工业建筑太阳能热水系统的设计与应用
2015-12-02霍玉龙河北大成建筑设计咨询有限公司河北石家庄050000
■霍玉龙 ■河北大成建筑设计咨询有限公司，河北 石家庄 050000
1 前言
太阳能是一种取之不尽，用之不竭的无污染可再生能源，开发利用太阳能既可节约能源，为企业提高经济效益，又可减少常规能源的消耗和对环境的污染，有利于保持生态平衡，具有巨大的经济效益和社会效益。
2 工程设计方案
2.1 工程概况
石家庄某原料药车间位于石家庄市经济技术开发区，是一个原料药生产车间，共三层，建筑物高度23.50m，属于甲类工业厂房，生活用水按最大班100 人考虑，每天洗两次。
2.2 系统选择
本太阳能热水系统采用闭式强制循环太阳能热水系统。按照《民用建筑太阳能热水系统应用技术规范》(GB50364-2005)和《民用建筑太阳能热水系统工程技术手册》中对太阳能热水系统的要求，结合现场实际情况，选用真空管太阳能集热器组成的综合式太阳能热水系统为淋浴室提供热水，为防止阴雨天不能使用，春夏秋冬四季使用蒸汽辅助加热。该系统采用智能(PLC 控制器)控制。
2.3 系统设计参数确定
根据《建筑给水排水设计规范》(GB50015-2003)2009 年版3.1.12 规定，工业企业建筑淋浴用水定额，应根据现行国家标准《工业企业设计卫生标准》GBZ1 中车间的卫生特征分级确定，可采用40L/人·次～60L/人·次，延续供水时间1h。本设计取qr=50L/人·次.
2.3.1 热水量计算
日用水量:Qd=mqr=100 ×50 ×2=10000L/d
式中:m—用水计算单位数，取m=100 人;
qr—热水用水定额，50 L/人·次。
2.3.2 太阳能集热器总面积计算
(1)石家庄地区的太阳辐射资源
查《太阳能集中热水系统选用安装》图集06SS128 得，石家庄地区太阳集热器斜面(当地纬度斜面)年平均值16.15 Mj/m2.d 作为设计值。
(2)真空管集热器的总面积计算
根据《建筑给水排水设计规范》(GB50015-2003)2009 年版5.4.2A 规定，直接加热供水系统的太阳能集热器总面积可以按下公式计算:
式中:Ajz——直接加热集热器总面积，(m2);
qr——设计日用热水量(L/d);对于该太阳能系统，取10000L/d。
tr——热水温度(℃)，tr=60℃;
tl——冷水温度(℃)，按本规范表5.1.4 采用，对于该太阳能系统，取10℃;
Jt——集热器采光面上年平均日太阳幅照量(kJ/m2·d)，对于该太阳能系统，取16150KJ/m2·d;
f——太阳能保证率，根据系统使用期内的太阳辐照量、系统经济性和用户要求等因素综合考虑后确定，取30%～80%，对于该太阳能系统，取60%;
ηj——集热器年平均集热效率，按集热器产品实测数据确定，经验值为45%～50%，对于该太阳能系统，取50%;
ηl——贮水箱和管路的热损失率，取15%～30%，对于该太阳能系统，取20%。据上述数据计算如下:
(3)真空管集热器的数量计算
选用58 ×1800 ×24 型全玻璃真空管集热器，每块由24 支Ф58 ×1800 真空管组成，长:1900mm，宽:2000mm，为了减小太阳集热器风载荷和防止真空管被大雪裹抱，真空管太阳集热器底部不设置反光板。根据GB/T 17581-1998《真空管太阳集热器》国家标准的规定，单块太阳集热器的总面积为:
Aa——太阳集热器的总面积
La——真空管集热器长度
D0——真空管集热器宽度
因此，需要58 × 1800 × 24 型全玻璃真空管集热器的数量为:194.40 ÷3.8=51.2 块，考虑到系统同程要求及工程现场实际情况，本系统共安装54 块。
所需Ф58 ×1800 真空管数量共计:54 块×24 支/块=1296 支
实际太阳能集热器的总面积Az=54 ×3.8=205.2m2
(4)储热水箱有效容积计算
式中:Vrx——贮水箱有效容积(L);
Aj——集热器总面积(m2);
qrjd——集热器单位采光面积平均每日产热水量［L/(m2·d)］，根据集热器产品的实测结果确定。无条件时，根据当地太阳辐照量、集热器集热性能、集热面积的大小等因素按下列原则确定:直接供水系统qrjd=(40～100)［L/(m2·d)］;间接供水系统qrjd=(30～70)［L/(m2·d)］。本设计qrjd取48［L/(m2·d)］
Vrx=qrjd·Aj=48 ×205.2=9849.6L，取10m3
(5)循环水泵流量计算
式中:qx——集热系统循环流量(L/s);
qgz——单位采光面积集热器对应的工质流量［L/(s·m2)］，按集热器产品实测数据确定。无条件时，可取(0.015～0.02)［L/(s·m2)］。本设计取0.015［L/(s·m2)］
qx=qgz·Aj=0.015 ×205.2=3.08L/s≈11m3/h
(6)循环水泵扬程计算
式中:Hx——循环泵扬程(kPa);
hp——集热系统循环管道的沿程与局部阻力损失(kPa);
hj——循环流量流经集热器的阻力损失(kPa)，本设计取20kPa;
hz——集热器与贮热水箱之间的几何高差(kPa)，本设计为0kPa;
hf——附加压力(kPa)，取20kPa～50kPa。
Hx=hp+hj+hz+hf=35 +20 +0 +30=85kPa=8.5m，取10m
选择温差循环水泵KQW50/90-0.75/2，Q=11m3/h，H=10m。两台，一用一备。
室内热水回水管道设循环泵KQW40/100-0.55/2，Q=6.3m3/h，H=12m。两台，一用一备。
(7)辅助加热系统参数确定为保证太阳能在阴雨天气也能正常使用，根据建设单位的情况，本太阳能热水系统采用蒸汽辅助加热，采用浸没式汽水消声加热器进行辅助加热。
根据水箱水量及加热时间确定蒸汽耗量:
式中:G0——蒸汽耗量(kg/h);
M——加热水量(kg);
t1、t2——加热水前后温度(℃)，本设计取t1=10℃，t2=20℃;
T——加热时间(min)，本设计取120min;
i//——饱和蒸汽焓(KJ/kg)，蒸汽采用0.3MPa，取2167KJ/kg;
251——单位换算常数。查设备样本得，选用浸没式汽水消声加热器型号CLP-DN50 一套。
3 结语
作为节能减排的重要措施，国内外在太阳能热水系统的应用上作了大量的实践与研究，有许多值得我们去学习和思考的经验，特别是在集热、传热、蓄热、集热器与建筑物的结合、运行控制等领域还有很多内容需要作进一步探索。
［1］郑瑞澄.民用建筑太阳能热水系统工程技术手册［M］.北京:化学工业出版社，2007.
［2］建筑给水排水设计规范2009 年版GB50015-2003.
