太阳能热水系统的设计与应用研究

太阳能热水系统的设计与应用研究

黄奕清

陕西建工第一建设集团有限公司设计研究院  陕西西安 710000

摘要：在节能环保理念持续发展的背景之下，太阳能热水器的应用范围也更加广泛，特别是在简约建筑用热能耗等方面具有重要意义。在进行太阳能热水系统的规划设计过程中，必须要考虑到气候环境和建筑体等的影响性，使其中的集热系统能够实现更高效率的能量转换，并形成具有一定美观性的建筑热水系统建设，使热水系统的配置、设计和施工等符合应用需求。因此，以下通过针对太阳能热水系统的发展现状进行分析，同时探究该系统在设计与应用中的要点内容和应用研究。

关键词：太阳能热水系统；设计；应用

引言：

随着碳中和政策的不断推进，在许多能源应用的产业方面也在积极进行转型和优化，尽可能通过可再生能源的相互转化来减少碳排放，实现环保节能的目的。在建筑系统中的用热需求约为20%，而通过太阳能热水系统的搭建可以更好地减少不必要的热损失问题，进一步节约了建筑的总体能耗。太阳能热水系统的设计与应用受环境影响较大，在建设过程中必须要考虑到建筑和气候的差异，确保能够根据不同地区的太阳能分布情况进行合理规划，进一步优化地区能源结构。

一、太阳能热水系统的发展现状概述

在社会生活水平不断提升的过程中，各类建筑的能耗量也有明显的增加，特别是其中的热水应用占比正在逐渐增高，其产生的形式主要是依靠天然气的能源进行加热转化，在一定程度上会造成建筑总体能耗偏大的问题发生。而太阳能热水系统的搭建为建筑的热水应用提供了新思路，利用这一技术可以通过在建筑的顶层或表面增加光伏板来实现能量的吸收和转化，不仅更好地节约了化石能源，还可以更好地实现对地区能源供给结构的优化调整。太阳能系统的搭建由于不够美观，在许多一线城市的建设率不高，人均的太阳能热水系统集热面积仅为发达国家的十分之一，这不仅说明了我国仍然具备较大的太阳能热水系统建设潜力，也反映出了系统在进行设计和应用过程当中的无序性和不规范，必须要通过科学界合理的设计规划设计更好的和建筑形成一体，还能够更好地提升能量的转化效率。

二、太阳能热水系统的设计要点分析

（一）设计位置选择

从能量转换与利用的角度来看，太阳能热水系统更甚于搭建在建筑的屋顶或屋面等与光照接触更加充分的位置，但从美观性的角度考虑，还需要结合建筑的具体朝向位置进行合理优化。在建筑容积率较低的区域内，可通过分布式建设的方式确保每一户的热水供给，在建筑的南向位置处进行太阳能热水器的建设，可以达到更加统一的效果。但从目前的建筑开发与设计来看，过低的容积率不利于提升开发商的经济效益，而为了满足太阳能热水器的日均光照时间达到四小时以上，在进行设计规划时可通过增加集热面积的方式来保障热水器的基本运行，避免系统热利用率偏低[1]。另外，在一些高层住宅的中下楼层区域内由于光照面积较小、光照时长短的问题，在进行设计时可通过调整系统管路分布的方式予以优化，即在高层建筑内采用集中式太阳能热水供应的模式来进行布设。

（二）集热面积计算

为有效满足用户对热水的基本需求，在规划设计的过程中必须要合理计算集热面积，并充分考虑到太阳能资源的转化效率等方面的影响，有效提升热水系统的供应水平。首先，设计人员需要按照住户人数和用水量来确定太阳能热水系统当中的水箱容积，每人每天用热水标准为50升/人·天（60℃），常见的三口之家最高日热水用水量为150L/d。其次，在集热面积的计算过程当中，需要考虑到日用水量、冷热水升温温差、水的比热容、太阳能辐射量和转换效率等因素的影响，可以按照公式进行设计[2]。最后，根据不同地区、季节的差异和热水存储过程中的散失等问题，需要引入误差量来矫正太阳能热水系统的集热面积，一般误差参数可设置为20%。

（三）集热器的设置

集热器是太阳能热水器系统当中最为关键的能量转换装置之一，按照其循环的流向形式差异可以分为三类，设计人员需要结合实际需要进行灵活选择。首先，自然循环装置是指由于水在不同温度之下的密度存在一定差异，在水箱内会自然而然的形成一种对流从而产生介质的能量交换，可以实现水箱内水体的循环加热和热水的持续性流出，一般会将热水的接头置于水箱的顶部位置。其次，直流式的集成器主要是通过一次性加热来实现热水的供应，在这个过程当中热水只会经过一次加热和导出，但由于水箱总容量一定，单次所能供应的热水总量也有限。最后，强迫循环的集热器是指在其内部增加了额外的动力系统用于实现内部的水体循环流动，这个过程当中由于增加了内部的元件结构，也实现热水的辅助性循环加热功能。

（四）系统管路设计

根据建筑结构和范围等方面的限制再进行太阳能热水器的内部管路铺设过程当中也存在一定的设计差异，特别是分散式与集成式太阳能热水系统当中的管路建设有很大区别。首先，分散式热水器主要是按照各户的热水应用差异形成的单独的热水器供应，在其管路系统当中包括了基础的水箱、集热器和一些支架管路结构，在这个热水系统当中能够实现自我的水体介质循环功能

[3]。其次，集成式的太阳能热水系统可以更好的适用于一些居住分布较为紧密的建筑，通过将集热器进行并联来实现统一的热能供应，进行管路的设计，过程当中必须要注意将原有的水管口径进行扩大，尽量少使用弯管，使水体的循环和排放更加顺畅。这种集成式的太阳能热水系统在安装时更加简便，由于管理维护较为麻烦、容易出现管道的气堵问题，要在前期设计时做好优化处理，并减少管前冷水部分的浪费问题。

三、太阳能热水系统的应用要点分析

在进行太阳能热水系统的实际安装应用过程中，需要提前做好集热器的朝向、倾角的调整工作，一般需要按照受太阳辐射更大的南向进行摆放，并充分考虑到不同地区的纬度变化等带来的影响性，必要时还可以按照季节对其进行调整。集热器的连接形式分并、串联两种，分别按照其数量的多少进行对应选择，更有利于减少集热的阻力作用，并通过两次系统性换水来提升热水供应的质量。为防止在部分地区顶楼进行热水系统安装时受到风力震动带来的影响，在应用过程中需要使用混凝土、角钢等进行基座的固定连接，使其应用更加稳定安全[4]。针对一些楼户分布密集的区域，楼顶部分的热水系统数量也较多，但是每个集热器的光照投影面积有一定的要求，必须要对其摆放的间距进行有效控制，一般需要参考集热器的高度和间距进行灵活调整，避免出现相互遮挡影响其受照时长。

四、结束语

在进行太阳能热水系统的设计过程当中，必须要对其安装应用的环境进行全面考察，确保系统的设计位置选择更加科学合理。在进行热水系统的集热面积计算时可结合系统的用水量等进行规划，要求在控制集热板材面积的同时使其能够提供足量的热水，兼顾美观性与实用性。集热器的类型选择与建筑体的分布之间有密切的联系，可根据其数量多少分别选用并、串联的形式进行连接，并在集热器间距设计中考虑到地区光照角度差异的影响，使系统热转换效率更高。

参考文献：

[1]]王丽,杨修.浅谈山水城市中的太阳能热水系统与建筑一体化设计[J].中国住宅设施,2022(06):41-43.

[2]徐静.太阳能热水系统在建筑给排水设计中的应用和探析[J].大众标准化,2022(03):58-60.

[3]骆燕文,蒙泳君,等.基于气象数据的家用太阳能热水系统利用优化方法研究[J].热科学与技术,2021,20(03):254-262.

[4]康宏,刘孝敏,等.清洁采暖及太阳能热水系统工程在寒冷地区的应用研究[J].节能,2020,39(10):70-72.