1、1深圳市某小学宿舍增加太阳能热水系统设计介绍摘要：本文以深圳市某小学宿舍太阳能热水系统设计案例进行分析，探讨如何控制太阳能与辅助热源之间的关系，使太阳能利用最大化，并得出太阳能热水系统设计注意事项。 关键词：太阳能热水系统、太阳能集热器、太阳能保证率、空气源热泵、控制原理。 中图分类号： S214.2 文献标识码： A 文章编号： 一引言 由于人类社会的不断发展，世界能源供应形势越来越严峻，地球的环境压力也越来越大，低排放的再生清洁能源在能源供应中占越来越重要的地位。太阳能具有以下优点：可直接开发和利用、无污染、用之不竭等。深圳市太阳能辐照量丰富，年均约为 5225MJ/。本文以深圳市某小学宿
2、舍增加太阳能热水系统工程对太阳能热水系统设计进行研究与分析。 二工程概况。 本项目地处深圳市南山区，性质为学生宿舍，地上 6 层，建筑高度21.6m，总建筑面积为 2000，屋面建筑面积为 426。 三太阳能热水系统介绍。 本项目热水系统采用定时供水系统，每天 16：0020：30 时段供应热水。 2本项目屋顶设置太阳能热水系统供本栋宿舍的淋浴使用，辅助热源采用空气源热泵。系统设计原理为：冷水进入贮热水箱，当集热器进出口温差大于 6(可调)时，开启集热系统循环泵使贮热水箱的水经过集热器被不断加热；如此循环往复，直至贮热水箱的水温达到设定值时，再由供热水箱补水泵将贮热水箱中达到设定温度的热水强制
3、送入供热水箱；供热水箱在各个设定时段应该储存一定量的热水，若供热水箱水温小于60，热泵启动，直至供热水箱内水温达到 60；在定时供水时段，用户再直接从供热水箱中获取满足要求的热水。 四太阳能热水系统设计计算。 本项目设计用水规模按 500 人设计，全楼公共淋浴间共 75 个淋浴器。平均日用水量取 40m，最高日用水量取 50m。年平均太阳能辐射量取 5225MJ/m ，贮水箱和管路的热损失率不大于 0.22。深圳市冬至日正午 12 时的太阳高度角为 4403，则太阳能集热板安装方位角与屋面取 30角。 集热器前后排最小距离：D=Hcota S=2sin301.04=1.04m。 日均用水量：5
4、0040=20m 根据日均用水量为 20m，设置 2 个有效容积为 10m的供热水箱，内直径为 3.2m，最高水位为 1.3m。1 个有效容积为 5m的贮热水箱，内直径为 2.3m，最高水位均为 1.3m。 集热器总面积计算公式见（1）式： （1） 直接加热集热器总面积，； 3日均用水量，kg； 水的定压比热容，取 4.187KJ/（Kg.） ； 贮热水箱内水的设计温度，取 60； 水的初始温度，取 15； 集热器正南朝向且倾角为当地维度时，单位面积集热器采光面上的年平均日太阳或月平均日辐照量，取 14.3MJ/； f太阳能保证率%，取 50%； 太阳能集热器年平均集热效率；取 0.48； 管
5、路及贮水箱的热损失率；取 0.22； 则本项目需要集热器的面积为： 根据建筑屋面面积大小，屋面可设置 21m 的平板集热器 116 块，故集热器的实际总面积为 232。 则太阳能实际保证率：0.5（232352）100%=32% 空气源热泵的设计小时供热量计算公式见（2）式： （2） 式中：热泵设计小时供热量，KJ/h； 热水用水定额，L/人.d； m 用水计算单位数，人； 热水温度， ； 冷水温度，=15； 热泵机组设计工作时间，取 9.5h/d； 安全系数，取 1.10； 4空气源热泵的热损失系数取 0.7。 则本项目空气源热泵的设计小时供热量为： 由于本项目是已建成的项目，选设备时应考虑
6、结构的承重受力，尽量避免选过重的设备。因此本项目选 6 台制热量为 36KW 的空气源热泵机组，每 3 台热泵为一组，采用并联的加热方式加热，636=216213KW，满足设计要求。 本项目的计算简图见附图（1）: （泵 3）空气源热泵系统循环泵计算： 空气源热泵系统循环泵流量计算公式见（3）式： （3） 式中：热泵机组设计循环流量，m/h； 热泵机组的设计小时平均秒供热量，Kw； 热泵机组的进出口温差（） ，取 5； 安全系数，可取 1.10。 则空气源热泵系统循环泵流量为： 扬程计算为： 水泵选型：可根据流量大于 7m/h，扬程大于 10m，选择 2 台一样的水泵，一用一备。 5（泵 1）
7、集热系统循环泵计算： 集热系统循环泵流量计算公式见（4）式： （4） 式中：集热系统循环流量，L/s； 单位采光面积集热器对应的工质流量 L/(s.)，本项目取0.02 L/(s.)。 则集热系统循环泵流量为： 水泵选型：可根据流量大于 16.7m/h，扬程约 30m，选择 2 台一样的水泵，一用一备。 （泵 2）热水过渡泵计算： 水泵选型：可根据本项目水箱容积大小及管路长度，按流量约20m/h，扬程约 15m，选择 2 台一样的水泵，一用一备。 （泵 4）热水系统供水泵： 设计秒流量计算公式见（5）式： （5） 式中：设计秒流量，L/s； 同类型的一个卫生器具给水额定流量，L/s； 同类型卫
8、生器具数； 同类型卫生器具的同事给水百分数。 则热水系统供水泵设计秒流量为： 水泵选型：可根据流量大于 27m/h，扬程约 220m，选择 2 台6一样的水泵，一用一备。 隔膜式气压罐：800，PN1.6。 五太阳能热水系统控制 在太阳能热水系统设计中，在供水时段不影响热水使用要求的前提下，何时启用辅助热源，使得太阳能利用率达到最大化，这与系统的控制有着密切的关联。在本项目中，采用分时段来控制，可以达到在一定程度上充分利用太阳能的目的。 贮热水箱冷水进水管上电磁阀 M1 控制原理： a. 当贮热水箱水位 ha1.25m 时，电磁阀 M1 关闭； b. 当泵 2 未运行且 ha1.2m 时，电磁
9、阀 M1 开启。 贮热水箱热水回水管上电磁阀 M2 控制原理： a. 当 T455（可调）时，电磁阀 M2 关闭； b. 当 T450（可调）时，电磁阀 M2 开启。 供水泵吸水总管上电磁阀 M3 控制原理： a. 20:3016：00 时段：电磁阀 M3 关闭； b. 16:0020：30 时段：电磁阀 M3 开启。 太阳能集热系统循环泵(泵 1)控制原理： a. 当 T1-T26（可调）时，泵 1 启动； b. 当 T1-T22（可调）时，泵 1 关闭。 热水过渡泵（泵 2）控制原理： a. 当 T255（可调）时，泵 2 开启；当供热水箱水位 h1.3m 时，或贮热水箱达到低水位 0.1
10、0m 时，泵 2 关闭； 7b. 9:30 时刻: 当供热水箱水位 hH1 时，泵 2 启动； 当供热水箱水位 hH1 时，泵 2 关闭； c. 11:00 时刻:当供热水箱水位 hH2 时，泵 2 启动； 当供热水箱水位 hH2 时，泵 2 关闭； d. 12:30 时刻:当供热水箱水位 hH3 时，泵 2 启动； 当供热水箱水位 hH3 时，泵 2 关闭； e. 14:00 时刻:当供热水箱水位 hH4 时，泵 2 启动； 当供热水箱水位 hH4 时，泵 2 关闭； f. 16:00 时刻:当供热水箱水位 hH5 时，泵 2 启动； 当供热水箱水位 hH5 时，泵 2 关闭； g.水深：H
11、1=0.30m，H2=0.55m，H3=0.80m，H4=1.05m，H5=1.30m。 热泵及热泵系统循环泵(泵 3)控制原理： a. 9:3020：30 时段：当 T360时，泵 3 关闭；当 T355（可调）时，泵 3 启动； b. 20:309:30 时段：泵 3 关闭。 7. 热水系统供水泵(泵 4)控制原理： a. 20:0016：00 时段：泵 4 关闭； b. 16:0020：30 时段：根据热水供水管网压力压力控制器，自动启停变频泵。 六总结 经过本项目与建筑、结构专业的不断协调、配合，得出太阳能热水系统设计应注意以下几点： 81.应与建筑一体化设计 （1）安装在建筑屋面、阳
12、台、墙面或其他部位的太阳能集热器，不得影响相应部位的建筑功能并与建筑协调一致，保持建筑统一和谐的外观。 （2）在既有建筑上安装太阳能热水设施时，不应破坏原有屋面的防水系统，否则应做好二次防水处理。 （3）建筑设计时，应合理布置太阳能热水系统各组成部分在建筑中的位置，满足相应的排水通风、隔热、防光污染、防水、防潮、防雷电、抗台风、抗震及检修等要求。 （4）在安装太阳能集热器的建筑部位，应设置防止太阳能集热器损坏后期部件坠落伤人的安全防护设施。 2.应与结构一体化设计 （1）集热器安装位置的确定，在确保集热性能的同时，应尽量避开风荷载较大、地震时容易遭受破坏、风及地震时滋生灾害等影响到的部位；应考
13、虑连接件保养、维修、替换的易操作性，避免破坏建筑物维护结构的防水性能。 （2）在既有建筑物上增设或改造已安装的太阳能热水系统，宜有具备资质的检测机构对建筑构件的相管部位进行结构鉴定，经结构安全计算、复核，并应满足建筑结构及其它相关的使用及安全性要求。 （3）承受太阳能热水系统的 结构及其构件应能抵御强风、雷电、暴雨及地震等自然灾害的作用。 3.给排水专业的设计 9（1）太阳能热水系统的管线应有组织布置，做到安全、隐蔽、易于检修。新建工程竖向管线宜布置在公共空间，且应考虑管道维护的便利。在既有建筑上增设太阳能热水系统或改造已安装的太阳能热水系统时，其管线布置应做到走向合理，不影响建筑使用功能及外
14、观。 （2）太阳能热水系统的热性能及选用的相关产品应满足国家现行标准和设计要求，系统中集热器、贮水箱、支架等主要部件的正常使用寿命不应少于 10 年。 （3）设计计算参数应根据地方实际情况选定，以免影响设计计算，从而影响系统的使用效果。 参考文献： GB 50015-2003，建筑给排水设计规范（2009 年版） ； GB 50364-2005， 民用建筑太阳能热水系统应用技术规范 ； GB/T 18713-2002， 太阳热水系统设计、安装及工程验收技术规范 ；GB/T 6424-2007， 平板型太阳能集热器 ； GB 50268-2008， 给水排水管道工程施工及验收规范 ； 深圳市居住建筑太阳能热水系统与建筑一体化设计标准 。
