太阳能热水系统的设计方案实例讨论

葛恢弃

(山西省建筑设计研究院，山西太原 030013)

1 概述

随着我国经济生活水平的提高，国民对能源的需求越来越大，对环境保护的意识也越来越强。因此国家及地方政府推动了许多新能源计划，太阳热水系统为其中一项，自2013年太原市住房和城乡建设委员会发布并住建字［2013］249号《关于大力推进太阳能光热建筑应用的通知》以来，太阳能热水系统已经蓬勃发展，各类建筑中切实使用太阳能的比数也越来越多。作为一名建筑给排水工程设计师，现以国家规范为基础，结合具体工程实例，对太阳热水系统探讨如下。

2 工程概况

本工程位于山西省太原市阳曲县，该地区纬度37°47'，当地纬度倾角平面年平均日辐照量15.815 MJ/(m2/d)，当地纬度倾角平面年总日辐照量5 774.81 MJ/(m2/d)，年平均环境温度10℃，年平均日照小时数7.1 h，年总日照小时数2 587.7 h，年太阳能保证率推荐值40%～50%。

本工程为厂区员工宿舍，地上2层，地下1层，建筑高度8.55 m，楼内有男女公共浴室各一间(共计15个淋浴头)，双人带单立卫生间宿舍10间，四人不带卫生间三班倒宿舍20间。太阳能换热间及集热板设于屋顶。

3 耗热量分析

本工程耗热量分两个部分考虑。

3.1 双人宿舍

为Ⅱ类宿舍，共计10间，参照《建筑给排水规范》，最高日热水用水定额取100 L/d，按全日制供应热水考虑，Kh取3.2。该部分耗热量为:

3.2 四人宿舍

为Ⅲ类宿舍，共计20间，参照《建筑给排水规范》，最高日热水用水定额取80 L/d，按全日制供应热水考虑，Kh取4.0。该部分耗热量为:

但是公共浴室仅有15个淋浴头，当这15个淋浴头同时出流时，其耗热量为:

由于同时出流耗热量小于全日供应热水耗热量，因此四人宿舍部分耗热量取181.72 kW。

该工程总耗热量为16.34+181.72=198.06 kW。

4 系统选则

就目前现状而言，太阳能系统形式可谓多种多样而且各有千秋，没有完美无缺的系统，只有适合工程现状的系统，下面我们结合实例工程进行分析选则:

1)就加热方式而言，可分为直接加热与间接加热两种方式。

直接加热优点在于能源利用率高，缺点在于不利冷热水压力平衡，且适用于冷水硬度不大于150 mg/L的工况。

间接加热优点在于水压稳定，冷热水压力平衡，缺点在于能源利用率不如直接加热。

就该工程而言，参照太原市供水集团有限公司出厂水质报告，其所处地区自来水硬度235 mg/L，并且热水主要用来洗浴，对舒适度有较高要求，因此采用太阳能热水作为热媒，间接加热热水的方式。

2)就集热储热方式而言，有分散集热分散储热、集中集热分散储热、集中集热集中储热等多种。

分散集热多见于住宅中，其特点是各用水点可平均且公平的接收太阳能，集热器安装形式多样;而集中集热优点显而是有规模化效应，可减少工程造价，减少占地等。

分散储热多用于各用水点用水差别较大的情况，各用户可自主管理;集中贮热多用于用水情况统一，宜集中管理的工况。

就该工程而言，各用水点为同一个单位、用水时间均为全天、宜集中管理，因此该工程采用集中集热集中储热的方式。

3)集热系统可分为开式系统和闭式系统两种。

这两种系统核心区别就是储热容器是采用闭式压力罐还是开式水箱。

作为可承压的压力罐而言，受其工艺限制，单个罐体储水量有限，可串联或并联使用，但占地面积比较大，并且由于需要配备膨胀罐及定压给水设备等使用，较多的设备数量降低了系统安全性。优点在于由于是闭式系统，其水质不容易受到污染，无热蒸发，比较节水。

开式水箱特点正好相反，水箱长宽高均可定制拼接，因此空间利用率比较高，无需其他辅助设备，因此系统简单安全。缺点在于由于是开式系统，其水质有被污染的可能需人员定期检查，有一定热蒸发。

该工程互热机房设于屋顶，平面空间有限，并考虑到要存储全天用热量，因此采用了开式水箱系统。

4)辅助热源。

该工程采用了安全可靠的电热水器作为第二热源。

5)系统流程。

最后该工程做出的系统原理如图1所示。

图1 太阳能换热系统原理图

5 系统运行分析

按照循环系统来分，该楼生活热水系统包含三条循环系统:太阳能集热系统、太阳能供热系统、生活热水循环系统。

5.1 太阳能集热系统

该系统采用机械循环的开式水箱系统，具体流程为冷水补水经软化水器补入太阳能集热水箱，集热水箱的水由太阳能集热循环泵供给太阳能集热板，冷水经集热板加热后供回集热水箱内。

1)太阳能集热器:目前市面上常见的集热板类型主要有平板型、玻璃真空管型、金属—玻璃真空管型。

平板型:外形为平板型，优点是单位采光面积的集热能力高，承压能力强，抗冷热冲击能力强，缺点是抗冻能力差。

玻璃真空管型:外形为一条条的玻璃管，单位采光面积没有平板型强，承压和抗冷热能力也没有平板型强，优点是由于玻璃管与吸热体之间有真空，因此抗冻能力强。

金属—玻璃真空管型:这种集热板集合了前两种的优点，但缺点是价格过高，一般不会采用。

该工程地处山西太原，属寒冷地区(A)区，为系统安全型考虑，采用了玻璃真空管型集热器。

前面介绍过该工程包含Ⅱ类宿舍10间，三班倒Ⅲ类宿舍20间。如果要满足全部人员的热水使用，则参照《建筑给排水规范》5.4.2A条需要的集热器面积为:

但受屋顶空间限制，该工程布置了约463.5 m2的集热器面积，由此可见光靠太阳能集热器供给的热水是无法满足全部人员使用的。

2)太阳能集热水箱:参照《建水规》5.4.2A-3式，太阳能集热水箱的容积为:

在具体布置上，太阳能集热水箱布置成了条状长方形，并且水位并不高，只有1.5 m深，水箱补水及回水从一头进，出水从另一头出，尽量使热量均匀的分布和使用。

3)太阳能集热水泵:参照《建水规》5.4.2A-4式，水泵的流量为:

太阳能及热水泵为集热循环中的控制单元，其启停可分为三种情况:

温差循环:当太阳能集热板出水温度－集热水箱温度不小于5℃时，开启太阳能集热循环泵。

当太阳能集热板出水温度－集热水箱温度小于2℃时，关闭太阳能集热循环泵。

防冻循环:在夜间，当太阳能集热板出水温度小于5℃时，开启太阳能集热循环泵，当太阳能集热板出水温度大于8℃时，关闭太阳能集热循环泵。

管理循环:在需要的时候人工启停循环泵。

4)太阳能供热管路:太阳能供热管路布置为同程式。供热管线将太阳能集热板分为两大组，为避免集热板内升温过快每组内串联的太阳能集热板数为3片。

5.2 太阳能供热系统

该条系统由于仅带一个水水换热器因此较为简单，由一组太阳能供热循环泵从太阳能集热水箱抽取高温热水供给水水换热器再输回集热水箱。

其系统流量为:

5.3 生活热水循环系统

该系统我们在此仅讨论在换热机房内的一段，先由生活给水管经倒流防止器引入，然后先经由太阳能供热媒的水水换热器初次升温，再经电热水器二次升温后供给用户，经过供水管网后由其回水管输回电热水器前。

此处的设备选型与传统设备并无差异，就不再累述，在此仅讨论下系统中超越管的设置。由于系统中存在两套加热系统即太阳能换热系统和电热水器，这两套系统并不是时时刻刻都是同时运作，为节省能源消耗及系统安全考虑加设了超越管。

1)当太阳能集热水箱内的温度达到50℃以上，笔者认为此时有使用太阳能热媒初步换热的价值，因此:

当集热水箱温度达到55℃以上时先开启1号电动阀再关闭2号电动阀，此时太阳能水水换热器可正常工作。

当集热水箱温度小于50℃时先开启2号电动阀再关闭1号电动阀，此时太阳能水水换热器被跳过。

2)当冷水初次经过太阳能水水换热器后，如果其温度已经达到使用温度60℃，此时再流经电热水器会启动电热水器浪费资源，并且已达到60℃的生活热水有被进一步加热风险，因此:

当太阳能半容积式换热器出水水温小于55℃时先开启3号阀门再关闭4号阀门，此时初步换热后的水经过电热水器升温到60℃。

当太阳能半容积式换热器出水水温不小于60℃时先开启4号阀门再关闭3号阀门，此时电热水器被跳过。

6 结语

太阳能热水系统是一种清洁能源，他提高了我们的生活品质。本文结合实际工程对笔者遇到的太阳能热水系统进行了较为详细的讨论，文中所述系统各有优缺点，但应已较为完善的完成了系统设计，希望此文可为各同行设计师参照学习共同进步，为我省的建筑设计贡献一份力量。