太陽能熱水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算

太陽能熱水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工作包括與建筑物的結(jié)合設(shè)計(jì)和太陽能熱水系統(tǒng)自身設(shè)計(jì)。本文只討論太陽能熱水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算不涉及與建筑同步設(shè)計(jì)問題。太陽能熱水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算包括：太陽能熱水系統(tǒng)的選型設(shè)計(jì)、熱水需求量計(jì)算、集熱面積計(jì)算、儲(chǔ)熱水箱體積計(jì)算、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和輔助能源設(shè)計(jì)等內(nèi)容，輔助能源設(shè)計(jì)計(jì)算部分將單獨(dú)論述。 　　1太陽能熱水系統(tǒng)選型 　　根據(jù)用戶用水習(xí)慣和建筑物情況，可以選擇不同的太陽能熱水系統(tǒng)。針對(duì)居住建筑，尤其是新建商品房可以采用陽臺(tái)壁掛系統(tǒng)或者集中集熱分戶儲(chǔ)熱系統(tǒng)；對(duì)于別墅型建筑建議選擇間接分體式熱水系統(tǒng)；對(duì)于酒店、賓館、部隊(duì)、學(xué)校、工廠等集中用熱水的建筑應(yīng)優(yōu)先選用集中集熱集中供熱水系統(tǒng)。 　　對(duì)超過12層以上的高層建筑因?yàn)闃琼斂梢园惭b集熱器的面積有限，且樓層高度太高造成供水管道壓力過大對(duì)太陽能熱水系統(tǒng)安全造成一定威脅，建議采用分區(qū)安裝太陽能方式，從樓頂向下的十層范圍建議采用集中集熱分戶儲(chǔ)熱太陽能熱水系統(tǒng)；十層以下的系統(tǒng)采用陽臺(tái)壁掛或南立面壁掛太陽能熱水系統(tǒng)。 　　對(duì)商業(yè)住宅小區(qū)之所以推薦集中集熱分戶儲(chǔ)熱系統(tǒng)和陽臺(tái)壁掛系統(tǒng)，主要是考慮這種建筑的業(yè)主入住時(shí)間不統(tǒng)一，太陽能熱水系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用公攤執(zhí)行起來難度較大，對(duì)熱水收費(fèi)還要增加熱水計(jì)量裝置和物業(yè)公司查熱水表費(fèi)工作，這會(huì)增加系統(tǒng)投資和物業(yè)管理費(fèi)用，且對(duì)高層建筑由于屋頂集熱面積有限，很難滿足對(duì)所有業(yè)主24小時(shí)提供生活熱水的需求。 　　住宅和公共建筑內(nèi)，生活熱水用水定額應(yīng)根據(jù)水溫、衛(wèi)生設(shè)備完善程度、熱水供應(yīng)時(shí)間、當(dāng)?shù)貧夂驐l件、生活習(xí)慣和水資源情況等確定。目前太陽能生活熱水系統(tǒng)的用水定額通常根據(jù)經(jīng)驗(yàn)采用簡單估算，即共有多少個(gè)用水個(gè)體，每個(gè)用水個(gè)體一天用多少熱水，兩者相乘即得到日熱水需求量。由于人們生活水平的提高，洗浴頻次的增多，人們單次洗浴的用熱水量比GB50015-2003《建筑給水排水設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定的熱水定額要少。 　　對(duì)于一般的部隊(duì)、工廠和三星級(jí)以下酒店賓館按每人每天50L50℃熱水計(jì)算實(shí)際工程過程中熱水需求量。 　　2太陽能集熱面積計(jì)算 　　應(yīng)根據(jù)熱力學(xué)定律和能量守恒定律計(jì)算太陽能集熱面積，在計(jì)算太陽能集熱面積之前必須計(jì)算出產(chǎn)生熱水所需的能量，根據(jù)太陽能保證率計(jì)算太陽能集熱器面積。由于不同季節(jié)太陽平均輻照量不同，自來水初溫不同，因此產(chǎn)生同容量、同溫度的熱水在不同季節(jié)需要的能量是不同的，因此需要太陽能集熱器面積也是不同的。 　　2.1計(jì)算不同月份產(chǎn)生用戶需要熱水的能量 　　根據(jù)公式：Q=C×m×△T（1）逐月計(jì)算產(chǎn)生太陽能熱水需要的能量（如表1所示） 　　2.計(jì)算出12個(gè)太陽能集熱面積后應(yīng)進(jìn)行優(yōu)化法處理，優(yōu)化選取的原則是按平均值選取，這樣計(jì)算出的太陽能集熱面積在春秋季的晴好天氣可以保證100%的熱水供應(yīng)，在夏季晴好天氣熱水供應(yīng)量略有富裕，冬季晴好天氣產(chǎn)熱水量不足。如果計(jì)算出的集熱面積使得初投資規(guī)模偏大，可以選取晴好天氣的保障率＜100%的系數(shù)。 　　3.在計(jì)算出集熱面積后還要根據(jù)建筑物的朝向、建筑物的光照條件、集熱器之間的安裝間距和維護(hù)通道等因素綜合計(jì)算集熱器的面積。 　　3儲(chǔ)熱水箱設(shè)計(jì) 　　太陽熱水系統(tǒng)水箱的容積既與太陽集熱器面積有關(guān)，也與用戶使用熱水情況有關(guān)，因此根據(jù)熱水的用水情況分別計(jì)算。因?yàn)樗渲械乃豢赡芏挤懦鰜恚淙莘e要比計(jì)算容積大10％～20%。水箱容積的總體計(jì)算原則是：太陽能系統(tǒng)只有白天產(chǎn)熱水，要能把白天產(chǎn)生并剩下的熱水都儲(chǔ)存起來，并保證和輔助能源配合時(shí)能量儲(chǔ)存最大峰值用水。 　　3.1水箱容積確定 　　1.在下午定時(shí)用水的太陽能熱水系統(tǒng)水箱容積只在每天下午太陽落山時(shí)定時(shí)用水的太陽能熱水系統(tǒng)，其儲(chǔ)熱水箱要存儲(chǔ)一天的用水量，容積應(yīng)按日產(chǎn)熱水量的1.2倍計(jì)算。 　　2.白天連續(xù)用熱水時(shí)太陽能水箱的容積確定 　　由于白天連續(xù)使用熱水，產(chǎn)生的熱水隨時(shí)使用，因此儲(chǔ)熱水箱的容積應(yīng)＜總熱水需求量，計(jì)算時(shí)要按用水習(xí)慣列出每小時(shí)用水量，儲(chǔ)熱水箱的容積應(yīng)是日落后最大用水量。例如某學(xué)校日需熱水10m3，其小時(shí)水量如表3所示。 　　根據(jù)表3數(shù)據(jù)，該學(xué)校的最大用水量在16:00～20:00，總用水量為6m3，14:00前總用水量為4m3。16：30后太陽輻照量很小，基本不再產(chǎn)生熱水，因此可以判斷其最大熱水儲(chǔ)量為6m3，因此設(shè)計(jì)水箱的容積為6m3。這樣上午產(chǎn)生的熱水不會(huì)裝滿水箱，14:00時(shí)總共用掉4m3后水箱還能再儲(chǔ)存6m3熱水，能滿足全天使用。 　　3.全天連續(xù)供熱水的太陽能水箱容積確定 　　由于24小時(shí)連續(xù)使用熱水，而太陽能熱水系統(tǒng)只在白天產(chǎn)生熱水，因此儲(chǔ)熱水箱至少要能儲(chǔ)存夜晚和次日08:30前的熱水用量；因此其容積應(yīng)小于總熱水需求量。計(jì)算時(shí)要按用水習(xí)慣列出24小時(shí)用水量表，根據(jù)用水量表分析實(shí)際用水情況，再確定水箱容積。例如某星級(jí)酒店日需熱水60m3，酒店提供的用水量如表4所示。 　　從表4可以看出，該酒店白天用水量為20噸（8:00~17:00），夜晚用水量為40噸（17:00~次日08:00），即下午17點(diǎn)前水箱內(nèi)應(yīng)該儲(chǔ)存至少40噸熱水才能保證夜間的熱水供應(yīng)，再考慮到用水波動(dòng)情況，水箱的容積選擇為50m3。 　　4.集中集熱分戶儲(chǔ)熱過渡水箱容積計(jì)算方法 　　由于太陽能采暖系統(tǒng)和集中集熱分戶儲(chǔ)熱系統(tǒng)只利用太陽能系統(tǒng)的熱量而不利用水的質(zhì)量，因此它們的儲(chǔ)熱水箱只要能保證集熱系統(tǒng)和供熱系統(tǒng)的正常運(yùn)行即可，其容積要按能量守恒定律計(jì)算。在白天如果太陽能集熱系統(tǒng)獲得能量有多余，水箱中只儲(chǔ)存多余部分的能量，具體計(jì)算方法見本連載的第三篇《太陽能采暖系統(tǒng)設(shè)計(jì)》。 　　3.2水箱形狀設(shè)計(jì) 　　在太陽能熱利用中，為了便于維護(hù)加工，提高水箱的經(jīng)濟(jì)性和通用性，蓄熱水箱已標(biāo)準(zhǔn)化，目前最常見的水箱形式有圓形和方形。具體選擇何種形式要具體問題具體分析。對(duì)于室內(nèi)水箱，為便于施工，一般采用現(xiàn)場拼裝或現(xiàn)場焊接形式，對(duì)于拼裝水箱，目前都是以1000mm×1000mm和1000mm×500mm為標(biāo)準(zhǔn)模塊進(jìn)行拼裝。 　　在設(shè)計(jì)水箱形狀時(shí)要考慮安裝位置和檢修通道的問題，水箱四周應(yīng)留出至少600mm的檢修通道，頂部應(yīng)留出1000mm的檢修空間，水箱的入孔應(yīng)設(shè)計(jì)在便于維修人員進(jìn)出的位置。水箱排污口應(yīng)設(shè)計(jì)在便于操作和離排污管道近的地方。 　　水箱上預(yù)留的各種進(jìn)出水口要考慮便于施工和管道安裝的同時(shí)還要考慮絕熱保護(hù)問題。 　　4太陽能集熱器陣列的設(shè)計(jì) 　　4.1集熱器的方向 　　太陽集熱器的最佳布置方位是朝向正南面，設(shè)計(jì)時(shí)可以根據(jù)建筑物的實(shí)際情況進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，但不應(yīng)超出南偏東30°或南偏西30°范圍，否則影響集熱器面接收的太陽輻照量。 　　4.2集熱器的安裝傾角 　　集熱器的安裝傾角與周圍建筑環(huán)境相協(xié)調(diào)，盡可能做到與建筑物結(jié)合時(shí)，對(duì)建筑造型沒有影響或把影響控制在最小范圍內(nèi)。全年使用太陽能熱水系統(tǒng)，集熱器安裝傾角等于當(dāng)?shù)鼐暥取Ｈ缦到y(tǒng)側(cè)重在夏季使用，其安裝傾角推薦＜當(dāng)?shù)氐鼐暥?0°；如系統(tǒng)側(cè)重在冬季使用，其安裝傾角推薦采用當(dāng)?shù)鼐暥燃?0°。安裝傾角誤差一般不超過±3°。 　　4.3集熱器前后排間距 　　為保證集熱器前后排不遮擋，前后兩排集熱器之間需要留出一定距離，如果我們把太陽光照射到地面的路程看作是一個(gè)平面，那我們可以用圖1來解釋遮擋問題，從圖1中我們可以得到： 　　從圖1中我們可以看出只要光線落在陰影范圍之外，就對(duì)后排沒有遮擋，即只要光線的入射角度＞琢，前后排之間就沒有遮擋，我們求出了琢角就可以根據(jù)公式（4）求前后排之間的距離S。 　　由于任意時(shí)刻太陽高度角與當(dāng)?shù)鼐暥?、時(shí)角、和方位角有關(guān)?？紤]到太陽系空間位置的影響，公式（4）的正確形式應(yīng)為： 　　5集熱器系統(tǒng)管路設(shè)計(jì)計(jì)算 　　一般來說，集熱器的連接方式有三種：串聯(lián)、并聯(lián)和串并聯(lián)。 　　對(duì)于強(qiáng)制循環(huán)系統(tǒng)，以上三種連接方式均可采用。集熱器并聯(lián)時(shí)，各組并聯(lián)的集熱器數(shù)應(yīng)該相同，這樣有利于各組集熱器流量的均衡。 　　通過以上方式連接起來的集熱器通常稱之為集熱器組或集熱器矩陣。一個(gè)集熱器矩陣可以組成一個(gè)熱水系統(tǒng)，也可以把多個(gè)集熱器矩陣連接起來形成更大的太陽能集熱系統(tǒng)。為保證各集熱器組的水力平衡，各集熱器組之間的連接推薦采用同程連接。當(dāng)不得不采用異程連接時(shí)，在每個(gè)集熱器組的支路上應(yīng)該增加平衡閥來調(diào)節(jié)流量平衡。 　　5.1集熱管路管道直徑計(jì)算 　　根據(jù)集熱面積和單位面積流量計(jì)算出集熱系統(tǒng)的總流量，通過不同流速試算管道截面積和直徑，根據(jù)計(jì)算出的管道直徑和其對(duì)應(yīng)的流速范圍選取合理的管道直徑。推薦的單位面積流量為0.01L/（m2·s）~0.02L/（m2·s），不同直徑管道內(nèi)冷熱水流速如表6所示。100m2太陽能集熱面積集熱系統(tǒng)管道直徑計(jì)算數(shù)值如表7所示，從表6和表7數(shù)據(jù)中我們選擇公稱直徑為mm的管道。 　　根據(jù)表7，流速＞1.2m/s時(shí)的數(shù)據(jù)都不滿足要求，流速＜0.8m/s的數(shù)據(jù)也不滿足要求，因此選擇流速為1m/s的數(shù)據(jù)，DN40或DN50的管道都滿足要求，考慮到經(jīng)濟(jì)性和便于施工我們選擇DN40管道。