酒店建筑的太阳能热水系统的设计

李玲玲

摘要：太阳能作为一种清洁无污染的可再生能源，被广泛利用。利用太阳能有效的缓解了我国能源紧张问题，同时目前的太阳能热水技术也较为成熟。现代一般酒店都应用太阳能，最大程度的节约经营成本。本文根据某工程案例，对太阳能热水系统的设计与经济效益进行探讨。

关键词：酒店；太阳能应用；热水系统设计

一、工程概述

某酒店属海洋地区，酒店设有标间78间，大床房16间，下设有餐厅、卫生间及餐厅厨房热水供应采用太阳能加电辅助方案。

二、设计方案与运行原理

（一）设计方案

该工程考虑到地区的海洋气候，太阳辐照量较好，但风速较大，故采用全玻璃真空集热管集热器；建设方投资有限，后期维护人员充足，电力保障充足，最终选取普通全玻璃真空集热管集热器电辅助加热中央热水工程方案。

该工程热水应用要求为24h恒温供热，为了保证供水质量，选用双水箱供水，即一水箱蓄热，另一水箱恒温供热，同时增加供热末端回水循环，保证即开即热。

（二）运行原理

太阳能系统运行原理流程如图1所示。图1太阳能系统运行原理流程依据当地全年太阳辐照量变化特点，该工程设计时将系统运行分为主循环运行和辅助循环运行，运行原理分别如下。

（1）主循环运行原理

（设计工况下，2～11月太阳辐射条件）

①集热器定温出水循环。自来水注入集热器中加热，当T1达到55℃，E1和K2（K2′）打开，K1（K1′）关闭，利用自来水压力将热水顶入供热水箱中，水温T1为50℃时E1和K2关闭。

②供热水箱溢流循环。供热水箱热水注满后，通过联通管溢流向储热水箱注水。

③满水位升温循环。当两个水箱全部充满后，W1、W2水位探测器发出信号，E1关闭，此时，T2温度探测器不再发挥作用，当T1大于T3 10℃时，启动P1，K2，将集热器中的高温水顶入供热水箱，供热水箱上部的低温水则经溢流管进入储热水箱，温差小于2℃时停止，为满水位升温循环。

④供热水箱补水循环。供热水箱向住户供应热水，达到最低水位（非警戒水位），W2水位感应器发出信号，P2启动，由储热水箱向供热水箱补水。如供热水箱内水位持续降低，达到最低水位（此时储热水箱已经无水可补），启动E3，自来水向供热水箱补水。

⑤热水保障循环。当太阳能辐射量不足条件下，供热水箱在规定时间内达不到规定水位（W2水位感应器在规定时段发出信号），电加热开启，同时E3打开，自来水进入供热水箱，达到最高水位停止，不考虑向储热水箱补水。

⑥末端回水循环。在回水总管设感温探测器，并设置时段控制器，在规定时段当水温低于45℃，启动E4，此时变频供水系统P3加速旋转，使水温达到50℃停止。

⑦供热水箱恒温循环。当供热水箱水温低于45℃时，T4發出信号，启动电加热，供热水箱内水加热至50℃停止。

（2）辅循环运行原理

（非设计工况下，12月、1月太阳辐射条件）

①集热器温差出水循环。利用旁通管将自来水注入集热器中加热，并保持储热水箱一定的水位，当T1-T3≥7℃时，P1和K1启动，K2、E1关闭，利用水泵压力将热水顶入储热水箱，温差小于2℃时停止。

②储热水箱出水循环。T3感应水温达到50℃（暂定），启动P2，将热水送入供热水箱，储热水箱达到最低水位时停止。

③供热水箱补水循环。供热水箱在规定时间点，达不到规定水位，W2水位感应器发出信号，电加热打开，同时E3启动，自来水送入水箱，达到规定水位停止（为节约能源，尽量减少补水量，并不考虑向储热水箱补水）。

④热水保障循环。如水位持续下降，到达警戒水位，启动E3。

⑤热水恒温循环。当供热水箱水温低于45℃，启动电加热，供热水箱内水加热至50℃停止。

⑥末端回水循环。同主循环工作原理。

⑦防冻循环。当连续阴天或雨雪天气时，T2低于5℃，K1打开，P1启动，当T2达到10℃停止。

三、设计基本参数确定

日最高用水定额[2]：120L/（床位·d）；日平均用水定额：取日最高用水定额的50%，60 L/（床位·d）；设计热水水温：50℃；设计冷水水温：15℃；太阳辐照量及保证率[3]：当地纬度为36.04°，查阅民用建筑太阳能热水系统工程技术手册得太阳辐照量及保证率参数如表1所示。当地纬度为36.04°，查阅太阳月日均辐照量如表2所示。

四、设计计算

（一）太阳能集热面积计算

根据国家现行标准GB/T18713-2002中的计算公式，集热面积计算如下：

式中： 为系统集热器采光面积， 为日平均用水量，Kg，计算得10300kg； 为水的密度，取值1000Kg/m3；q为单位床位日平均用水量，取值60L/（床位·d）；n为床位，取值172； 为水的定压比热容，取值为4.18KJ/（kg·℃；tend为贮热水箱内水的终止温度，取值50℃；ti为水的初始温度，取值15℃；Jt当地春分或秋分所在月集热器受热面上当月日平均太阳辐照量，通过查表取值16480KJ/m2，f当地春分或秋分所在月集热器受热面上当月日平均太阳辐照量，通过查表取值0.45； 集热器集热效率，取值0.5为管路及贮水箱热损失率，取值0.25.

经公式（1）计算得出，太阳能系统的集热面积110m2，选用单块集热板面积为3.5m2，通过计算取值最终选用32块集热板，太阳能总集热面积为112m2。

（二）储热水箱容积的计算与水箱材质选择

集热器采光面积与水箱容积有一定的比例关系，根据集热器集热效率可推算出每平米集热器收集的热量，进而计算加热水量。在当前技术下，每平方米太阳集热器采光面积大约可生产40～100L热水，真空管集热器平均可生产75L热水，因为本文选用推荐比例，即每平方米太阳集热器采光面积对应75L贮热水箱容积。

水箱容积计算：考虑到水箱容积的取整与水箱造价等因素，最终选用2台5t圆形水箱，1台作为蓄热水箱，另外1台作为供热水箱。

（三）辅助加热能量计算与辅助能源形式选择

该工程采用电加热棒辅助加热作为太阳能热水系统的辅助热源，加热功率（节能运行）计算如下：

（3）

式中：W为加热It水耗电量，kW；Q。为加热It水所需小时耗热量，W，太阳能系统经验取值为8550；1000为换算系数；为水加热設备效率：一般按95%计算。计算结果：W=9kW/t水，供热水箱水量为5t水，则总电加热功率应为45kW，此加热功率按照4h将水箱中的水温升30℃计算。

（四）管路流量计算

太阳能集热系统的流量与选用的集热器形式及品牌有关，该参数一般由厂家提供，调研市场上主要品牌的参数，该工程选用单块集热器流量为2. 5L/min，则集热系统的总流量为：

（4）

式中：qxt为集热系统总流量，L/s；qi为单块集热器流量，L/min；n；为集热器数量。

（五）系统所需建筑条件

为了保证系统可靠运行，根据设计参数建筑需满足以下条件：

（1）系统上水管DN40提供至水箱附近（即自来水管，电磁阀E2控制的快速补水管道）；

（2）系统需要在水箱附近提供不小于55kW的三相电源；

（3）在水箱附近预留热水供水管及回水管，供水管管径定位DN40，回水管管径定位DN25；

（4）建筑结构需要保证屋面承载能力，集热器的载荷为70kg/mz；

（5）水箱、电磁阀、水泵均置于屋面，水箱对屋面载

荷约为2t/m2.

五、太阳能热水系统年运行费用估算

太阳能热水系统总运行费用主要包括辅助能源电费、维护费用，系统使用寿命10～15年。针对该工程，论文分别计算了太阳能热水系统每年运行费用及15年总运行费用，计算过程如下。

（一）总耗电量计算

太阳能系统用电设备：辅助电加热，太阳能循环泵供热循环泵，水箱循环水泵，电伴热带等。

电加热耗电量计算：按全年60d阴雨天气计算，每天定时加热4h耗电量为：

（5）

太阳能循环泵耗电量计算：循环泵型号PH253 -E，输入功率为0. 41 kW，以一年360d，每天工作4h作为计算依据，耗电量为：

（6）

供热侧变频水泵耗电量计算：选用水泵型号MHI1803 -1，额定功率为1. 41kW，以一年360d，每天工作8h为计算依据，耗申上量为：

（7）

伴热带耗电量计算：伴热带耗功率为0. 015kW/m，室外管路长度估算为150m，以一年电伴热带开启时间为60d，每天启动时间8h为计算依据，耗电量为：

（8）

每年总耗电量：

（9）

按每度电0.6元计算，每年所耗电费为：

（10）

不考虑电价变动因素，15年所耗电费估算为：

（11）

（二）设备老化维护费用

设备老化维修费用，按经验值每年2000元计算，15年总费用为：

（12）

六、结论

本文以某酒店热水工程作为具体案例，依据规范详细设计了一套标准的太阳能热水系统，并理论分析了该套系统的节能效益，为后续的实际运行节能效率分析打好基础。

太阳能热水系统的主要设计参数及节能效益如下。

（1）集热器选用普通全玻璃真空集热管集热器，总集热面积112m2，集热器安装倾角为45°。

（2）采用圆柱形双水箱供水方案，每台5t，1台负责蓄热，1台负责恒温供热。

（3）采用电加热辅助热源，电加热功率为45kWo

（4）建筑应满足集热器及水箱的承重要求：集热器的载荷为70kg/mz左右，水箱对屋面载荷约为2t/mz；同时满足管道预留要求，自来水上水管DN40，供热管DN40，回水管DN25，及电源功率预留要求，55kW。

（5）估算太阳能热水系统。每年总运行费用98528元，15年总运行费用179362. 2元。