太原地区别墅太阳能热水系统集热器面积计算

田 晖

(太原市建筑设计研究院，山西太原 030002)

0 引言

在民用建筑太阳能热水系统的设计中，系统集热器总面积的设计计算是整个系统设计中最重要的环节之一，因此集热器总面积关系到系统运行的可靠性、经济性及节能性。而设计人员在依据GB50364-2005民用建筑太阳能热水系统应用技术规范进行设计计算时，往往由于其主要参数的选择范围太大，设计人员只能依据规范所规定的范围及主观意识进行模糊的选择，不能做到设计依据合理充分，这样很容易使集热器总面积选择过大，影响系统运行的经济性和节能性。并且对同一城市中的同一民用建筑进行设计时，其结果往往因为设计人员的不同而大不相同。因而本文将分析计算出不确定因素:年均日照太阳辐照量、贮水箱内设计温度、日均用水量及太阳能保证率，并以此计算太原地区别墅建筑太阳能热水系统集热器的总面积。

1 不确定因素的确定

由于间接系统换热器的传热系数和换热面积只能根据实际的设备确定，无法分析确定其范围。故本文主要是针对直接系统太阳能集热器总面积的计算进行分析。

直接系统的太阳能集热器总面积计算公式为:

其中，Cw为水的定压比热容，取4.187 kJ/(kg·℃)，为常数不予分析;ti为水的初始温度，太原地区别墅用水水源为地表水，水的初始温度为其冷水计算温度4℃，此数为常数不予分析;ηcd为太阳能集热器的年平均积热效率，根据经验取值宜为0.25～0.5，其具体的取值应根据太阳能集热器产品的实际测试结果而定，但是在实际的设计过程中，设计人员是无法确定其产品，因此一般都是根据经验取值，一般取中间值0.375比较合理，以便产品的选择。ηL为贮水箱和管路的热损失率，根据经验取值宜为0.20～0.30，现在保温材料的保温性能较以前有了提高，笔者认为取中间值0.25比较合理;f为太阳能保证率，宜为30%～80%，取值应根据太原地区的太阳辐照、系统经济性及用户要求等因素综合考虑;tend为贮水箱内的设计温度;JT为当地集热器采光面积上的年平均日太阳辐照量，kJ/m2;Qw为日均用水量，kg。

本文将对f，tend，JT，Qw这些不确定因素分别进行分析计算。

2 不确定因素的分析计算

2.1 太原地区太阳能集热器采光面积上的年平均日太阳辐照量JT

根据GB50364-2005民用建筑太阳能热水系统应用技术规范太原地区水平面上年太阳辐照量为5400mJ/(m2·年)～6 700mJ/(m2·年)，属于资源较丰富区，每年按365d计算，年平均日太阳辐照量为14794.52kJ/m2～18 356.16 kJ/m2;而根据山西太阳能资源分布的统计情况，太原地区太阳年均辐射总量为5534.3mJ/(m2·年)，折算成每天为15162.47 kJ/m2。这样所得数值相差不大。

因此通过以上的分析，并充分考虑设计规范，笔者认为年平均日太阳辐照量按照中间值16575.34kJ/m2进行设计就算比较合理。

2.2 贮水箱内的设计温度t end

根据GB50364-2005民用建筑太阳能热水系统应用技术规范中的热水设计水温的选择:应充分考虑太阳能热水系统的特殊性，宜按现行国家标准GB50015建筑给水排水设计规范中推荐温度中选用下限温度。

根据GB50015建筑给水排水设计规范中表5.1.1-2的水温推荐值:带有淋浴器的浴盆为40℃，无沐浴器的浴盆为40℃，淋浴器为37℃～40℃，洗脸盆、盥洗槽水嘴为30℃，洗涤盆(池)为50℃。据此综合考虑水温设计温度宜为40℃。40℃热水密度为0.99224kg/L。

2.3 日均用水量Qw

2.3.1 最高日用热水量的分析比较

别墅的生活用水主要用于冲厕、厨房、沐浴、盥洗、洗衣。热水主要用于厨房、盥洗及沐浴三方面。并且根据季节、当地的生活习性的不同，热水用量也不大相同。为了方便分析计算，上面五项数据选取为冲厕21.3%、厨房20%、沐浴 29.3%、盥洗6.7%、洗衣22.7%。其中在热水使用的三个方面，其比例为20 ∶29.3 ∶6.7。

根据GB50015-2003建筑给水排水设计规范中的别墅热水定额为每人每日为70 L～110 L(水温按60℃)，如果按最高日用热水量110 L算，则厨房热水用量为39.3 L、沐浴热水用量为57.6 L、盥洗热水用量为13.1L。

2.3.2 不同季节热水使用的分析对比

参照《可再生能源利用与建筑节能》(王荣光)，根据季节的不同和太原地区的生活习性进行分析比较，计算结果如表1～表4所示。

表1 厨房最高日用热水量在不同季节的对比计算

表2 沐浴最高日用热水量在不同季节的对比计算

表3 盥洗最高日用热水量在不同季节的对比计算

表4 最高日用热水量根据季节、生活习性不同的对比计算 L

2.3.3 最高日用热水定额的确定

根据上述分析的结果，太原地区别墅每人最高日用热水定额为71.6 L，再根据GB50015-2003建筑给水排水设计规范中的别墅热水定额为每人每日为70 L～110 L，可以分析得出:如果设计时使用定额上限(110 L)，这样会导致设计用热水量过大，集热器总设计面积也会随之过大，最后导致系统运行费用大，用户投资过多，并且不利于节能和节水的要求;如果设计时使用定额下限，这样会导致系统不能满足正常的生活热水要求。因此每人每日90 L热水(水温按60℃比较合理)，一方面系统不会过于浪费，另一方面也能满足正常的生活要求。

2.4 太阳能保证率f

根据GB50364-2005民用建筑太阳能热水系统应用技术规范，f取值宜为30%～80%，这样所给定的范围太大，该规范也没有说明取值的原则依据，让设计人员无法给出较为合理的值，带来了很大的不便。

因此，笔者认为应根据太阳能保证率的三个影响因素确定。采用影响系数法，规定中间值55%来判定三个影响因素对太阳能保证率的影响。

根据历年统计资料，太原地区日照时数大于6 h的天数为222d，太阳能资源比较稳定，且总辐射量较大，日照充足，年平均降雨量为456mm。因此，笔者认为太阳辐照对太阳能系统保证率的影响系数取为0.5。

近年来，太阳热水系统在太原地区已大面积的推广使用，截至2008年年底，太原太阳能光热应用面积已达到3万m2。

并且由相关手册可知，在资源较富区，f宜大于50%。因此，太阳能系统保证率取为52.96%比较合理。

3 计算结果分析

将上述分析的结果代入公式(1)得:每生产100 L，40℃热水时，太阳能集热器总面积为:

根据GB50364-2005民用建筑太阳能热水系统应用技术规范，太原地区每100 L热水量的系统总面积推荐选用值为1.4m2，计算结果与推荐值相差20.7%，经过分析得知主要是集热器采光面积上的年平均日太阳辐照量有些出入。如若按照年平均日太阳辐照量的上限值进行计算，则为1.5m2，这样与推荐值比较吻合。

4 结语

根据现在太原地区的年太阳辐照量的实际值，笔者认为按其上限值所计算的太阳能热水系统的集热器总面积值偏小，并根据山西省近50年的气象统计，年平均总辐射量以238.920 4mJ/m2/10年的幅度在减少。因此笔者认为年太阳辐照量按照中间值来取是较合理的，同时建议规范作进一步的研究。

在本文的分析计算过程中，笔者发现系统太阳能集热器总面积的推荐选用值是不是按60℃热水水温而得来的有待进一步研究。因为规范规定热水设计温度的选择宜按照GB50015建筑给水排水设计规范中推荐温度选用下限温度。因此笔者认为太原地区系统集热器总面积推荐选用1.4m2是按40℃的热水水温计算所得。

但是根据GB50015建筑给水排水设计规范，当温度小于55℃时，不易杀死滋生在温水中的各种细菌，尤其是军团菌之类的致病病菌。因此按安全性考虑笔者建议设计温度取为60℃，此时生产100 L的热水时集热器总面积为2.6m2。

在太阳能热水系统中，集热器的费用占了这个系统初投资的多半，因此若按照40℃热水水温进行设计时，可以减少系统的初投资。但是若按60℃进行设计，可以大大的提高使用人员的生命安全，因此建议热水设计温度宜使用60℃。

[1]GB50364-2005，民用建筑太阳能热水系统应用技术规范[S].

[2]GB50015-2003，建筑给水排水设计规范[S].

[3]GB50336-2002，建筑中水设计规范[S].

[4]杨 丁，任健美，方凤满.山西省近50年气候变化特征分析[Z].

[5]田 琦.太阳能喷射式制冷[M].北京:科学出版社，2007.