深圳市博万机电设计事务所普通合伙
摘要：本文以某一实际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，为后续的实际运行节能效率分析打好基础，同时对同类设计具有一定的参考价值。
关键词：太阳能应用；热水系统；集热器；循环水泵；辅助加热；工业热回收
1．项目总述
1.1项目概况与要求
该项目为外资背景的汽车零配件制造厂房。该厂房占地面积10000㎡，分为两期建成。两期建成后生产工人共有300人，分三班，最大班100人。一期厂房内附属的淋浴间供全部生产员工洗浴，洗手等。业主要求充分利用工业余热回收热量、太阳能资源，并以减少运行费用、节能环保的设计理念为基本准则。结合本工程的实际情况，拟设计太阳能集中热水供应系统提供热水，定时供应，并采用工业热回收系统对原水预加热，内置电辅助加热系统。
因为热水系统的使用性质，建筑物的类别，太阳能集热器的种类等不同因素的影响，使得太阳能热水系统的设计灵活而多变。下面仅介绍下，在本工程设计和实践中的一些基本思路。
1.2自然状况
项目位于我国华东地区，四季分明，光照充足，常年降雨日平均为120天左右，年平均气温15℃左右，1月份最冷，月平均温度在3℃左右，近几年极端最低气温为-10℃。北纬32°01′，太阳高度角为34.56O，年平均日太阳辐射量约为13378KJ/m2，基础水温为5℃。
2．项目设计方案
2.1热回收预热水箱水温计算
热回收预热水箱尺寸4m×2m×2m（h），总容积16m3，有效容积为12m3。
工业热回收系统可回收的有效热量为300kw，提前对原水进行预加热。外加50MM厚橡塑海绵保温板，并外包0.5mm厚铝板。
tr=3600Qh/QCPr+t1（1）
式中，tr为预热后的水温，℃，待求；t1最不利情况下冷水水温为5，℃；Qh为可回收的热量为300，kw；Q水箱容积，12000L；ρr热水密度，约等于1（kg/L）；4.187KJ/（kg•℃）。代入以上各数值得tr=26.4℃。
2.2太阳能集热面积的计算
（2）
式中，Ajz为直接系统太阳集热器净总面积，㎡；qr为设计日用水量（L/d），40L/人；m为使用人数，300人；C水的比热容，4.187KJ/（kg•℃）；ρr热水密度，约等于1（kg/L）；tr热水温度，60℃；t1冷水温度，26.4℃；Jt集热器采光面上年平均日太阳辐照量，13378KJ/（㎡•d）；f太阳能保证率，取50%；ηj集热器年平均集热效率，取50%；η1贮水箱和管路的热损失率，取20%，将各数值代入公式（2）得集热器总面积为157.7m2。因集热器的方位角偏离正南，集热器总面积：Aj’jz=Ajz/R=157.7/95%=166m2，实际布置26组（每组采光面积6.5m2）真空管太阳能集热器，实际总采光面积Aj为169m2。
2.3集热循环水箱容积的计算
集热循环水箱容积：
Vrx=qrjd•Aj（3）
式中，Vrx集热循环水箱有效容积，m³；qrjd集热器单位采光面积平均每日产热水量，取0.07m³/（㎡•d）；将各数值代入公式（3）得，集热水箱有效容积为11.8m³。选用组合式不锈钢水箱一个，尺寸4m×2m×2m（h），总容积16m3，有效容积12m3，外加50MM厚橡塑海绵保温板，并外包0.5mm厚铝板。
2.4设计小时耗热量的计算
热水用量最大的部分为淋浴用水，其它部分主要是靠近淋浴间的卫生间洗脸盆。热水供应主要集中在每班下班后一小时内。淋浴间中共设置淋浴器11个，洗脸盆11个。
Qh=∑qh×（（tr-tl）ρrn0bC（4）
=540×（60-26.4）×1×11×100%×4.187=835658KJ/h≈232KW
式中，Qh为设计小时耗热量，KJ/h；qh为卫生器具热水的小时用水定额（淋浴490，洗脸盆50），L/h，；C水的比热容，4.187KJ/（kg•℃）；ρr热水密度，约等于1（kg/L）；tr热水温度，60℃；t1冷水温度，26.4℃；b卫生器具的同时使用百分数。
2.5集热器循环泵流量扬程的计算
2.5.1集热器循环泵流量
qx=qgz•Aj（5）
=0.02×169=3.38L/s=12.2m3/h
2.5.2集热器循环泵扬程
Hx=hjx+hj+hz+hf（6）
=（1.3×80×0.01）+3.35+2+3=9.4m•H2O
式中，Hx，循环泵扬程，m；hjx为集热系统管道沿程与局部阻力损失之和，m；hj循环流量流经集热器的阻力损失，m；hz集热器顶与储热水箱最低水位之间的几何高差，m，hf附加压力，m。选用水泵101-HW-PM1（2台，1用1备）：Q=12.5m3/h，H=10m•H2O。
2.6热水循环泵流量扬程的计算
因为本系统储热水箱设置在屋顶，用水点在一层，经计算靠重力可以满足使用点对水压的要求。为节省能源和投资，本系统不设置热水供水泵，仅设置热水循环泵。
2.6.1热水循环泵流量
定时热水供应系统的循环流量按照循环管网中的水每小时循环3次计算，约为1.1m3/h。
2.6.2热水循环泵扬程
H=h1+h2+h3=1.3×200×0.007+2+3=7.5m≈8m（7）
式中，H循环泵扬程，m；h1为热水供回水道沿程与局部阻力损失之和，m；h2水箱最低水位与水箱进水口之间的几何高差，m，h3附加压力，m。选用水泵101-HW-PM2（2台，1用1备）：Q=1.1m3/h，H=8m•H2O。
2.7集热循环水箱补水泵流量扬程的计算
2.7.1水箱补水泵流量
水箱补水泵流量按照最大小时用水量计，约为4m3/h。
2.7.2水箱补水泵扬程
H=h1h2h3=1.3×200×0.009+2+5=9.4m≈10m（8）
式中，H补水泵扬程，m；h1为热水供回水道沿程与局部阻力损失之和，m；h2热回收预热水箱最低水位与集热循环水箱进水口之间的几何高差，m，h3附加压力，m。选用水泵101-HW-PM3（2台，1用1备）：Q=4m3/h，H=10m•H2O。
2.8内置辅助加热功率的计算
内置辅助加热装置的功率应按太阳能热水系统的最大小时耗热量配置。考虑到该系统是定时供应热水系统，为减小电辅助加热装置的电功率，考虑4个小时内把水箱内的热水加热到使用温度（60℃），电能转化为热量的折减系数为0.95，内置辅助加热设备的功率为：232/（0.95×4）=61kw。
3．太阳能热水系统运行原理
3.1系统控制方式
电辅助加热太阳能系统，可以在充分利用太阳能的基础上，实现全天候的热水供应。
3.1.1中央控制系统可实现的功能
（1）显示水温、水位工作状态。
（2）可根据天气情况任意设定温差循环启动与停止温度。
（3）断电记忆保护：在断电重新启动时，恢复原设置使用状态。
（4）可控制定时出水，自然出水、增压出水、恒温出水、循环出水。
（5）所有自动状态均具有手动功能
3.1.2集热运行：集热系统温差循环，当集热器内水的温度T1比保温水箱内水温度T2的温度高5℃以上（含5）时，集热器循环泵（101-HW-PM1）自动启动，当T1、T2温差小于2℃时，停止运行（温差循环的温度可以设置），这样经过多次往复循环后，保温水箱内的温度达到60℃时，停止运行，供使用系统使用。
3.1.3恒温及辅助加热系统：设计有电辅助加热系统，集热循环水箱的热水通过太阳能集热器的加热后达到60℃供使用系统使用。当连续阴天下雨太阳能温度达不到使用要求时，辅助电加热启动；即：当温度感应探头T2感应到保温水箱温度低于55℃时，电加热开始工作，当温度感应探头T2感应到保温水箱温度大于等于55℃时，电加热自动关闭。达到恒温供水。
3.1.4智能上水：为确保全天候供水，并充分利用太阳能，可采用智能上水控制。
集热循环水箱设定保证水位，当水位低于保证水位时，水泵（101-HW-PM3）启动，自动补水至正常水位后停泵（保证水位高于电加热启动保护水位）。
3.1.5系统安装有太阳能防冻循环功能：自动设定防冻循环，当温度达到设定温度时，防冻循环启动，以防冬季管道被冻，热水管道、水箱等均做保温处理。
3.1.6热水系统设计管道安装有水过滤器，过滤排污除垢，使水质洁净，延长水系统使用寿命。
3.1.7该系统不惧阴雨寒冬，绿色环保、安全可靠、365天全天候使用。
3.1.8在每班使用前十分钟，当检测到温度传感器T3≤50℃时，热水循环泵101-HW-PM2开，当检测到温度传感器T3>55℃，热水循环泵101-HW-PM2停。
图1太阳能热水系统示意图
3.2太阳能系统其它技术措施
3.2.1防雷。系统应设置防雷、防漏电保护设计。
3.2.2防震。系统与建筑之间应可靠连接。
3.2.3防火。系统设备、配件、保温材料等均应采用不燃和阻燃材料。
3.2.4防腐。系统防腐性能应保证15年以上的使用要求。
4．结束语
该项目施工后，经过半年多的运行，效果良好，实现了智能化全自动控制，得到了业主的认可。本文对类似的工程具有一定的参考价值。
参考文献：
[1]GB/T18713-2002太阳能热水系统设计、安装及工程验收技术规范[S]
[2]DGJ32/J08-2008建筑太阳能热水系统设计、安装与验收规范[S]