设计：水箱配比为，集热水箱12吨，恒温水箱12吨；

4#公寓楼：水箱采用10吨设计：水箱配比为，集热水箱5吨，恒温水箱5吨；5#公寓楼：水箱采用10吨设计：水箱配比为，集热水箱5吨，恒温水箱5吨；6#公寓楼：水箱采用24吨设计：水箱配比为，集热水箱12吨，恒温水箱12吨；7#公寓楼：水箱采用10吨设计：水箱配比为，集热水箱5吨，恒温水箱5吨；

（5）辅助能源：采用电加热作为辅助能源。

2.2.4 本系统设计指标：

系统选择春天为设计基准，系统在春秋季晴好天气（水平面辐照量为13.447MJ/㎡），基础水温15℃时，可日产生60℃的热水，1#公寓楼10吨；2#公寓楼24吨；3#公寓楼24吨；4#公寓楼10吨；5#公寓楼10吨；6#公寓楼24吨；7#公寓楼10吨。

2.2.5 气象资料

（1）、最低气温，采暖期室外温度

（2）、太阳辐照资料

根据国家气象中心提供的《中国气象辐射资料年册》（2005年）中月日均及年总辐射数据，上海站的太阳辐照情况如下图2：

图2 太阳辐照情况（单位mJ/m2）：

2.2.6各樓太阳能集热器的面积

（式—1）

式中：

——太阳能集热系统采光面积，m2；

——日均用水量kg；

——储水箱内水的用水温度，60℃；

——水的定压比热容，4.18KJ/（㎏·℃）；

-——水的初始温度，此处按15℃（秋季）；

——全年辐照量日平均值，13447KJ/㎡；

——太阳能保证率，0.45；

——集热器全日集热效率，53%；

——管路及储水箱热损失率，0.20。

经计算1-7#楼各公寓的集热器面积为：

楼号 用水量（KG） 太阳辐照量（KJ/㎡） 集热器效率 太阳保证率 管路热损 初始水温 终止水温 集热器面积（㎡）

1# 10000 13447 53% 45% 0.2 15℃ 60℃ 148.45

2# 24000 13447 53% 45% 0.2 15℃ 60℃ 356.27

3# 24000 13447 53% 45% 0.2 15℃ 60℃ 356.27

4# 10000 13447 53% 45% 0.2 15℃ 60℃ 148.45

5# 10000 13447 53% 45% 0.2 15℃ 60℃ 148.45

6# 24000 13447 53% 45% 0.2 15℃ 60℃ 356.27

7# 10000 13447 53% 45% 0.2 15℃ 60℃ 148.45

3 实际操作中需注意的问题

3.1 部件的选择与设置

实际上，太阳能热水器的主要部件是集热器、储热水箱、辅助热源、循环水泵、控制系统和管道。集热器要保障在运行的过程中不会因为骤冷而导致原件受损。同时，保证集热器工作效率的高效，提高集热器在使用过程中的运转情况；在储热水箱的选择上，需要考虑实际的大小，保证热水与冷水之间的充分混合。考虑到实际的承重情况，应该在实际安装的过程中增加承重柱；对辅助加热装置需要的是能够随时加热，并在温度不恒定的时候起作用，这在阴天或者光照不足的时候效果比较明显；管道循环系统在安装时要注意保证不会出现回流的现象，自动检测水位可以避免水量过大或者水压不足的现象，保证在使用过程中水量控制的稳定性。

3.2场地选择

我国南、北方温度差异大，一般南方较为温暖，而北方较为寒冷；南方的四季温差大，夏季温度较高，太阳光照充足，冬季较为寒冷，但是相较于北方依旧比较温暖。因此，在太阳能的使用中，要注意集热器要朝着向阳的位置，冬季较为寒冷时，要注意辅助加热装置地使用。安装的过程中要注意角度的控制，往往安装的角度要随着纬度的升高而降低。值得注意的是，一般在安装时应以春、秋季节的光照为标准，如果以其他季节为标准，往往会因为光照不足而造成资源的浪费。

4 结束语

太阳光能热水系统的相关产品在实际使用过程中，要注意使用效果与对环境的保护作用。在冬天太阳能使用效率不高的情况下，要注意采用相配合的辅助设备，以使产品能够全天候供应热水。本文在探讨太阳能热水供应方面，主要针对发热的原理，系统的设计对太阳能供应热水的有效性与益处进行简要讲解，以促使今后的太阳能热水供应技术能够更加完善。

参考文献

[1]葛守峰，杜馨，孙杰.太阳能热水系统工程设计分析.建筑与工程.2007

[2]高军林，范国辉，朱吉顶，刘玉山.太阳能热水系统的设计与实践.2006

[3]付存谓.太阳能热水工程远程监控系统的设计与实现.电子科技大学.2013