現代建筑太陽能熱水供應系統設計

摘要自80年代初開始，太陽能熱水器技術的研究開發取得了一大批科技成果，有些已轉化為生產力，加速推廣應用。筆者結合自身多年的工作經驗，參考了大量文獻資料，探討了現代建筑太陽能熱水供應系統的設計要求。

關鍵詞建筑太陽能系統設計

中圖分類號:TU82文獻標識碼:A

在許多工業化國家中，太陽能熱水器早已列為建筑配套設備的一部分。從節能、環保和改善人民生活條件等因素考慮，在住宅設計中采用太陽能熱水器提供生活熱水已是大勢所趨。為使太陽能熱水器盡早步入建筑行業，我們首先要研究太陽能熱水器與建筑外觀相協調的總體方案(依據南方或北方、城鎮或農村、樓房或平房等不同情況)，設計出與建筑結構相適應的各種太陽能熱水器產品(依據平屋頂、斜屋頂、陽臺等不同條件);其次要重視熱水器產品的標準化、系列化以及熱水器施工安裝的規范化，加強與建筑設計部門的合作，使太陽能熱水器列入建筑標準圖冊，真正成為建筑的配套設備。

1 設計的原始依據

太陽能熱水系統設計的原始依據包括三個方面:(1)使用者的要求。主要包括用水量、水溫、用水時間，是否需要輔助加熱及采用何種輔助熱源等;(2)建筑物情況。如熱水系統安裝平面(屋面)情況，建筑物周圍環境情況，水源電源情況等;(3)地理氣候條件。如平均日輻射量、平均環境溫度、平均風速、基本風壓等。

主參數的確定。太陽能熱水系統的主參數為熱水負荷和系統的采光面積，它們是進行熱水系統設計的主要依據。(1)熱水負荷即日用水量。根據國家頒布的衛生標準，淋—盆浴混合使用，40℃熱水150 kg/(人·次)，若按照一幢住宅樓(6層，36戶，3口/戶，則每天需要16.2t，適當增大負荷系數，可確定為20t;(2)系統采光面積。根據熱水負荷及100∶1體面比設計系統采光面積。江蘇省屬于太陽能一般資源帶，即年輻射量4 200~5400MJ/m2，所以應適當降低體面比，推薦使用75∶1，那么本系統采光面積確定為270m2，即每平方米集熱器日產40~60℃熱水75kg，系統總產熱水量20t。考慮住宅樓居民用水率，該系統可保證全天24h有充足的熱水供應。

2 設計主要內容

熱管真空管太陽能系統是由集熱器、水箱、管路、控制系統等幾部分組成·下圖給出了太陽能熱水系統的示意圖·

3 系統設計運行方式的選擇

常見太陽能系統運行方式有3種，即自然循環式、定時強迫循環式和定溫強迫循環式。根據熱水負荷、安裝環境、系統節能標準等方面條件，本系統采用定溫強迫循環方式，在太陽能不充分時采用電加熱作為輔助熱源。

3.1定溫強迫循環方式的優點

(1)定溫強迫循環方式較自然循環方式的循環作用強。這是因為自然循環中動力來自冷熱水密度差形成的熱虹吸壓頭，一般情況所形成的壓頭比較小、不穩定。在采光面積較大情況下，循環管路較長，局部阻力元件較多，相應循環作用較弱。而定溫強迫循環可提供足夠壓頭克服水流阻力，有效地保證了集中式熱水系統循環的順利進行。

(2)定溫強迫循環水流速度較大，管壁不易結垢，集熱器陣列也不易形成“循環死區”;同時由于采用了溫差控制方式，能夠更充分地吸收太陽能，所以熱效率較高。經過單位樣品實驗測試，本系統熱效率高達47%。

3.2 電加熱補償方式

太陽能熱水系統依靠吸收太陽能加熱水，不可避免地會受到季節、晝夜、天氣、環溫等自然條件的影響。如在陰雨天氣中太陽能不充分，熱水系統所能夠提供的熱水就很難滿足使用要求，必須通過輔助熱源進行補償。本系統采用電加熱補償方式，一方面電加熱補償方式方便易行、經濟性好，另一方面由于電加熱帶來的安全隱患處理技術已趨于成熟(如華揚太陽能熱水器廠的水電隔離技術等)，能夠滿足熱水系統采用電加熱補償加熱水的安全標準，從而全天提供符合要求的熱水。

4 水箱的設計

為保證全天24 h用戶都能獲得50℃的熱水，本系統中設計了兩個水箱，其中一個容量較大16m3為儲水箱，另一個容量較小4 m3作為熱水箱。儲水箱和太陽能熱水系統連接，與熱管真空管集熱器進行熱交換;熱水箱水溫在正常工作條件下始終在50℃以上，若太陽能集熱系統提供的熱水未達到50℃，則由電加熱補償，熱水箱中補給水由儲水箱提供。在采用電加熱補償時，只加熱熱水箱中的少量水，不影響太陽能集熱系統的熱交換。且由于熱水箱容量較小，既滿足了在太陽能不充分條件下用戶快速獲取熱水的需求，同時也避免電能消耗率的增大，從而使系統具有良好的經濟性。水箱結構設計應滿足其功能要求。儲水箱內的管件主要包括與循環管路相連的上水循環管、循環回水管、與熱水箱相連的取水管、水箱排污管、溢流管、安裝傳感探頭的管箍等;熱水箱中管件主要包括與儲水箱相連的取水管、熱水取水管、電加熱裝置安裝管、水箱排污管、溢流管、安裝傳感探頭的管箍等。

5 供給水系統設計

太陽能系統的供給水設計十分重要，這不僅關系到水箱、集熱器水位、流量的穩定，而且關系到終端熱水的流量與溫度。設計中應保證儲水箱有足夠的水位，同時應避免終端大量用水時冷水滲入造成的溫度波動。因此，小型系統可采用浮球液位控制器，同時在冷水管路上設置電磁閥。大型系統應采用有電訊號輸出的液位控制器和時間控制器來控制冷水管路上的給水泵或電磁閥。為避免終端用水時放冷水造成浪費，同時也為了使用方便，對要求較高的賓館、住宅樓等，在進行系統設計時還應設置供水循環系統，通過溫度控制器和時間控制器控制循環泵的定溫定時循環。這樣一方面(下轉第173頁)(上接第160頁)可保證供水管道的水溫恒定，另一方面也強化了太陽能集熱器的傳熱效果，提高了集熱效率，是系統不可缺少的重要配置。循環泵應根據循環效果要求、流量、揚程、沿程阻力計算等來選擇。

6 輔助能源選擇

為保證太陽能供水系統全天候使用，必須設置輔助能源，在太陽輻射能量不足時代替集熱裝置向系統提供熱量。可供選擇的輔助能源一般有電加熱、燃油鍋爐、燃煤鍋爐三種。從設備費用看，電加熱器設備費用最低，但若電加熱功率太大，供電地點遠，變壓器增容費與電纜費用也相當大。從運行費用來看，燃煤鍋爐較經濟，燃油鍋爐次之，用電較貴。從消防、環保看，電加熱均占優勢。從自動化程度看，電和燃油鍋爐均可實現較高程度的自動化。

7 小結

太陽能熱水器具有節能、綠色、環保等優點，我們給排水設計工作者應積極推廣和設計使用。而且在設計過程中既需根據其特點采取適當措施加以改進，又需做好各個專業的配合工作，才能使太陽能供水系統更加合理和便于維修管理。