太阳能热水系统设计手册(正文)

第一章概述一太阳能热水系统的组成
太阳能热水系统也称为太阳热水装置是一种利用太阳辐射能加热系统中循环的水以取用热量的装置组合，它由集热器、连接管路、储热水箱、水泵和其他配件以及控制部分组成。

目前在市场上广为销售的家用太阳热水器，同样由上述几个部分组成，可以看作是一种特殊类型的太阳能热水系统。

下面就太阳能热水系统的各个组成部分分别进行简单介绍。

1 集热器部分：
集热器部分有几个重要的参数对太阳能热水系统有影响：
1 真空管支数；
2 真空管直径和长度；
3 真空管间距；
4 联箱阻力特性；
5 集热器容水量；
6 集热器放置朝向和倾角；
2 连接管路部分
连接管路部分有几个参数对太阳能热水系统有影响：
1 连接管路的材料；
2 连接管路的直径；
3 管道接头的连接形式；
4 集热器的连接形式；
3 储热水箱部分：
储热水箱部分有几个参数对太阳能热水系统有影响：
1 储热水箱容积；
2 换热盘管管径、长度及串并联形式及布置位置；
3 内部压力；
4 保温材料及保温层厚度；
5 水箱各进出管口的布置位置
4 配件部分：
配件部分有几个参数对太阳能热水系统有影响：
1 水泵数目、流量和扬程的选取：
2 膨胀罐容积及压力的选取；
3 阀门的布置；
4 温度、压力、流量测点的选择；
5 控制部分：
控制部分有几个参数对太阳能热水系统有影响：
1 单片机
2 上位机
3 控制软件
4 控制方案
二太阳能热水系统的基本类型
可以按不同的分类标准对太阳能热水系统进行分类。

按循环动力分类：太阳能热水系统可分为自然循环太阳能热水系统、强制循环太阳能热水系统。

按集热器分类：太阳能热水系统可分为普通真空管式太阳能热水系统、热管式太阳能热水系统、U型管式太阳能热水系统、混
合式太阳能热水系统。

按介质流动分类：太阳能热水系统可分为直流式太阳能热水系统、封闭式太阳能热水系统。

按集热器布置形式分类：太阳能热水系统可分为串联太阳能热水系统、并联太阳能热水系统、混联太阳能热水系统。

按有无换热器分类：太阳能热水系统可分为间接式太阳能热水系统、直接式太阳能热水系统。

按是否水箱承压分类：太阳能热水系统可分为承压水箱式太阳能热水系统、非承压水箱式太阳能热水系统。

下面就各种类型的太阳能热水系统进行详细说明。

1 自然循环和强制循环太阳能热水系统
自然循环太阳能热水系统：
自然循环系统是利用传热工质内部的温度梯度产生的密度差所形成的自然对流进行循环的热水系统。

这种系统结构简单不需要附加动力，在自然循环中，为了保证必要的热虹吸压头，贮水箱应置于集热器上方，如图1－1所示。

运行过程是水在集热器中受太阳辐射能加热，温度升高，加热后的水从集热器的上循环管进入贮水箱的上部，与此同时，贮水箱底部的冷水由下循环管流入集热器，经过一段时间后，水箱中的水形成明显的温度分层，上层水达到可使用温度。

用热水时，由补给水箱向贮水箱底部补充冷水，将贮水箱上层热水顶出使用，其水位由补给水箱内的浮球阀控制。

这是国内最早采用的一种太阳热水系统。

其优点是系统结构简单，运行安全可靠，不需要辅助能源，管理方便。

其缺点是为了维持必要的热虹吸压头，并防止系统在夜间产生倒流现象，贮水箱必须置于集热器的上方。

这正是我国目前大量推广应用的热水系统设计。

大型太阳热水系统，不适宜采用这种自然循环方式。

因为大型系统的贮水箱很大，要将贮水箱置于集热器上方，在建筑布置和荷重设计上都会带来很多问题。

强制循环太阳能热水系统：
强制循环太阳热水系统（又称主动循环式太阳热水系统）是利用机械设备等外部动力迫使传热工质通过集热器或换热器进行循环的热水系统。

图1－2表示强制循环式太阳热水系统。

这种系统在集热器和贮水箱之间管路上设置水泵，作系统中的水循环动力。

系统中设有控制装置，根据集热器出口与贮水箱之间的温差控制水泵运转。

在水泵入口处，装止回阀，防止夜间系统中发生水倒流而引起热损失。

强制循环式太阳热水系统使循环动力大大加强，有利于提高热效率，实现热水系统的多种功能及控制，是目前应用较广泛的一种热水系统形式。

目前在大型太阳热水工程中，可以用普通太阳热水器串并联组成上述的各种系统，但更常用的是联集管集热器组成各种形式的热水系统。

图1-2 强制循环式太阳能热水系统
2 按不同集热器分类的太阳能热水系统
作为集热单元的太阳能集热器可以有不同类型，如普通真空管式太阳能热水系统、热管式太阳能热水系统、U型管式太阳能热水系统、混合式太阳能热水系统。

不同种类的太阳能集热器在结构、集热效率、承压能力、流动阻力上各不一样。

图1-3 普通真空管式联集管集热器
图1-4 热管式联集管集热器
图1-5 U型管式联集管集热器
3 直流式和封闭式太阳能热水系统
直流式太阳热水系统是传热工质一次流过集热器加热后便进入储水箱或用水点的非循环热水系统，储水箱的作用仅为储存集热器所排出的热水，直流式系统有热虹吸型和定温放水型两种。

热虹吸型：热虹吸型直流式太阳热水系统由集热器、贮水箱、补给水箱和连接管道组成，如图1-6所示。

补给水箱的水位由水箱中的浮球阀控制，使之与集热器出口热水器（上升管）的最高位置一致。

根据连通管原理，在集热器无阳光照射时，集热器、上升管和下降管均充满水，但不流动。

当集热器受到阳光照射后，其内部的水温升高，在系统中形成热虹吸压力，从而使热水由上升管流入储热水箱，同时补给水箱的冷水则自动经下降管进入集热器。

太阳辐射愈强，则所得的热水温度愈高，数量也愈多。

早晨太阳升起一段时间以后，在储水箱中便开始收集到热水。

这种虹吸型直流式太阳热水系统的流量具有自动调节功能，但供水温度不能按用户要求自行调节。

这种系统目前应用的较少。

图1-6 热虹吸式热水系统图1-7定温放水式直流式热水系统
定温放水型：为了得到温度符合于用户要求的热水，通常采用定温放水型直流式太阳热水系统，如图1-7所示。

该系统在集热器出口处安装测温元件，通过温度控制器，控制安装在集热器入口管道上的开度，达到根据温度调节水流量，使出口水温始终保持恒定。

这种系统不用补给水箱，补给水管直接与自来水管连接。

系统运行的可靠性，同样决定于电动阀和控制器的工作质量。

直流式太阳热水系统具有很多优点：
1 因为太阳热水系统的补水依靠具有一定压力的自来水直接供给，提供系统的循环动力，所以系统中不需设置循环水泵。

2 储水箱的放置位置不受约束，可以放置在室内，既减轻了屋顶载荷，也有利于储热水箱保温，减少热损失。

3 可以避免热水与集热器入口冷水的掺混。

4 可以取消补给水箱，简化系统管理。

5 减小热水系统的热迟滞现象。

因此定温放水型直流式太阳热水装置尤其适合于大型太阳热水系统。

其缺点是要求性能可靠的电磁阀和控制器，从而使系统较为复杂。

综合考虑定温放水型直流式太阳热水装置是一种结构合理、值得推广的太阳热水系统，目前国内也有一定的应用。

封闭式太阳能热水系统中工质在系统中循环流动，不断将热量带热水箱。

如图1-10所示。

4 串并联太阳能热水系统
串并联太阳能热水系统，即通过联集管集热器串并联的组合并加以一定的控制组成的太阳能热水系统。

一般大型太阳能热水工程中多采用混联式太阳能热水系统以获得更多的热量。

图1-8 串联式太阳能热水系统
图1-10 混联式太阳能热水系统
5 间接式和直接式太阳能热水系统
直接式太阳能热水系统和间接式太阳能热水系统是按照储热水箱中有无换热器来分类的。

当集热系统工质和生活用水系统工质分开，通过换热器进行热量交换而无质量交换时为间接式太阳能热水系统；当集热系统工质和生活用水系统工质相混合，同时传递质量和热量时为直接式太阳能热水系统。

直接式太阳能热水系统没有换热器，结构相对简单，集热器和水箱中都为水。

如图1-10所示。

间接式太阳能热水系统有换热器，集热器和水箱可以走不同的工质，处于不同的压力。

一般集热系统内为带压防冻液，自成循环系统，将热量通过换热器传递给水箱内的水。

如图1-11所示。

图1-11 间接式太阳能热水系统
注：后面章节中所提到的热水系统特指强制循环、封闭式间接太阳能热水系统，下面不再重复说明。

图1-9 并联式太阳能热水系统
第二章太阳能热水系统的设计
太阳能热水系统的水力计算与集热器连接形式和系统管径的确定相联系。

首先由集热器吸收太阳辐射的热量计算系统流量，由系统流量计算集热器部分产生的压降，并由此确定系统的连接方案；之后再计算管路压降，确定管道直径。

如图2-1所示。

设计太阳能热水系统首先要根据国家标准和工程经验估算通过集热器的流量，得出可能通过集热器的流量范围。

然后在这个流量范围内对热水工程中所用的集热器做流动阻力特性实验，得出集热器所通过的流量和压降的关系。

之后初步给出集热器的串并联
方案。

初定方案主要从整体上考虑，确定哪些集热器不宜连接在一起，哪些集热器适合连接在一起，连接的集热器串联不宜超过极限值，同阻同程等等，当进行到后面的步骤后还要对这个方案进行修改。

方案初步确定之后就可以根据能量守恒定律详细计算系统的流量，在计算过程中要对不同的支路分别进行计算确定每个支路的流量。

流量确定之后根据实验获得的流量和压降的关系可以得到支路的压降。

当这个压降过低或过高时更改系统的连接方案重新上述步骤，如果压降合适就可以进行管路相关计算以确定管径了。

首先也需要根据常规和经验对管道直径进行初步选择，确定后根据国家标准上的公式对管道逐段进行水力计算，得到的压力损失就是压降。

如果某段管道的压降过低或过高就要修改管径重新计算。

管径确定之后再进行换热盘管的水力计算，其中重要确定盘管的直径和并联级数，也是应用管道水力计算的公式。

修改盘管直径和并联级数直到满意为止。

这些工作做完之后将集热器压降、管道压降和换热盘管压降加起来作为水泵的扬程。

以上所有计算都相对应的计算程序可以辅助工程设计人员进行太阳能热水系统的设计。

第1步 集热器流量的估算
1) 根据国家标准GB/T18715-2002 规定，每平方米集热面积的推荐流量值为0.01~0.02 l/s 。

(根据我公司的长期测试，流量宜
取1.2～1.8 l/(min ·m 2
)较为合适。

)
2) 为保证末台集热器集热效率不至于过低、支路流量不至于过大，串联台数不宜过多。

一般普通真空管型联集管集热器串联台数
在8台左右，热管式联集管集热器串联台数在6台左右，U 型管式联集管集热器串联台数在4台左右。

3) 集热器流量可按下式估算：
n l d G ..01.0min = （1）
N n l d k G ....02.0max = （2）
其中 d —真空管内管直径；
l —真空管接受光照部分的长度； n —每台集热器真空管支数； N —常规串联台数（见上）； K —富余系数 取1~1.2；
N n l d G N n l d ...02.01.1...01.08.0⨯≤≤⨯估算 （3）
例1：
已知：17支210热管式联集管集热器6台串联，其估算流量为 G min =0.01*60*0.047*(2.10-(20+36)/1000)*17=0.98 l/min G max =0.02*60*1.1*0.047*(2.10-(20+36)/1000)*17*6=12.9 l/min 4.7 l/min ≤G 估算≤12.9 l/min
第2步 联集管集热器流动阻力实验
太阳能热水系统中所应用的联集管集热器类型多样，为了更准确的对系统进行水力计算须对联集管集热器进行流动阻力特性实验。

实验中要注意以下几点：
1） 为了减少误差，实验宜选用2~3台集热器串联起来实验。

2） 实验中流量范围在min G ~max G 之间选取若干点。

3） 实验测量量有：进出口压力差、流量。

4） 实验装置在同一水平面上，流量要求稳定，流量上行下行各做一组。

5） 根据实验数据绘制压差随流量的变化曲线（P-G 曲线） 6） 用二次方程对P-G 数据点进行拟合 例2：
已知：20支U 型管联集管集热器（4×5）和24支椎形套管式热管联集管集热器通过实验获得的P-G 曲线及拟合的P-G 关系式为
图 2 联集管集热器压降与流量的关系曲线
002.002.00006.02++=∆G G P G ∈[1 16]l/min （U 型管式联集管集热器） （4） 0003.00016.00003.02-+=∆G G P G ∈[1 16] l/min （热管式联集管集热器） （5）
第3步 集热器连接方案的初定
最初制定集热器连接方案时要综合考虑以下方面： 1 普通真空管型联集管集热器串联台数不超过10台； 热管式联集管集热器串联台数不超过8台； U 型管式联集管集热器串联台数不超过6台。

2 当集热器并联台数过多，流量过大时宜选用多泵系统。

3 当集热器倾角不同、朝向不同或被遮挡时刻不同时宜选用多泵系统。

4 不同类型的集热器尽量不串联在一起。

5 尽量采用Z 型连接，当并联台数少、流量小时可采用U 型连接。

6 尽量使并联集热器的管路连接做到同程同阻。

7 根据集热器布置位置等具体情况确定集热器的连接形式。

根据以上原则初步确定集热器的串并联形式和水泵的安装位置。

第4步 太阳能热水系统支路流量的确定
太阳能热水系统中支路流量按下面的公式计算，
t
c E l l
d z y x G ∆⎪⎭⎫ ⎝⎛
'-=...1000 (60000)
ρη
（6） 其中
G —— 各支路流量，l/min
z y x ,,——分别表示真空管支数/台、串联台数、并联级数 d ————真空管内管直径，mm l ————真空管管长,m
l '————真空管在尾座、保温层和水箱内部分的长度,mm E ————太阳辐射强度w/m 2
η————集热器集热效率 c ————工质比热,J/kg ρ————工质密度,kg/m
3
t ∆————进出口温差,℃ 上述公式中有三个量需要说明：
1 太阳辐射强度E ：根据当地太阳辐照情况而定，一般为600~800 w/m 2
2 集热器集热效率η：根据集热系统用途（平均集热温度）而定，一般为30~55%
3 进出口温差t ∆：根据集热器类型及集热器串联台数而定，一般为8~10℃ 例3：
已知：17支210热管式联集管集热器6台串联、3组并联，其支路流量为 77.1410
10001018.45
.07001000362010.2047.03617600003
=⨯⨯⨯⨯⎪⎭⎫ ⎝
⎛
+-⨯⨯⨯=G l/min 得三组并联后的总流量为14.77 l/min, 每个支路的流量为4.97 l/min 所得结果在例1估算流量的范围内。

第5步 太阳能热水系统支路压降的确定
得出各支路的流量后根据联集管集热器流量和压降的关系函数就可以求得由集热器产生的压力损失。

其中串联集热器压降为各台集热器压降的和，而并联集热器压降相等。

例4：
已知：17支210热管式联集管集热器6台串联、3组并联。

根据例3所得支路流量：G=4.97 l/min
根据例2所得P-G 关系式：0003.00016.00003.02-+=∆G G P
故单台集热器压降：=-⨯+⨯=∆0003.04.970016.04.970003.02P 0.015 MPa 6台串联、3组并联后的总压力为：0.015×6=0.09 MPa
根据计算得出流量和压降，如果两者在适当的范围内即可进行下面的计算，否则返回第3步重新选择串并联形式。

第6步 热水系统管道水力计算
工程中一般按供水管均筹表（见表1）和工程的实际经验初步确定管径。

表1中的数值表示对应行标所代表的管径通过的流量相当于此数值对应列标所代表的管径通过流量的倍数。

表1 供水管均筹表
管道口径
6 8 10 15 20 25 30 40 6
8 10 15 20 25 30 40
1 2.1 4.5 8.
2 16 30 60 88
1 2.1 3.8 7.7 14 28 41
1 1.8 3.6 6.6 13 19
1 2 3.7 7.2 11
1 1.8 3.6 5.3
1 2 2.9
1 1.5
1
太阳集热系统流量确定之后针对具体的管路可以计算出该支路的沿程阻力损失和局部阻力损失，即管路压降。

热水管网的水头损失应遵守下列规定：
1、单位长度水头损失，应按下列公式计算： 当V<0.44m/s 时：
3
.03.13187.01000897.0⎪
⎭⎫ ⎝
⎛+=V d V i j (7)
当V>0.44m/s 时：
3
.120010524.0j
d V i = (8)
式中 i ——管道单位长度的水头损失(m/m)； V ——管道内的平均水流速度(m/s)；
dj ——考虑结垢和腐蚀等因素后的管道计算内径(m)。

2、局部水头损失，宜按下列管网沿途水头损失的百分数采用： 1）生活给水管网为25%～30%。

2）生产给水管网；生活、消防共用给水管网；生活、生产、消防共用给水管网均为20%。

3）消火栓系统消防给水管网为10%。

4）生产、消防共用给水管网为15%。

根据管路损失适当调整管径，按上述步骤重新计算，直到得到满意的结果，最终确定管径。

例5：
已知：主干路，内径28mm ，长100m
三个并联支路，内径20mm ，长20m 干路流量14.77 l/min 干路水流速度：
2
028.04
60100077
.14π⨯
⨯=0.40 m/s
支路水流速度：
2
020.04
6010003/77.14π⨯
⨯=0.26 m/s
干路单位长度水头损失为
3
.03.140.03187.01028.040.0000897.0⎪
⎭⎫ ⎝
⎛+=i =0.044 m
支路单位长度水头损失为
3
.03.126.03187.01020.026.0000897.0⎪
⎭⎫ ⎝⎛+=i =0.047 m
总压降为
(0. 044*100+0.047*20)*(1+0.3)=6.94 m
第7步 水箱盘管水力计算
太阳能热水系统的水箱换热器一般为铜盘管换热器。

通过水箱换热计算确定换热面积，通过水力计算确定盘管的直径、长度及并联形式。

水力计算所用公式同上。

例6：
已知：水箱盘管换热面积12 m 2，流量40 l/min 当盘管为一寸铜管时
当盘管为六分铜管时
根据经济性比较可在两级并联的一寸铜盘管和三级并联的六分铜盘管间选择。

第8步 太阳能热水系统水泵的选取
①在太阳热水系统中，在满足扬程和流量要求的条件下，应选择功率较小的泵 ②在强迫循环系统中，水温≥50℃时宜选用耐热泵 ③泵与传热工质应有很好的相容性
-----------引自GB/T18713-2002《太阳热水系统设计、安装及工程验收技术规范》
根据计算得出的太阳能热水系统的总流量和总压降选择适当的水泵。

其中水泵的扬程按下式计算：
H=ΔP集热器+ΔP管路+ΔP盘管
选泵时一定要查看水泵特性曲线，据此选择适当的水泵。

附录一中硬薄壁铜管规格和工作压力
中硬薄壁规格和工作压力
附录二管道支点设置的最大安装距离
附录三内锡焊铜配件选型表
附录四热水及饮水供应国家标准
第一节热水用水定额、水温和水质
第4.1.1条生产用热水水量、水温和水质，应按工艺要求确定。

第4.1.2条集中供应冷、热水时，热水用水定额，根据卫生器具完善程度和地区条件，应按表4.1.2-1确定。

卫生器具的一次和小时热水用水量和水温，应按表4.1.2-2确定。

注：①表4.1.2-1内所列用水定额均已包括在本规范表2.1.1、表2.1.2中。

②本表60℃热水水温为计算温度，卫生器具使用时的热水水温见表
4.1.2-2。

卫生器具的一次和小时热水用水定额及水温表4.1.2-2
注：一般车间指现行的《工业企业设计卫生标准》中规定的3、4级卫生特征的车间，脏车间指该标准中规定的1、2级卫生特征的车间。

第4.1.3条生活用热水的水质，应符合现行的《生活饮用水卫生标准》的要求。

第4.1.4条集中热水供应系统的热水在加热前的水质处理，应根据水质、水量、水温、使用要求等因素经技术经济比较确定；对建筑用水宜进行水质处理。

按60℃计算的日用水量大于或等于10m3时，原水总硬度（以碳酸钙计）大于357mg/L时，洗衣房用水应进行水质处理，其他建筑用水宜进行水质处理。

按60℃计算的日用水量小于10m3时，其原水可不进行水质处理。

注：对溶解氧控制要求较高时，可采取除氧措施。

第4.1.5条冷水的计算温度，应以当地最冷月平均水温资料确定。

当无水温资料时，可按表4.1.5采用。

冷水计算温度表4.1.5
注：分区的具体划分，应按现行的《室外给水设计规范》的规定确定。

第4.1.6条热水锅炉或水加热器出口的最高水温和配水点的最低水温，可按表4.1.6采用。

热水锅炉或水加热器出口的最高水温和配水点的最低水温表4.1.6
注：当热水供应系统只供淋浴和盥洗用水，不供洗涤盆（池）洗涤用水时，配水点最低水温可不低于40℃。