浅谈一例给排水设计中太阳能集中热水系统的应用

文/徐炜栋　同济大学 环境科学与工程学院　上海　200092上海三益建筑设计有限公司　上海　200050



浅谈一例给排水设计中太阳能集中热水系统的应用

文/徐炜栋同济大学 环境科学与工程学院上海200092
上海三益建筑设计有限公司上海200050

【摘要】本文结合太阳能系统在实际工程中的应用，剖析了太阳能热水的设计要点，总结了太阳能系统储热水罐容积的确定及运行控制方式。

【关键词】太阳能；热水；储热水罐容积；控制方式

0.太阳能利用的技术背景

相对于使用常规能源制造热水，使用太阳能制造热水节约了化石资源，符合我国节约型社会的国策。同时太阳能热水系统的设备使用寿命可以达到几十年，在这期间都使用免费的太阳能作为热源，初期投资可以在后期运行中得到回收，所以使用太阳能十分具有经济效益。

目前越来越多的省市从政策上强制要求一些有热水需求的新建项目采用太阳能制备生活热水，使太阳能热水系统成为给排水设计中不可或缺的一部分。

笔者在近几年新设计的项目中，一些住宅和有热水需求的公建项目都采用了太阳能热水系统，针对不同的项目特点采用不同的太阳能热水系统，在满足规范政策的同时，使太阳能系统具有较好的产热水效果。

1．项目概况

南京某项目的一所幼儿园施工图设计中采用了太阳能集中热水系统，在满足当地要求的情况下通过合理控制较大限度地节约了常规能源。该工程位于南京市，其中幼儿园为非住宿制幼儿园，共15个班，每班30名幼儿，3名教师。

2.太阳能热水系统应用

2.1设计依据及设计标准

根据江苏省《公共建筑节能设计标准》DGJ32/J96-2010第6.3.1条：生活热水的生产能源选择应充分利用工业余热和废热，以及太阳能、空气源、地源等可再生能源。第6.3.2条：新建、扩建、改建的宾馆、酒店、商住楼等有热水需求的公共建筑，应设太阳能热水系统[1]。本案有热水需求，可采用集中式太阳能热水系统，且屋面具有较大面积放置太阳能集热板，使用太阳能可以达到较好的效果。

2.2设计思路

2.2.1了解热水需求，确定设计参数，计算设计耗热量及热水量

设计小时耗热量计算：

热水用水定额按每人15L，共15个班495人，使用时间10小时。

设计小时耗热量计算公式：

设计小时热水量计算公式：

公式引自《建筑给水排水设计规范》GB50015-2003(2009年版 )5.3.1-1及5.3.2[2]。

Kh由内插法求得为4.0。

经计算得Qh=672319kJ/h =186.8kW，qrh=2970L。

综合多所非住宿幼儿园资料，作息时间见表1：

表1　幼儿园作息时间表

根据上述作息表，推测最大小时耗热量发生在以下时段：

①11:30-13:00：清洗炊具餐具

②17:00-17:30：教师组织幼儿离园；保育老师清洗毛巾、水杯并将水杯送厨房统一消毒。

各时段设计小时耗热量及热水量(折合成60℃热水，冷水温度取5℃)见表2：

表2　各时段设计小时耗热量及热水量

2.2.2初定太阳能热水供应范围，收集项目所在地基础资料，选定太阳能热水系统形式

2.2.2.1根据江苏省当地要求，根据耗热量计算，拟使用太阳能热水供应幼儿园全部用水，根据《太阳能集中热水系统选用与安装》，江苏省属于资源一般区，太阳能保证率推荐取40%～50%[3]，考虑到控制初期投资成本取40%。

水源条件：市政自来水供水压力为0.28MPa，本项目建筑最高用水楼层（三层）标高为7.80，可全部采用自来水压力直接供水。

2.2.2.2南京地区位于北纬3200'，经度11848'，平均海拔高度8.9m。具体气象参数详见表3：

表3　南京气象参数表

2.2.2.3本案考虑到初期投资，太阳能集水器拟采用平板型集热器。再者为简化系统在冬季的防冻控制，拟在项目中选用防冻介质作为热媒，同时可以解决平板型太阳能集热器防冻性能差的问题。其次考虑到强制循环能够保证用水点温度，双罐(外置辅助热源)更适用于集中供热系统，系统采用自来水压力直接供水。据此选用强制循环、间接加热、双罐(外置辅助热源)的系统，采用平板型太阳能集热器。系统原理图基本如下：

图1　强制循环间接加热系统原理图(双罐)

2.2.3主要设备选型

2.2.3.1太阳能集热器面积计算与选型：

直接加热时集热器总采光面积Ajz：

引自《建筑给水排水设计规范》GB50015-2003(2009年版)公式5.4.2A-1[2]。

经计算，直接加热时总采光面积为118.5 m2。

间接加热时集热器总采光面积Ajj：

引自《建筑给水排水设计规范》GB50015-2003(2009年版)公式5.4.2A-2[2]。

经计算，间接加热时总采光面积为125m2。南京地区集热器安装倾角为30°，方位角根据建筑物按南偏西28.7°时，面积补偿比为R=98%，故实际换热器面积需要127.6m2。现选用平板型集热器72块，每块集热面积1.85m2，总集热面积133.2m2。安装倾角为30°，方位角南偏西28.7°，经计算前后排间距为1120mm。

2.2.3.2储热水罐与辅助加热设备计算与选型：

储热设备容积按以下要求考虑：

由于辅助热源系按满足冬季工况下的设计小时耗热量供应，故需满足《建筑给水排水设计规范》GB50015-2003（2009年版）对于半容积式热交换器储热量的规定；

储热量应大于设计工况下每日产生的全部热量，按《太阳能集中热水系统选

用与安装》06SS128提供的每单位面积集热板产热水量进行校核。

2.2.3.2.1辅助热源选型

①按半容积式储存20min设计小时耗热量计，需储存的热水水量：

③现选用容积为500L的燃气热水炉2个，单个功率99kW

2.2.3.2.2集热系统储罐计算与选型

①按《太阳能集中热水系统选用与安装》06SS128提供的每单位面积集热板产热水量经验数据，对于直接加热系统，取值为40～100L/m2集热板·d，资源一般区取值为50～60L/m2集热板·d；对于间接加热系统，取值为30～70L/m2集热板·d[3]，资源一般区取值可按直接加热系统的70%取值，约为35～42L/m2集热板·d，则每日产热水量为(35～42)×133.2=4662～5594L。

集热系统的储热量要求(储热量应大于设计工况下每日产生的全部热量)

A—太阳能集热板集热面积，考虑到面积补偿比及间接加热因素，经计算得有效值为123.7m2

Vj—按集热要求所需热水的储存容积，L；

C—水的定压比热容，4.187kJ/kg·℃；

te—贮水箱内水的设计温度，60℃；

tl—水的初始温度，℃；

ρr—热水密度，60℃的热水密度为0.983kg/ L；

JT—倾角等于当地维度时，倾角平面年平均日辐照量，南京取12.898MJ/m2·d；

η—集热器年平均集热效率，55%；

ηL—管路及贮热箱的热损失，20%；

②按储热量最大的季节夏季计算储热量：

夏季6、7、8月：平均室外气温26.79℃，倾斜面平均日太阳总辐照量15.823MJ/m2·d，平均日日照小时数6.64h，平均水温按气温减5℃考虑。全天储热量根据上式计算得Vj=5476L，此数值与图集的经验数据基本一致。考虑到本案热水需求集中在白天，故储热量可适当减小，暂定为4000L左右，此数值会在下文中进行校核。

③集热系统换热量计算Qz：

引自《太阳能集中热水系统选用与安装》06SS128公式8.6.1。

经计算得Qz=60029W。

④加热面积计算F：

引自《太阳能集中热水系统选用与安装》06SS128公式8.6.2-1[3]。

经计算得F=13.48 m2。

⑤壳程Ps=0.6MPa，管程Pt=0.4MPa，选RV-04-2.0（0.4/0.6）型罐2个。单罐传热面积F=7.2m2。单个容积1940L，实际储存3880L热水（60℃）。

2.3运行策略及其他设计要点

2.3.1运行策略

2.3.1.1本例考虑到热水末端使用点使用温度不同(从35℃至50℃，淋浴器35℃，盥洗槽水嘴30℃，厨房洗涤盆50℃)，将供热水罐的出水温度设置在60℃，保证每个用水点的温度都能满足要求。

2.3.1.2根据当地气候条件及案例热水使用时段合理选择储热水罐的容积。如果热水使用集中在晚上，储热水罐需要储存的容积就比较大，需要储存一天的太阳辐照热量。储热水罐容积可以根据《太阳能集中热水系统选用与安装》06SS128

中的经验数据进行计算。如果热水使用主要在白天，可根据建筑物热水需求曲线通过计算合理确定储热水罐的容积。保证储热水罐出水能有较高的温度。

按储热量最大的季节夏季每个时段的热水需求校核储热量：根据本案例每个时段的热水需求，可将全天分成两个时段(第一时段7:30-13:00：热水需求量5195L，日照小时数4.32h；第二时段13:00-17:30：热水需求量2225L，日照小时数2.32h)。

第一时段:

Vj=3563L<5195L，储热量可以被完全利用。

第二时段:

Vj=1913L<2225L，储热量可以被完全利用。

由此可见，前文选用的总容积为3880L的热交换器可以分别达到两个时段的储热量要求。

2.3.1.3在第3.1.2点的基础上进一步提高热水温度，储热水罐经过计算后容积固定，在不同季节时水温会有较大差异。在冬季或太阳能辐照量不是很大的时间，水温较低，需消耗的辅助能源较大；同时每天会有大量低温预热水的热量因未被使用而浪费。可以通过以下方式才解决：设置两个或多个储热水罐，通过并联达到总的储热量要求。但加热方式不是同时加热多个储热水罐，而是通过温度控制依次加热储热水罐，当第一个储热水罐达到设定温度时再加热第二个储热水罐，当第二个储热水罐达到设定温度时再加热第三个储热水罐，以此类推。在使用时首先使用温度较高的储热水罐中热水。这样在不同季节时都能保证首先利用到预热温度较高的热水，最大限度地节约辅助能源。

2.3.2其他设计要求

2.3.2.1防过热及防冻：

防过热：在集热系统管路上设置安全阀并引至安全处排放，设定压力为350kPa。防冻：对于冬季极端最低气温会低于0℃的地区，可以采用热媒为防冻介质的间接系统；如采用热媒为水的间接系统或直接系统，应采用防冻能力较强的集热板形式，当低温时可以启动太阳能系统循环泵或采用电伴热防冻。

2.3.2.2防烫伤：

采用恒温混水阀及恒温龙头供应热水，控制出水温度不大于40℃；热水管道外壁均设置保温层，在保温同时保证人不会被烫伤。

2.3.2.3供热压力平衡：

系统采用强制循环，幼儿盥洗区域与厨房后勤区域分别采用支管循环，热水管同程布置方式保证热水循环效果；两个区域回水总管汇合处分别设置压力平衡阀保证压力平衡。

2.4确定太阳能热水系统，详见图2：

图2　太阳能热水系统原理图

结语：

笔者认为随着我国各地持续推进关于设置太阳能热水系统的政策，太阳能热水系统在工程实践中会有更广泛的应用。在工程设计时，应根据项目特点有针对性地选择合理的太阳能热水系统形式，结合当地气候资料及项目热水需求曲线通过计算合理确定储热水罐容积，同时采用合理的控制方式使太阳能热水系统具有最佳的运行效果。

参考文献：

[1]公共建筑节能设计标准，DGJ32/J96-2010，江苏省建筑设计研究院有限公司，2010.5.

[2]建筑给水排水设计规范，GB50015-2003(2009年版)，中国计划出版社，2010.5 .

[3]太阳能集中热水系统选用与安装，06SS128，中国建筑科学研究院.