集中式太阳能热水系统设计工程简介

集中式太阳能热水系统设计工程简介

林楚松

广东新广厦建筑设计院有限公司广州分公司

摘要：近年来，我国利用太阳能制备生活热水的趋势逐步加快，越来越多的太阳能热水系统得到开发利用。太阳能热水系统即利用太阳能转化成热能，将水从低温加热到高温。太阳能热水系统通常由集热器、保温蓄水箱、连接管道、控制系统及相关配件组成，把太阳能转化能热能主要依靠集热器。在水温达不到使用要求时，通过辅助加热设备对水进行加热，达到使用要求。太阳能是可再生能环保能源，合理利用太阳能，使之与建筑完美结合，可达到节能环保的效果。本文将结合太阳能集中式热水供应系统工程实例，就集中太阳能热水系统在建筑给排水设计运用做简单介绍。

关键词：太阳能热水系统；集热器；热水供水方式；

工程是株洲市龙示范区某学校项目一期工程，总用地面积66801.98m2，总建筑面积总用地面积46835.96m2，一期工程包括：一栋地上4层教学楼（建筑高度17.45m），一栋地上5层学生宿舍楼（建筑高度19.4m），一栋地上3层食堂（建筑高度13.8m），一栋地上4层科技艺术楼（建筑高度21.45m），本工程在2#学生食堂、3#学生宿舍设置了机械循环集中热水系统，热源采用太阳能+空气源热泵辅热系统，热水贮水箱设于各单体屋顶；热水系统均采用开式系统。

一.选型原则

本系统选择太阳能集热器与空气源热泵组合为学院食堂及宿舍楼等提供生活热水。太阳能集热器产品主要是通过吸收太阳光照及辐射能量而产生热量对冷水进行加温，日照强度、时间以及环境温度对太阳能产品的制热效果有着十分重要的影响。该地区在5~11月份期间太阳日照时间相对较长，冷水温度较高，加热所需热量较少，因此在此期间太阳能加温热水效果较好，效率高，是理想的加热产品，此时太阳能产水量可按80L/m2计算。而本地区在1~4月份和12月份期间，是一年中气温较低的时间段，阴雨天也占有相当多的一部分时间，因此在此期间，太阳能产品在实际效果很差，利用率低，效率低，主要是通过辅助加热设备而对冷水进行加温。为提高太阳能使用效率，节省投资；本项目以在5~11月份期间太阳能集热器工作能力选型。

热泵设备供热系统即是蓄热供水方式，通过水箱储存每天所需的大部分水量后，利用热泵工作一段时间对冷水进行加热，再供系统使用，所以根据热泵的特性，在年最低气温下，最不利情况下，设备每天工作时间不超过16h即可加热系统所需热量的配置比较合理，（热泵机组每天的工作时间与环境温度高低有关，温度越高，机组的制热量就越高，同时冷水温度也越高）。

因此根据两者的特点及当地的实际气候、工程情况，并以经济性的角度考虑，热泵+太阳能热水系统需根据不同季节需确定主、辅加热的角色，即在太阳能产热效果理想的季节即5~11月份以太阳能供热为主，热泵为辅助；在太阳能效果较差的季节即1~4月份和12月份以热泵为主，太阳能加热为辅，这样即可以达到理想的节能效果，又可以达到合理的减少经济投资。

1.空气源热泵设备选型：

1.1、2#学院食堂设计小时热负荷为：35.03kw/h

热水空气源热泵选型：本工程需选择3台“空气源热泵热水机组（5P）”；

空气源工况总小时输出功率：12.83kw/h×3台=38.49kw/h＞35.03kw/h选型符合要求。

注：热泵热水机组（5P）在环境温度5℃，制热量为12.83kw/h；

1.2、3#学院宿舍设计小时热负荷为：262.17kw/h

热水空气源热泵选型：本工程需选择5台“空气源热泵热水机组（24P）”；

空气源工况总小时输出功率：57.22kw/h×5台=286.10kw/h＞262.17kw/h选型符合要求。

注：热泵热水机组（24P）在环境温度5℃，制热量为57.22kw/h；

2.接热泵保温水箱的选型

热泵水箱计算公式——（2#学院食堂）

式中：——设计小时耗热量（KW/h）；——设计小时供热量（KW/h）；

——贮热水箱（罐）总容积（L）；——设计小时耗热量持续时间（h）；

——热水温度，——冷水温度，；

——有效贮热容积系数，贮热水箱、卧式贮热水罐，

立式贮热水罐；

——安全系数，；

即：2#学院食堂配置一个容积为7m³（Φ2000mm×H2500mm）的接热泵保温水箱。

热泵机组的技术参数

注：空气源工况：按环境温度20℃计，水温由10℃加热至55℃计；

3.太阳能集热器安装面积选型

3.1、2#学院食堂太阳能安装面积：

S=M总&pide;80L/m2=9900L&pide;80L/m2=124m2，据产水量计算，屋面需安装124㎡太阳能集热器；

3.2、3#学院宿舍太阳能安装面积：

S=M总&pide;80L/m2=74100L&pide;80L/m2=926m2，据产水量计算，屋面需安装926㎡太阳能集热器；

4.太阳能保温水箱的选型

4.1、2#学院食堂太阳能保温水箱容积：

此处太阳能循环保温水箱起到预热及缓冲作用，则按接热泵同等容积的保温水箱即可；

因此，选择1个7m³（Φ2100mm×H2500mm）圆形开式保温水箱即可满足系统。

4.2、3#学院宿舍太阳能保温水箱容积：

此处为定时供热水系统，则太阳能与热泵共同加热保温水箱，需配置的水箱容积量为74m3；

因此，选择2个37m³（4M×4M×H2.5M）方形开式保温水箱即可满足系统。

注：太阳能产热效果理想的季节即5~11月份以太阳能供热为主，而在这段时间使用热水量比较少，在此段时间内可以利用热水储水箱，所以按太阳能集热器实际总产水量的计算。

二.太阳能热水系统的应用介绍

1.太阳能系统控制

太阳能系统根据储热水箱水位、水温情况，自动以温差循环方式工作：温差循环时，通过储热水箱下部水温与集热器阵列末端出口水温温差由微电脑温差控制器控制温差循环泵工作。当温差较大时（△T≥3℃～5℃），温差循环泵启动，储热水箱的水在集热器与储热水箱之间循环；当温差较小（△T≤1℃～2℃）时，温差循环泵停止工作。如此反复，按照以上方式工作，在日照正常情况下，储热水箱的水经过一定时间加热即可达到设定的55℃热水使用温度。

2.空气热泵辅助加热控制

空气热泵机组辅助加热受储热水箱中的水温、水位和设定的时间段控制{如：（9：30，25℃），（11：30，35℃），（13：30，45℃），（15：30，55℃）}。如果储热水箱中的水温达不到设定时间段的温度，热泵机组和热泵循环泵就按照定温方式来进行辅助加热，储热水箱中的水在空气热泵机组和水箱之间循环加热，直至达到设定的温度时，空气热泵机组和热泵循环泵停止工作。当储热水箱中的水经过太阳能系统温差强制循环后达到设定的温度，空气热泵机组和热泵循环泵就无需启动进行辅助加热。如此反复，确保系统可靠的热水供应。

3.供热水及回水控制

系统采取电动蝶阀控制定时供应热水，。为确保各个出水点的热水质量，保证用热水点即开即用，减少低温水的浪费，系统配置定温回水系统一套，当设置在管网末端的温度探头低于设定温度（如T≤45℃）时，回水泵启动，直至设置在管网末端的温度探头高于设定温度（如T≥50℃）时，回水泵停止工作。用户可根据自己实际调整各控制参数，另外，系统对空气热泵机组、水箱及水泵等还设有相应缺水、超温、缺相、防漏电等安全保护装置及防雷电措施，完全按设定要求全自动工作，运行安全可靠，无须专人管理。

太阳能—热泵加热中央供热水系统原理图

太阳能热水系统在建筑工程中的应用已成为重要发展趋势，合理、有效地利用太阳能技术已成为不可改变的大趋势。随着科技的发展以及建筑设计师的努力，建筑太阳能热水系统及技术将不断完善和成熟，太阳能热水系统将在建筑住宅中得到进一步推广。