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太陽能熱水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

發(fā)布時(shí)間：2023-04-06 點(diǎn)擊量：676

太陽熱水系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用的一般原則
GB/T 50364-2005《民用建筑太陽能熱水系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》規(guī)定的太陽能熱水系統(tǒng)技術(shù)要求，其他要求可以參考國標(biāo)中的具體條款。
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設(shè)計(jì)步驟
1、系統(tǒng)計(jì)算
1.1、選擇合適的熱水系統(tǒng)
1.2、計(jì)算系統(tǒng)的熱水使用量和系統(tǒng)熱量
1.3、根據(jù)氣象和自然條件計(jì)算出集熱器輪廓面積
1.4、根據(jù)建筑物和欲安裝區(qū)域日照條件核實(shí)集熱器的輪廓面積
1.5、根據(jù)熱水系統(tǒng)使用條件，設(shè)計(jì)輔助能源系統(tǒng)及其功率。
1.6、設(shè)計(jì)儲熱水箱的容積
1.7、建筑物承載能力校核
2、系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2.1、系統(tǒng)運(yùn)行原理圖設(shè)計(jì)
2.2、集熱器安裝基礎(chǔ)圖和支架圖紙?jiān)O(shè)計(jì)
2.3、儲熱水箱形狀和各管道接口及水箱安裝基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)及驗(yàn)算
2.4、管路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
2.5、控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和設(shè)備選型。
2.6、避雷系統(tǒng)及安全保護(hù)系統(tǒng)和維護(hù)通道的設(shè)計(jì)
2.7、建筑物外觀保護(hù)和防水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
一般來說，較小面積的系統(tǒng)，如果水箱可高置，多采用自然循環(huán)系統(tǒng)；較大面積和水箱不能高置的系統(tǒng)，多采用強(qiáng)制循環(huán)系統(tǒng)；需要24小時(shí)或白天需要使用熱水的，多采用直流系統(tǒng)；每天都需要熱水的，應(yīng)配置輔助加熱系統(tǒng)。
目前國內(nèi)的太陽能熱水系統(tǒng)多采用開式系統(tǒng)，別墅型太陽能熱水系統(tǒng)多采用閉式承壓二次回路系統(tǒng)。
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太陽能集熱器選型
集熱器類型的選擇主要考慮下列因素：
1、當(dāng)?shù)氐牡乩砦恢茫?/span>
2、環(huán)境溫度；
3、全年的使用時(shí)間；
4、使用水溫；
5、投資與收益等因素。
1）在不結(jié)冰地區(qū)全年使用或雖是結(jié)冰地區(qū)，但僅在春、夏、秋季不結(jié)冰的時(shí)候使用時(shí)，一般選擇平板集熱器。
2）結(jié)冰地區(qū)全年使用的，不需要承壓運(yùn)行的，除高寒地區(qū)外，均可選用全玻璃真空管集熱器。
3）高寒地區(qū)全年使用的，可選擇熱管集熱器，也可選擇各種金屬流道式真空管集熱器，做成雙回路系統(tǒng)。
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用水量和熱量計(jì)算
國家有關(guān)部委有定額標(biāo)準(zhǔn)，但該標(biāo)準(zhǔn)比較高，一般很難實(shí)現(xiàn)。我們一般在設(shè)計(jì)時(shí)按照普通單位人均50kg熱水，星級賓館人均80～100Kg的原則執(zhí)行。如果甲方有特殊要求，再單獨(dú)考慮。根據(jù)單位用水量和單元數(shù)，求出總用水量。
只有計(jì)算出了熱水需求量，才能進(jìn)行其他計(jì)算，這是所有設(shè)計(jì)計(jì)算工作的基礎(chǔ)。
計(jì)算出熱水量后再根據(jù)自來水的初始溫度和需要的熱水溫度計(jì)算出需要的熱量。
加熱熱水需要熱量的計(jì)算：
計(jì)算公式：Q=C×M×Δt
式中各符號的意義：
Q:需要的熱量。單位千卡或兆焦；C:水的定壓比熱容，數(shù)值為：1卡/克.度，或4.18焦耳/克度，M：水的質(zhì)量，單位千克；Δt：水的溫升，單位為度。
例如：10噸水溫升30度需要的熱量是
Q=10 ×1000×30=300,000 (千卡)或
Q=4.18 × 10 ×1000×30=1,254,000 (千焦耳)。
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集熱器集熱面積計(jì)算
據(jù)行業(yè)相關(guān)人士意見，實(shí)際上這個(gè)公式存在很多問題，主要表現(xiàn)為如下方面：
1、很多參數(shù)都讓我們在很大范圍內(nèi)選擇，幾個(gè)不確定的參數(shù)乘起來后造成的誤差是很大的。
2、太陽能保障率選擇多少合適，是年保障率，還是日保障率？因?yàn)槊總€(gè)地區(qū)的太陽都不是365天都有的，太陽的實(shí)際保障率就是小于1的，即使我們每個(gè)晴好天氣的保障率都是100%，其實(shí)際保障率還是小于100%的。
3、JT當(dāng)?shù)丶療崞鞑晒饷嫔夏昶骄栞椪樟恳灿泻芏鄦栴}。年平均值會和我們的實(shí)際值差很大。記住“2”“8”定則-你就知道平均值的不可靠性?。?/span>
為了計(jì)算準(zhǔn)確，應(yīng)按不同的季節(jié)分別計(jì)算，因?yàn)椴煌竟?jié)太陽的輻照量不同，自來水的初溫不同，環(huán)境溫度不同，風(fēng)速不同，熱量損失也不同。根據(jù)不同季節(jié)計(jì)算出集熱面積后，再根據(jù)情況選擇。設(shè)計(jì)的原則是：春秋季節(jié)應(yīng)基本滿足100%保障率，冬季低于100%，夏季略有富余。
1、注意不同產(chǎn)品的集熱效率不同；
2、注意灰塵的影響，一般在0.90～0.98；
3、注意管路和水箱散熱的影響，在0.90～0.95；
4、注意系統(tǒng)加熱方式的影響間接系統(tǒng)在0.90～0.95；
5、注意太陽能系統(tǒng)運(yùn)行方式影響，強(qiáng)迫循環(huán)的運(yùn)行方式，其平均熱效率比自然循環(huán)和直流系統(tǒng)低3～5%。
不同季節(jié)產(chǎn)生10噸50 ℃熱水所需要提供的能量。
分不同季節(jié)計(jì)算太陽能集熱器的面積時(shí)，統(tǒng)一把太陽能保障率定義為100%，系統(tǒng)的效率按照集熱器輪廓面積的效率進(jìn)行計(jì)算，太陽輻照量按照晴好天氣的輻照量取值。
不同季節(jié)產(chǎn)生10噸50 ℃熱水所需要提供的能量和集熱面積。
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輔助能源的計(jì)算
根據(jù)上面計(jì)算的能量，我們以在最惡劣的情況下4小時(shí)內(nèi)把用戶所需熱水加熱到滿足使用條件的原則來選擇各種輔助能源。以電加熱為例，其計(jì)算公司為：
P=0.00116×M×Δt/T
式中各符號意義
M:水的質(zhì)量，單位Kg；
Δt：水的溫升，單位為度；
T:加熱時(shí)間，單位小時(shí)；
P:電功率，單位Kw。
冬天太陽曝輔量按每天17MJ/m2計(jì)算，熱水器效率按50％計(jì)算，得到冬季不同熱水量不同溫升時(shí)的聯(lián)集管系統(tǒng)面積，表中的數(shù)據(jù)為m2，實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)要乘以85％。
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輔助電加熱功率的計(jì)算
1：計(jì)算公式：Q=C×M×Δt
式中各符號的意義：
Q:需要的熱量。單位千卡或兆焦。
C:水的比熱容，數(shù)值為：1卡/克度，或4.18焦耳/克度。
Δt：水的溫升，單位為度。
例如：10噸水溫升30度需要的熱量是Q=10 ×1000×30=300,000 (千卡)或Q=4.18× 10 ×1000×30=1,254,000 (千焦耳)。
2：電能轉(zhuǎn)換成熱能的計(jì)算方法
電功率：單位為:KW，電能：單位為:千瓦時(shí)（度）。
1千瓦時(shí)（度）＝3.6兆焦＝861千瓦。
按4小時(shí)電加熱時(shí)間計(jì)算的電功率表格
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太陽能集熱器朝向與傾斜角
從上圖可以得出：當(dāng)太陽光線與集熱器的采光面垂直時(shí)，集熱器傾角θ與當(dāng)?shù)鼐暥冉千兑约疤柍嗑暯铅挠腥缦玛P(guān)系：θ= Ф – δ
1、當(dāng)全年使用時(shí),可認(rèn)為全年的平均赤緯角δ為0°，θ= Ф – δ = Ф
2、當(dāng)側(cè)重于夏季使用時(shí),可認(rèn)為該期間的平均赤緯角為10°， θ= Ф – δ = Ф -10°。
3、當(dāng)側(cè)重于冬季使用時(shí),可認(rèn)為該期間的平均赤緯角為-10°， θ= Ф – δ = Ф +10°。
全年各月代表日太陽赤緯角的近似值
1、當(dāng)真空管集熱器南北豎放時(shí)，具有日自動(dòng)跟蹤功能。在相鄰兩支真空管不發(fā)生光線遮擋時(shí)，無論太陽是在東、西任何位置，有效采光面積都一樣。但當(dāng)Ω大于臨界夾角Ω0時(shí)，相鄰的真空管之間將產(chǎn)生光線遮擋。由于真空管集熱器南北豎放時(shí)，不具有季節(jié)自動(dòng)跟蹤功能，因此，集熱器的傾角仍應(yīng)按上述推論確定。
2、當(dāng)真空管集熱器東西橫放時(shí)，具有季節(jié)自動(dòng)跟蹤功能，無論太陽是在南、北回歸線之間任何位置，有效采光面積都一樣。但為了保證在全年時(shí)間內(nèi)，相鄰兩支真空管不發(fā)生光線遮擋，集熱器的傾角應(yīng)滿足下列條件
23°27′+Ф -︱Ω0︳≤θ ≤ Ф +︱Ω0︳—23°27′
式中：23°27′— 表示太陽在南北回歸線時(shí)的赤緯角的絕對值；
Ω0 ——— 相鄰的真空管之間產(chǎn)生光線遮擋的臨界夾角。
Ω：陽光入射線在集熱器橫截面上的投影與真空管法線方向的夾角。當(dāng)Ω大于臨界夾角Ω0時(shí)，相鄰的真空管之間產(chǎn)生光線遮擋。
Ω0計(jì)算公式為：︱Ω0︳= cos-1 [（ D1+ D2）/2B]
式中：D1 D2—分別為真空管內(nèi)、外管的直徑，如：D1=37mm，D2=47mm。
B——相鄰兩支真空管之間的中心距。
以上關(guān)于集熱器傾角的推論，沒有考慮各地不同季節(jié)天氣的影響。實(shí)際上，不同地方在不同季節(jié)的實(shí)際太陽輻照量是不同的。
a)某一地方在每年的某一季節(jié)，總是雨季，太陽輻射量相對很少，在此時(shí)段內(nèi)，即使太陽光線與集熱器采光面垂直，也得不到太多的太陽輻射能；而在另一季節(jié)，經(jīng)常是晴朗天氣，太陽輻射量相對較多，在此時(shí)段內(nèi)，由于太陽光線與集熱器采光面不垂直，從而失去了得到較多太陽輻射能的機(jī)會。
b)在太陽輻射較強(qiáng)的季節(jié)，熱水過剩，而太陽輻射較少的季節(jié)，熱水不足，因此可以讓太陽輻射較少的季節(jié)盡可能多地吸收輻射能。
確定集熱器傾角最理想的方法是綜合考慮當(dāng)?shù)馗鲿r(shí)段的太陽輻照量和熱水使用需求等因素，求出在滿足使用需求的條件下，在整個(gè)使用期內(nèi)能得到最大太陽輻射量的集熱器傾角值。
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儲水量及容積確定
太陽能熱水系統(tǒng)只能在白天有陽光的條件下產(chǎn)生熱水，而且是一種比較緩慢加熱的過程。而使用熱水的時(shí)間卻并不一定都在白天，因此，需要將白天產(chǎn)生的熱水儲存，以供其它時(shí)間使用。儲熱水箱的作用就是儲存太陽集熱器產(chǎn)生的熱水。
儲熱水箱的容量V應(yīng)根據(jù)其蓄熱容量VX、熱水膨脹量VP和循環(huán)回流水量VH等因素確定。
V = VX + VP + VH
1、儲熱水箱的蓄熱容量VX ，應(yīng)根據(jù)晴天時(shí)太陽集熱器的產(chǎn)熱水量來確定
2、儲熱水箱的熱水膨脹量VP，當(dāng)水溫大于4℃時(shí)，體積會隨水溫升高而膨脹。因此應(yīng)考慮水的體積膨脹量對儲熱水箱容量的影響。一般在5%以內(nèi)。
3、儲熱水箱的循環(huán)回流水量VH，對于常壓系統(tǒng)，當(dāng)循環(huán)水泵停止后，回水管道內(nèi)的水要回流到水箱里；對于回流防凍的系統(tǒng)，當(dāng)循環(huán)水泵停止后，集熱器和管道內(nèi)的水都要回流到水箱里來。因此必須考慮系統(tǒng)的回流水量。以確保停泵后不發(fā)生儲熱水箱溢流的問題。
貯水箱的結(jié)構(gòu)形狀應(yīng)根據(jù)其容量大小、結(jié)構(gòu)的合理性、現(xiàn)場放置的位置、水箱制作的難易等因素來確定。儲熱水箱應(yīng)選擇體面比最小的形狀。這樣既能減小散熱面積，還可節(jié)省水箱制作的材料。
1、圓球形狀的水箱體面比最小，但制作困難。因此儲熱水箱的形狀一般都選擇圓柱形或方形。
2、對于圓柱形水箱，當(dāng)高度等于直徑時(shí)，表面積最小。如果圓柱形水箱高度過高，一般將水箱臥放。要求水箱承壓的系統(tǒng)，圓柱形水箱的兩個(gè)端蓋應(yīng)采用球形端蓋，材料厚度應(yīng)加厚，制作完成后，應(yīng)按要求作耐壓試驗(yàn)。
3、對于方形水箱，當(dāng)長、寬、高相等時(shí)，體面最小。方形水箱不承壓，不易設(shè)計(jì)的太高。在高度相同的的條件下，長度與寬度相等時(shí)，體面比最小。方形水箱可以現(xiàn)場制作，運(yùn)輸方便。方形水箱的承壓能力差，需要在水箱內(nèi)部或外部加拉筋。方形水箱只能用于不承壓的系統(tǒng)中。
貯水箱的材料
1、鋼板水箱
2、搪瓷水箱
3、不銹鋼水箱
4、玻璃鋼預(yù)制水箱
5、水泥預(yù)制水箱。
6、塑料水箱
由于貯水箱儲存的是熱水，不宜采用耐溫性能差的水箱。如塑料水箱等。
貯水箱的開口位置與尺寸
1、檢修人孔：大于3m3的水箱應(yīng)留檢修人孔，以備將來檢修時(shí)用。人孔的尺寸不應(yīng)小于400×400mm2，圓形人孔的直徑不應(yīng)小于400mm。
2、通氣孔：常壓水箱應(yīng)留有通氣孔，以避免形成負(fù)壓，使水箱受損，并使下水通暢
3、排污口：排污口應(yīng)留在水箱最低的位置，以利于排污。排污口的尺寸不應(yīng)小于25mm。
4、溢流口：開式常壓系統(tǒng)的水箱應(yīng)留有溢流口，應(yīng)不小于進(jìn)水口，且最小不應(yīng)小于25mm。
5、用熱水口：
a)對于承壓水箱，用熱水口應(yīng)位于水箱的頂部；
b)對于頂水使用的開式水箱，用熱水口應(yīng)位于水箱的中上部，且不能低于上循環(huán)口；
c）對于落水使用的開式水箱，用熱水口應(yīng)位于水箱的底部，但應(yīng)不低于排污口；
d)對于底部帶有電加熱管的水箱，用熱水口應(yīng)高于電加熱管的位置，以確保電加熱管始終浸沒在水中，防止電熱管無水干燒。
用熱水口的尺寸應(yīng)根據(jù)熱水流量大小來確定，一般承壓系統(tǒng)不應(yīng)大于1m/s；常壓系統(tǒng)不應(yīng)大于0.5m/s。
6、上、下循環(huán)口：
1、下循環(huán)口位于水箱的底部，但應(yīng)不低于排污口，不高于用熱水口。
2、上循環(huán)口位于水箱的中上部，不高于用熱水口。對于頂水使用的承壓水箱，上循環(huán)口應(yīng)在水箱的中下部，但無論何種系統(tǒng)，上循環(huán)口都應(yīng)高于下循環(huán)口。
上、下循環(huán)口的尺寸也應(yīng)根據(jù)單位時(shí)間的流量大小來確定，一般不應(yīng)大于1m/s。
7、其它開口：
有些系統(tǒng)還需預(yù)留測量水溫、水位、壓力的開口。帶有輔助加熱的系統(tǒng)還需留有輔助加熱系統(tǒng)所需要的各種開口，設(shè)計(jì)者應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)要求合理設(shè)計(jì)。
在滿足以上要求的前提下，水箱的開口位置還應(yīng)盡量注意消除死水區(qū)，或者盡量減少死水區(qū)。但為了防止頂水使用時(shí)冷水供應(yīng)不上，造成熱水?dāng)嗔鞯膯栴}，有意在水箱出熱水口上部留出一部分熱水高度，當(dāng)冷水供應(yīng)不上時(shí)，起緩沖作用。
1、當(dāng)水箱進(jìn)出水口處流速、溫差過大時(shí)，容易造成水箱混水。對于需要水箱水溫分層的儲熱水箱，如頂水使用的儲熱水箱，應(yīng)降低管口流速。在設(shè)計(jì)水箱進(jìn)、出水口處水管的布置時(shí)，下循環(huán)管口流出的為低溫水，其在水箱內(nèi)的開口方向應(yīng)水平或向下；上循環(huán)口流進(jìn)水箱的水為高溫水，其在水箱內(nèi)的開口方向應(yīng)水平或向上；冷水補(bǔ)水進(jìn)口的開口方向應(yīng)水平或向下。以上措施，可以有效降低進(jìn)出水管處造成的混水問題。
2、對于自然循環(huán)系統(tǒng)，下循環(huán)口兼有下循環(huán)管的自動(dòng)排氣功能，因此，其在水箱內(nèi)的開口方向應(yīng)水平，不能向下，否則將造成下循環(huán)管無法自動(dòng)排氣而使系統(tǒng)無法自動(dòng)循環(huán)。
3、對于落水使用的循環(huán)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)時(shí)，有意將上循環(huán)管口向下開口，有時(shí)甚至將上循環(huán)口向下延伸至水箱的下部，有意使水箱混流，以減輕水箱的溫度分層。對于直流式定溫放水系統(tǒng)，設(shè)計(jì)時(shí)也有意將從集熱器進(jìn)入水箱的熱水管延伸至水箱的下部，以達(dá)到混合水箱水溫的作用。
9
系統(tǒng)整體的布局的原則和方法
前后布局
一般情況下，集熱器在前面，水箱在后面，以避免水箱遮光。但當(dāng)前面有較高的遮光物時(shí)，可將水箱放在前面，集熱器后置，加大集熱器與前面高遮擋物的距離。
左右布局
水箱可以在左邊，也可以在右邊，主要根據(jù)承重、管路短近等因素確定。
左中右布局
水箱在中間，集熱器圍繞水箱前后左右排列。這種布局可以很方便的共用一個(gè)水箱做成幾個(gè)并聯(lián)的自然循環(huán)系統(tǒng)。
上下布局
水箱和集熱器上下放置。如水箱放在地面或低處。
前后排間距
前后排集熱器之間應(yīng)留有一定的距離，以避免前排集熱器影響后排集熱器的采光
1、當(dāng)春夏秋季使用時(shí)，只要保證春分、秋分日前后排不遮擋，其它時(shí)間就不會遮擋
2、當(dāng)全年使用時(shí)，只要保證冬至日（此時(shí)）前后排不遮擋，其它時(shí)間就不會遮擋。
一般情況下都要求在當(dāng)?shù)卣鐣r(shí)刻，前后排不發(fā)生遮擋：
正午時(shí)，h= 90-(Ф – δ ) ，B=OC=OA ctg h= OA tg (Ф – δ )。
布局形式的選擇，主要應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場地形確定，并考慮以下幾點(diǎn)。
（1）水箱承重
局中，首先需要考慮水箱的位置。因?yàn)?，水箱是太陽熱水系統(tǒng)最重的負(fù)載，因此，水箱的放置位置應(yīng)考慮該位置的承載能力能否能滿足水箱裝滿水后的承重需求。
（2）集熱器擺放
應(yīng)盡量使集熱器集中在一片位置擺放，這樣便于布局，系統(tǒng)比較整潔、緊湊，管路距離也比較短，。
（3）系統(tǒng)各部分的距離
系統(tǒng)布局應(yīng)盡量使集熱器距水箱的距離、水箱距用熱水點(diǎn)的距離、冷水供水點(diǎn)距集熱器和水箱的距離相距較近，以減少管路過長造成的熱損失，并減少安裝用料，降低工程成本。
（4）協(xié)調(diào)性與方便性

統(tǒng)整體應(yīng)協(xié)調(diào)、可靠、美觀，施工和維護(hù)管理應(yīng)方便。

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