太阳能热水系统设计思路（集中式太阳能热水系统设计应用手册）

多层住宅常用的太阳能热水系统：

1、分散（整体式）开式太阳能热水系统（内置电辅热）

特点：集热板放置在屋面，集热水箱标高高于集热板。

设计应注意：

⑴用水点水压不平衡的问题；

⑵最高层用户热水水压小于0.05MPa的问题；

⑶太阳能集热水箱的进出水管可以用同一根管。

2、分散（整体式）、闭式太阳能热水系统

特点：集热板放置在屋面或阳台，热水箱标高可高于或低于集热板放置，可内置电辅热或外置燃气热水器辅热。

设计应注意：

⑴热水箱的进水管和出水管应分开设置。

⑵当集热板放置在阳台时，集热板应有防止坠落伤人的安全措施；并需复核底层用户集热板的日照时数是否小于4小时（住宅的建筑间距系按日照不小于2小时确定）。

高层住宅常用的太阳能热水系统：

1、集中（集中集热、分散储热）闭式太阳能热水系统

特点：集热板放置在屋面，与户内的储热水箱间接换热。户内的储热水箱可内置电热水器，见图1。户内的储热水箱也可外置燃气热水器见图2。

设计应注意：

⑴集热板与户内的储热水箱热交换的循环管应同程布置。

⑵循环水泵的用电单独计量，循环水泵的运行费用可与电梯的运行费用合并计算，太阳能热水系统不另行向用户收费。

2、集中（集中集热、集中储热）闭式太阳能热水系统

特点：集热板和储热水箱放置在屋面，储热水箱为闭式。户内设热水器辅热，见图3。

设计应注意：

⑴储热水箱由高区冷水管供水；

⑵每户的冷水和热水进户管均设水表计量，集热循环水泵和热水系统回水泵的用电单独计量，其运行费用可与电梯的运行费用合并计算，太阳能热水系统不另行向用户收费。

⑶由于低区冷水和热水不同源，故低区应有解决用水点水压不平衡的措施（低区热水支管上设减压阀）。

3、分散（整体式）闭式太阳能热水系统

特点：集热板放置在阳台，热水箱标高可高于或低于集热板放置，可内置电辅热或外置燃气热水器辅热。

设计应注意：集热板应有防止坠落伤人的安全措施；并需复核底层用户集热板的日照时数是否小于4小时（住宅的建筑间距系按日照不小于2小时确定）。

公共建筑常用的太阳能热水系统：

1、集中开式太阳能热水系统

特点：集热板、集热、储热水箱放置在屋面，集热、储热水箱为开式。见图4。

设计应注意：热水变频增压泵的扬程应满足用水点冷热水水压平衡的要求。

2、集中闭式太阳能热水系统

特点：集热板、集热水箱放置在屋面，集热水箱为闭式。见图5。

设计应注意：热水系统的膨胀罐宜设在屋顶，可减少膨胀罐的容积。计算膨胀罐的容积时，系统水容积应包括闭式储热水箱的容积。

游泳池池水加热常用的太阳能热水系统：

特点：集热板放置在屋面，为间接加热。见图6。

设计应注意：

1、按平时运行耗热量计算集热板数量。初次池水加热供热量不足部分，由辅助热源供给，以节省投资；

2、池水加热不能采用直接加热；

3、板式换热器宜采用通水侧水头损失不大2m的产品，且板式换热器的材质宜选用316L。

集中热水系统设计思路及案例介绍：

设计小时耗热量：

设计小时耗热量：热水供应系统中用水设备、器具最大时段内的小时耗热量。

-《建筑给水排水设计规范》GB50015-2003(2009年版) 2.1.87

相关概念：设计小时热水量、平均小时耗热量、热水系统的小时变化系数。

全日热水供应系统与定时热水供应系统：

在全日、工作班或营业时间内不间断供应热水的系统为全日热水供应系统；在全日、工作班或营业时间内某一时段供应热水的系统为定时热水供应系统。

—《建筑给水排水设计规范》2.1.79A、2.1.79B

供热量与贮热量：

设计小时供热量：热水供应系统中加热设备最大时段内的小时产热量。—《建筑给水排水设计规范》2.1. 87A

贮热量：由水加热器、贮热设备储存的热水折算出的热量。

折算方式：贮热量=贮热水体积×热水密度×温差×比热。采用容积式水加热器时，耗热量、供热量和贮热量之间的关系为：供热量=耗热量-贮热量/T。

贮热量的调节作用：

1）调节供热量与最大小时耗热量的差值（容积式加热器）；

2）调节供热量与设计秒耗热量之间的差值（半容积式热水器）；

3）当系统无贮热量时（即热式、半即热式）：

热源应满足设计秒耗热量的需求；

有可靠灵敏的温度控制装置；

传热系数：

传热系数K：在特定工况（流速、流态、换热界面材质等）下，表面式水加热器单位面积上传递热量的能力。该数值反映水加热器的工作效率。

传热系数≠导热系数，材质一定条件下，导热系数是定值，传热系数是变值；实际换热器的传热系数要通过实验测定。

影响传热系数的因素：1/K=1/α1 δ/λ 1/α2

α1-热媒向换热管内壁的对流传热系数，正比于热媒流速的0.8次方；

α2-换热管外壁向被加热水的对流传热系数，正比于被加热水流速的0.8次方；

δ-换热管壁厚、锈蚀和水垢的总厚度；

λ-热管壁、锈蚀和水垢的导热系数；

提高传热系数K的措施：

1）增大热媒与被加热水的流速，增加湍流程度，从而提高对流传热系数；

2）选用合适的加热器材质，控制锈蚀、结垢的情况；

系统组件：

加热设备：

加热设备的分类：直接加热、间接加热

直接加热：热水炉、热水器、加热水箱……

间接加热：水-水、汽-水热交换器（容积式、半容积式、半即热式、即热式等）……

贮热设备：开式（水箱）、闭式（水罐）；贮热、贮热 加热（容积式加热器）。

水加热器的选用要求：

热效率高，节材、节能、节地；

热水侧阻力小（规范建议小于0.01MPa），有利于冷热水压力平衡；可靠、安全、易检修。

贮热设备的选用要求：

有效贮热容积系数大，低温区、滞水区少；

温控系统可靠，出水温度稳定。

不同水加热器的构造特点：

U型管换热器及其发展：

其他形式的换热器：

常见水加热器性能对比：

板式换热器 储水罐的形式与导流型容积式水加热器的比较：

输水至加热器和用水点：

1）热水管道管材选用的要求：耐热耐腐蚀；

连接方便可靠；（机械连接、焊接、熔接、粘接）

符合饮用水卫生标准；

2）常用的管材

金属管：薄壁铜管、薄壁不锈钢管；（机械连接或焊接）

塑料管：PP-R，PB、PEX；（熔接）PVC-C（粘接）

复合管：衬塑钢管（内衬PP-R、PEX、PVC-C，机械连接）、铝塑复合管（内外覆PP-R、PEX，机械连接、熔接）；

3）管道布置要求

冷热水管道水力同程，主要回水点回水管道水力同程；

合理设置活动支架、固定支架和伸缩节，避免温度变化产生的形变与压力破坏管道；（尤其是塑料管道）

选择合理的保温材料和合理的保温层厚度；（节能、节材、省空间）

通过强制流动保持管道内的水温：

1）循环泵流量的确定

A）系统保温：补充系统的热损失：

B）初次加热：在15~30min内将管网内所有的水送回加热设备：

2）循环泵扬程的确定

克服循环水量经过供回水管网的水头损失：Hb=hp hx

由于计算过程复杂，实际工程中可按以下方式计算：

Hb=1.1×[R(L L’) H2]

R—单位长度水头损失，可取0.1~0.15kPa/m。

L—自水加热器至最不利点的供水管长；

L’—自回水管最不利点至水加热器的回水管长；

H2—水加热器的水头损失。

其他组件：

1）闭式膨胀罐、安全阀和膨胀管——防止热水系统受热后压力过高。

A）闭式膨胀罐

适用条件：日热水用水量大于30m3的闭式系统；

总容积计算公式：

Ve-膨胀罐总容积；

ρf-加热前水的密度，24小时供热取回水温度，非24小时供热取冷水温度；

ρr-加热后水的密度；

P1-膨胀罐处的管内压力 0.1MPa；

P2-膨胀罐最大允许压力，取1.10P1；

Vs-系统内热水的总容积；

根据以上条件化简后得：

B）安全阀

适用条件：日热水用水量小于等于30m3的闭式系统；

注意事项：

需引至安全处排放；

压力可设定为热水系统工作压力的1.1倍；

C）膨胀管

工作原理：利用在特定高度排放介质泄压、定压；

适用条件：有高位非引用水水箱；

注意事项：设置高度既不得过高（超压），也不得过低（损水）；

2）排气阀、泄水阀-保证系统运行顺畅，检修方便

设置要求：高处排气、低处泄水；有条件时优先利用配水点。

3）温控阀-控制水加热器出水温度稳定

自力式温控阀：精度低，可靠性差，价格低；

电动式温控阀：精度高，可靠性好，价格高；

安装位置：热媒管道上。

设计思路：

使用需求分析：

1）供热范围：

注意是否有用水量较大的场所；

注意是否有定时供热或用户对供热时段有特殊需求的场所；

类似的场所包括浴室、洗衣房、厨房等，这些场所宜独立设置热水管网或加热设备。

2）用水行为特点：

用水行为可以简单分为用水疏散型和用水密集型两种：

前者包括大部分使用全日热水供应系统的场所（酒店、办公、住宅等）；后者包括所有使用定时热水供应系统场所和部分使用全日热水供应系统（幼儿园等）的场所。

前者的用水不均匀性小于后者；

计算耗热量时，前者使用人员定额（《建水规》5.3.1-1），后者使用器具定额（《建水规》5.3.1-2）

3）供热温度：

安全：用水点温度不宜过高，防止烫伤，尤其是使用人员自我保护能力不强的场所，如幼儿园、养老院、精神病院、监狱等；

卫生：水加热器处温度不宜过低，防止军团菌滋生。（军团菌适宜的生长温度为20~50℃）

节能：当使用可再生能源或热源品位较低时，在符合安全卫生的前提下，选择合适的热水温度，减少换热环节的热损失，减少二次加热能源的消耗；

防垢：水加热器处温度不宜过高，温度越高，结垢情况越严重。

综上所述，适宜的热水温度为55~60℃；当采取合适的消毒灭菌措施时，也可降低至满足用水点温度。

4）舒适度要求

包括热水的流量、压力、温度调节、响应时间等。

热源条件分析：

1）可再生能源和“免费”热（废热、余热）使用的政策要求和综合效益；

常见的可再生能源：太阳能、水源热（地下水、地表水、污水）、空气源热；

常见的“免费”热：制冷机组余热、工业废热；

2）常规热源的可靠性与经济性

在有供应有保证的条件下，选择顺序为：

市政热力管网—燃气（油）热水机组—电热水设备。

耗热量计算：

1）用水疏散型：

Kh—小时变化系数；m—用水计算单位数；

qr—热水用水定额；tr—热水温度；

tl—计算冷水温度；（如不是按最不利工况考虑，则应根据设计保证季节的实际情况取值）

C—水的比热；ρr—热水密度；T—每日使用时间。

2）用水密集型：

qh—卫生器具的小时热水定额；tr—热水温度；

tl—计算冷水温度； n0—卫生器具数量；

b—同时用水百分比；C—水的比热；

ρr—热水密度；T—每日使用时间。

3）综合计算

具有多种热水使用场所的建筑使用同一热源时，应按同时用水高峰时段场所的设计小时耗热量加上其余场所的平均小时耗热量作为总的设计小时耗热量；

有必要时，应当逐时计算；如果部分场所在其余场所供热时处于非供热时段，则应扣除该部分耗热量。

4）系统设计

确定合理的供热时间（全日、定时）、系统配置（分散、合并）、供热温度、热源；

根据用水要求，选择合适的供水方式（开式、闭式）、循环方式（全循环、部分循环）；

选用合适的加（贮）热设备；

选用合适的循环设备；选择系统附件；

布置主要设备机房：

机房的进排风、排水、噪声对贴邻房间和周围环境产生的影响应仔细考虑；

机房的布置应充分考虑检修的需求，尤其是加热盘管的维修更换。合理布置管网。

案例介绍：

项目概况：

某一类高层综合楼项目位于浙江省嘉兴市，地下一层为为停车库和设备用房，1~3层为商业，4层为酒店大堂，设备层~20层为酒店式公寓。

使用需求分析：

该项目内有集中热水供应需求的场所为公寓内的卫生间，没有其他用水量较大或供热需求特殊的场所。

该项目的为用水疏散型的场所，供热时间为全天24小时；

由于无特殊需求，水加热器出口温度拟设定为60℃；

用户对热水供应的压力、流量、温度调节和响应时间无特别要求，因此均按规范推荐数值选用。

热源条件分析：

根据当地气象情况和政策规定，可再生能源与废热、余热利用条件均不具备；

项目所在地周边市政道路能够提供可靠的燃气和电力接入。

耗热量计算：

Kh—小时变化系数；

m—用水计算单位数；

qr—热水用水定额，90L/床•d；

tr—热水温度，60℃；

tl—计算冷水温度，嘉兴地区取5℃；

C—水的比热，4187J/kg•℃；

ρr—热水密度，60℃的热水密度为0.983kg/L；

T—每日使用时间，24h，86400s；

根据压力控制要求，系统竖向分3个区：4~8层为Ⅰ区，9~14层为Ⅱ区，15~20层为Ⅲ区。

各区耗热量计算如下：

系统设计：

1）供热时间、热源、系统配置、供热温度：

酒店式公寓热水采用集中式全日制供热系统；

采用常压燃气锅炉制备高温热水（95℃ /75℃）作为热媒制备生活热水；

各区分别设置热交换器，热交换器出口温度设定为60℃；

2）供水方式和循环方式：

为保证冷热水压力平衡，采用闭式热水供应系统，热交换器使用半容积式水-水热交换器；

为保证用水点温度设置机械干管循环系统。

3）加热设备选型:

以Ⅰ区为例：

计算换热器加热面积：

Fjr—表面式水加热器的加热面积，m2；

Cr—热损失系数，取1.1；

Qz—需制备的热量，177953W

ε—不均匀系数，取0.8；

K—传热系数，半容积式换热器，取950W/m2•℃；

Δtj—计算温差，

选用换热器：

据此选用HRV-02-1.2(1.6/0.6)型半容积式换热器2台

单台换热器：V=1.17m3，Frj=3.6m2，Φ=900mm，H=2348mm，运行重量1914kg。

校核贮热量：

按储存20min设计小时耗热量计，需储存的热水水量（60℃）：

现实际储存2.34m3的60℃热水，满足要求。

同样方式为Ⅱ区、Ⅲ区各选用：

HRV-02-1.2(1.6/0.6)型半容积式换热器2台，单台换热器：V=1.17m3，Frj=3.6m2，Φ=900mm，H=2348mm，运行重量1914kg。

4）循环泵选型

以Ⅰ区为例：水泵流量

qb≥qx=1557L/h=1.56m3/h

qx—全日供应热水的循环流量，L/h；

Qs—配水管道的热损失，取设计小时耗热量的5%；

Δt—配水管道的热水温度差，取5℃。

ρr—热水密度，60℃的热水密度为0.983kg/L；

水泵扬程

Hb=1.1×[R(L L’) H2]= 1.1×[0.10×(100 100) 0]=22.0kPa=2.2m

R—单位长度水头损失，R=0.1~0.15kPa/m，本工程取0.10kPa/m。

L—自水加热器至最不利点的供水管长，100m；

L’—自回水管最不利点至水加热器的回水管长，100m；

H2—水加热器的水头损失，可忽略不计。

设备选型：

据此选用TP32-60/2型循环泵2台（一用一备），单台水泵Q=3.0m3/h，H=5.0m，N=250W。

同样方式为Ⅱ区、Ⅲ区各选用：

TP32-60/2型循环泵2台（一用一备），单台水泵Q=3.0m3/h，H=5.0m，N=250W。

5）闭式膨胀罐选型

以Ⅰ区为例：

Ve—膨胀罐总容积，L；

ρf—加热前水的密度，全日制供热，按40℃的热水密度0.992kg/L取值；

ρr—加热后水的密度，60℃的热水密度为0.983kg/L；

P1—膨胀罐处的管内压力，MPa；

P2—膨胀罐最大允许压力，取1.10P1，MPa；

Vs—系统内热水的总容积，约3000L；

据此选用OT-400H闭式膨胀罐一个，Φ750mm×H1998mm，V=414L。

同样方式为Ⅱ区、Ⅲ区各选用：

OT-400H闭式膨胀罐一个，Φ750mm×H1998mm，V=414L。

6）布置主要设备机房

7）管网设计

8）其他

固定支架的设置应在图中表达：热水管固定支架间距的确定应根据管线热涨量、膨胀节允许补偿量等确定。固定支架宜设置在变径、分支、接口及穿越承重墙、楼板的两侧等处；

热媒管系统设计（热媒配管、集分水器等）应根据热媒耗量计算后确定。

集中集热分户储热太阳能热水系统：

系统组成：太阳能集热器、缓冲水箱、户内蓄热水箱、水泵、管路、管件及其控制系统等。

集中供热水方式：在屋面安装太阳能集热器，在住户户内安装蓄热水箱，蓄热水箱内置换热盘管，热媒通过水箱内的换热盘管将太阳能的热量交换给户内的蓄热水箱，加热蓄热水箱的冷水，供给住户生活热水。当太阳能因天气原因不能满足住户用热水水温要求时，各户根据情况启动蓄热水箱内的电加热，满足住户用热水要求。

集中集热分户储热太阳能热水系统运行原理：

集热器用来吸收太阳的热量，将集热器中的水加热。当集热器里水的温度大于集热供水管水的温度设定值时，水泵开启，集热器与立管进行循环。当蓄热水箱水的温度小于集热循环回水立管温度设定值时，电磁阀打开，循环立管与户内蓄热水箱进行换热，集热循环回水立管温度低于蓄热水箱温度时，循环停止。当户内蓄热水箱中的电加热开启时，电磁阀关闭不与循环立管进行换热。如因长期没有用水点时，立管中的水变冷，此时，电磁阀开启，立管中相对低温的水流回集热器被重新加热。

设计计算：

一、#楼热水量确定

二、太阳集热器总面积（组数）的确定

一般来说，全年使用的太阳能热水系统在计算时采用全年平均气象参数，侧重于春、夏、秋季使用的太阳能热水系统，在计算式采用春分或秋分所在月的月平均气象参数，侧重于冬季使用的太阳能热水系统在计算时采用12月的月平均气象参数,直接式太阳能热水系统的集热器总面积可根据系统的日平均用水量和用水温度确定。集热器荷载为80Kg/㎡。直接式系统太阳集热器总面积可按下公式计算：

式中：Ac—直接式系统集热器总面积，㎡；

Qw—日平均用水量，Kg；

C—水的定压比热容，4.187KJ/(Kg·℃)；

tend—贮热水箱内水的终止设计温度，℃；

ti—水的初始温度，℃；

JT—当地集热器采光面上的年平均日太阳辐照量，KJ/㎡；

f—太阳能保证率，%；根据系统使用期内的太阳辐照、系统经济性 及用户要求等因素综合考虑后确定，宜为30%～80%，一般采用60%；

ηcd—集热器的年平均集热效率;根据经验取值宜为0.25～0.50，具体取值应根据集热器产品的实际测试结果而定；

ηL—贮水箱和管路的热损失率;根据经验取值宜为0.20～0.30。

得出：Ac= m²。

太阳能系统主要设备：

平板型太阳集热器由盖板、集管、太阳集热板芯条、保温层、边框、背板等部分组成。

平板集热器安装方法：

横排联集管集热器：

集热器基础做法：

管路保温做法：

太阳能恒温供水系统集热器支架示意图：

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