太阳能集中热水供应系统的合理设计探讨
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【摘要】作为一种新能源，太阳能是一种清洁无污染的可再生能源。合理选择设计计算参数，太阳能集热系统，集热器产品及配套设备、附件，系统规模，防过热、防冻等措施，以及与建筑等专业的密切配合、精心安装施工，是一个成功的太阳能集中热水供应系统的重要保证。对上述内容进行详细介绍，供设计参考。
【关键词】太阳能 ， 热水供应系统 ，设计
【 abstract 】 as a kind of new energy, solar energy is a clean clean renewable energy. The reasonable selection of design parameters, solar system, collectors and complete equipment and accessories products, the large scale of the system, the overheating and protection measures, as well as with construction and other professional's close cooperation, carefully install the construction, is a successful solar hot water supply system on the important guarantee. On the above content is introduced, and the design for reference.
【 key words 】 solar, water supply system, design
中图分类号：TK51文献标识码：A文章编号：
前言
随着我国经济的迅猛发展。也带动了太阳能工业的需求，对太阳能技术的研究也日趋成熟。太阳能集热器是太阳热水系统的关键部位，大部分的太阳能厂家的研究着重于集热器的研究，而设计院在设计时则将太阳能这一块完全甩项至太阳能厂家，导致太阳能管路系统成为太阳能热水系统中的短板。
一、太阳能热水系统简介
1、太阳能热水系统主要由以下四部分组成，见图1.
图1 太阳能热水系统的组成
(1)集热器
主要由集热管和联集器组成。根据其形式特点及使用范围，分为池式、袋式、筒式、管板式、真空管式及热管真空管式，其中真空管式应用最广泛。集热器间可以并联、串联或混联。整个集热器固定在平屋顶的混凝土基础上。
(2)集热水箱
集热水箱是储存热水的蓄热设备，以保证热水供应的稳定。其要求与普通热水箱基本相同，并根据不同地区采用不同的保温处理。集热水箱根据系统要求设置于平屋顶上。
(3)连接管道
连接集热器与集热水箱以便形成一个完整的循环系统管道布置分为等程式。连接管道应根据不同地区采用不同的保温处理。
(4)辅助部件
太阳能热水系统的辅助部件包括水位计、温控仪表阀门、过滤器、循环水泵及辅助加热器等，应根据不同情况选用。
2、工作原理
真空集热管接受太阳辐射，将收集的太阳辐射能转换成热能，逐渐加热真空管和集热器内的水。当集热器内水温达到设定温度时，通过温度传感器、温度控制器及电磁阀、循环水泵等设备，将集热器内的热水输送到集热水箱储存，同时自动补进冷水。通过对集热水箱，管道及阀门采取保温措施，集热水箱中的高温水即可供用户使用。
二、太阳能系统形式的选择
太阳能热水系统分为集中供热水系统和分散供热水系统（即家用太阳能热水器）。集中供热水系统多用于宾馆、饭店、洗浴等公共建筑，家用太阳能热水器多用于住宅。目前太阳能热水器的节能性已经得到认可，但是要做到太阳能集热器与建筑外观的相互协调，必须逐步取消每户单独安装太阳能热水器的传统做法，代之以在每栋建筑上安装综合大型的太阳能集热器，统一向各户供应热水，这样有占地少，节约投资，故障率低，提高设备利用率、有利于水温和水压平衡的优点，更重要的是能较好的与建筑结合起来，这也是太阳能热水系统应用的高级阶段，需要在建筑设计前期就应充分考虑可行的设计方案，使太阳能热水系统与之同步设计，同步施工、验收。同时带来的太阳能管理、计量等问题也需要在选用太阳能形式时综合考虑。另外从设备利用率、水压平衡等方面看太阳能集中热水供应系统也不宜太大，对于大的小区，如果要采用太阳能集中热水供应系统，最好以单栋或者相邻几栋为一个小的循环系统是合理的。
1、加热形式的选择
太阳能集中热水供应系统有直接加热和间接加热两种形式。直接加热指冷水直接通过集热器加热为所需热水；间接加热指利用集热器制备热媒水换热冷水的加热方式。两种方式各有优缺点，直接加热效率较高但容易结垢，间接加热有利于集热器防垢，延长使用寿命。间接加热比直接加热系统的集热面积2%左右，但是间接加热的集热水箱小于直接加热系统。对于较大型的太阳能热水系统宜采用间接加热形式。
2、换热、储热设备的选择
间接加热系统需要采用换热设备。太阳能需要循环多次才能将冷水加热到所需温度，换热过程中热媒与被加热水的温差很小，如果采用常规容积式、半容积式等换热器必须配备大容积储热设备不经济，对于太阳能集热系统适宜采用快速换热器。太阳能的储热设备一般采用水箱。利用水箱储热的缺点是，系统为开式系统，冷水的压力不能利用，供热系统需要另设热水加压泵，不利于冷热水水压平衡。优点是施工方便，占地面积小，投资也相对少。
1、热水系统的水温设定
(1)从灭菌方面看，军团菌可能存活于储水式的集中热水供应系统中，水温越高，越容易杀死军团菌。据有关资料介绍：水温约35℃时，军团菌容易存活；约50℃时，2小时内绝大部分的军团菌死亡；水温在60℃时，2分钟内绝大部分军团菌死亡；约70℃时，军团菌立即死亡。可见，储水式的集中热水供应系统需较高的储水水温。
(2)从使用安全角度看，据有关资料介绍：70℃的水温在1 s内即可造成局部烫伤，60℃的水温7 s内造成局部烫伤，55℃热水造成局部烫伤的时间约为20 s。而居民家中小孩、老人对热水使用的安全性要求更高，故用户端的出水水温不宜过高。
(3)从居民的用水习惯看，人们洗浴及厨房用水的水温一般不会超过40℃，如集中热水供应的水温为50℃，则比供应60℃的热水更易调节至40℃以下的适宜水温，从而减少因调节水温时所浪费的水量，更符合居民的需求。
(4)从节能角度看，目前作热水器使用的太阳能集热器及常用作辅助设备的空气源热泵热水器，其产出50℃以下的热水时热效率较高。而集中热水系统供水温度较低时，因热水管网等系统散热所损耗的能量将更少。
基于上述卫生、安全、舒适、节能方面的综合考虑，建议集中热水系统的水温设定如下：太阳能集热水箱为55℃，恒温水箱为60～65℃，系统出水温度为53℃左右。在系统出水部位宜设置冷热水恒温混合阀，通过调节冷热水混合比例，使出水温度保持在设定的温度值。为了抑制及灭活热水管网中可能存在的军团菌等致病菌，可考虑利用恒温水箱高于60℃的热水，选择合适的时间，每天定时自动对热水管网进行循环杀菌，循环时间不小于30 min。
2、热水箱的设置
(1)热水系统设计应充分利用太阳能，使加热水所需的能量尽量源自白天的太阳辐射。
(2)住宅用热水主要为洗浴及厨房等用水，其中洗浴用水占大部分，用水时段主要集中在18：00～24：00，大部分热水在集中用水时段前完成制备即可。
(3)住宅热水供应的非集中时段的用水量占全天用水量的小部分，系统须保证该时段热水供应。
因此，住宅太阳能(加辅助加热设备)集中热水供应系统应采用全日制系统，并设置大小储热水箱：大水箱由太阳能集热系统加热(或预热)；小水箱为恒温热水箱，均由辅助加热设备保证水温。热水箱的总容积应满足全天的热水用量，大水箱可结合集热器强制循环系统的布置分设成2个或以上，恒温水箱(小水箱)可设1个，小水箱的容积约占总容积的15％。辅助加热设备在保证小水箱水温的同时，应根据当天太阳辐照强度及大水箱的水温分时段对大水箱进行加热，以确保集中用水时段的热水供应。
3、冷热水压力平衡
住宅用水点，尤其是淋浴混合龙头，要求冷热水供应的压力平衡(压力相近)。为使住宅冷热水给水系统压力平衡，应在设计初期介入，将太阳能集中热水系统与冷水给水系统同时考虑。
(1)首先宜使热水系统与冷水给水系统同源，利用冷水给水管网的压力来供应住宅热水，储热水箱应采用承压水箱。
(2)其次，宜适当加大热水系统管道的管径，以减少热水管道系统的沿程与局部压力损失。
(3)另外，由于住宅冷水系统的供应一般为下行上给式，对于多层住宅，管线较短，可将承压热水箱置于屋顶而对水头影响不大；对于小高层及高层住宅，承压水箱置于屋顶会增加管线长度而加大热水管网的水头损失，置于建筑物底部时会增加太阳能制备热水时的热损失，且热水需与冷水给水的分区一致，故承压水箱的设置位置应具体分析确定。
4、热水立管的敷设
集中热水供应系统的热水立管应根据住宅设计的特点布置，在让用户及时用上热水的同时，达到节水、节材、节能的效果。
(1)对于廉租房、经济适用房类及其他小户型住宅，此类住宅户型设计多为单卫生间，即使设计成双卫生间的户型，因户型面积的限制其卫生间及厨房的距离也较近，热水立管宜敷设在与厨房相邻的生活小阳台：支管较短，在热水管道系统设计上容易处理，居民使用上也易于接受，热水水表可采用远传水表或IC卡水表。
(2)对于大户型的住宅，厨房、卫生间的设置较为分散，仅设置单根热水立管供水易造成支管过长，可根据厨、卫的布置情况结合排水管井、管窿的设置，相应增加1～2根热水立管及远传水表；在条件允许的情况下，可考虑设置支管循环方式。
四、系统设计应注意的问题
1、太阳能集热器连接方式选择
集热器的连接方式有串联、并联和串并联。对于自然循环系统应采用并联。对于强制循环系统，可进行串联、并联和串并联，为了使设计系统更优化，最好多采用并联，少用或不用串联形式，对于串并联形式的热水工程设计规模不宜太大，对于规模较大的工程可以将总用水量进行拆分，组成几个子系统，并将多个子系统连接，构成一个整体系统，这样容易调整多个系统之间的平衡，单个系统出现故障不会影响其他系统的正常运行。
2、防过热防爆的安全措施
夏季太阳能集热器中水的温度能达到100℃以上，因此太阳能防过热、防爆的安全措施是设计不容忽视的问题。目前一般的处理措施是：
（1）集热系统管路上设膨胀罐、安全阀、放气阀 。
（2）采取遮阳措施。集热系统的防爆除采取上述措施外，系统采用的管材、管件、阀件等应采用耐高温的材质。集热管不能选用塑料管、复合管，铜管一般也只适用于不高于 150℃的介质，因此集热系统一般采用不锈钢管及相应的管件、阀件。
集热系统被加热水的防过热也是系统设计需要重视的问题 。 一般可采用温度传感器控制电磁阀或循环泵的启闭，控制水温不超过65摄氏度。
3、防冻措施
北方地区应考虑集热系统的防冻。目前常采用的有排空、排回、添加防冻剂、倒循环等。这些方法各有其优缺点，宜因地制宜采用。
（1）排空法指直接供水系统有可能冻结时，将集热系统内的水排空。
（2）排回法指间接供水的系统有可能冻结时将集热器内及管路内的热媒水泄至热媒水箱。第二天集热时，再将热媒水泵入集热系统，这样热媒水可循环利用，但需设置一个能容纳集热系统水容积的专用热媒水箱，一般适用于较小的系统。
（3）添加防冻液。在间接加热的热媒水中添加防冻剂，降低介质的冰点，使集热系统不冻结。
（4）倒循环。利用集热循环泵倒循环，集热系统在冰冻时通过温度传感器控制集热水泵，将集热水箱中的热水返到集热器与管路，保持集热介质不冻。
结语
本文探讨了太阳能设计的相关问题，其中住宅建筑的多样化、太阳能集热器与建筑一体化技术的发展水平、辅助热源的选择、各地气象条件及能源价格差异等因素，令系统应用形式多样化；同时，系统设计中的储热水箱选择、水温设定、冷热水平衡、热水立管布置等将直接影响系统的节能性与舒适性；不同项目应具体分析、精心设计，方能令太阳能集中热水供应系统发挥最大效益。
参考文献
【1】国家住宅与居住环境工程技术研究中心．住宅建筑太阳能热水系统整合设计．北京：中国建筑工业出版社，2006
【2】郑瑞澄主编．民用建筑太阳能热水系统工程技术手册．北京：化学工业出版社，z006
【3】贾凤军.任福田 《太阳能生活热水供应系统的应用浅谈》山西建筑 1009-6825 （ 2009 ） 31-1-0191-02
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