太阳能集中热水系统设计实例分析

太阳能集中热水系统设计实例分析摘要：随着太阳能应用水平和技术的不断提高，太阳能热水系统越来越受到人们的重视。太阳能热水系统可提供近乎免费的生活热水，但其受天气影响难以全天候运行，需要设置辅助加热装置，而空气源热泵是较易实现且自身就有节能特点的热源形式。本文结合某工程实例，谈谈太阳能集中热水系统的设计过程。

关键词：太阳能；集中热水系统；原理；节能

目前我国大力提倡环境保护和建设节约型社会，动员和激励全社会节约和高效利用各种资源。而太阳能以清洁、取之不竭、安全、经济效益好等显著优势，已越来越受到社会各方面的关注。而在太阳能产业的发展中，太阳能热水器的热利用转换技术无疑是最为成熟的。太阳能热水系统是吸收太阳辐射能为热源，将太阳能转为热能以达到加热水的目的的整套装置，包括太阳能集热装置、储热装置、循环管路装置等。本系统的最大优势在于，在日照充足条件下，整个系统运行成本几乎为零，这也是在太阳能比较丰富的地区以太阳能作为生产热水主要能源的重要原因。下文结合工程实例，对空气源热泵辅助加热的太阳能集中热水系统（下文简称系统）的设计过程进行分析和探讨。

一、工程概况及设计原则

某工程位于深圳，由3栋18层的小高层住宅，每栋分a,b座，每座每层4户，一层架空，每栋均设置独立的太阳能集中热水系统。

以其中1栋为例，热水用水定额80l/(人.d)，热水日最高用水量为38.08m3，最大时用水量为4.76m3/h，冷水计算温度ti=15℃，热水计算温度tend=60℃，设计小时耗热量为210.5kj/h。采用集中太阳能热水系统，配以空气源热泵为辅助加热。在进行系统设计和产品选择时主要考虑了以下几个原则：(1)保证用户热水供应的连续性和稳定性。平常尽可能多利用太阳能，日照不充足时通过可靠的辅助加热措施，保证用户随时使用热水；(2)采用成熟的太阳能热水技术，通过优化系统配置，控制初期建设投资，并避免复杂的后期运行维护管理；(3)与建筑设计同步进行，解决好与建筑一体化的问题，以及系统冬季防冻、漏电、防雷等安全问题；

二、系统原理分析

1、系统原理

深圳地区在全国的太阳能条件方面属于资源一般区中的较高水平，年日照时数为1975h，水平面上年太阳辐照量5225mj/(m2 a)。由于可接收的太阳能辐射的不稳定性，需要设置辅助加热进行补充。深圳地区室外温度较高，采用空气源热泵进行辅助加热具有较高的能效比，可保证全天24h不间断热水供应。将空气源热泵机组和太阳能集热系统两者恰当结合，既充分利用了太阳能，又保证了不利气候条件下的热水持续供应，最大限度的降低运行成本，节能省费。

结合上述，整个热水系统可分为太阳能集热系统和空气源热泵

辅助加热系统两部分，具体包括太阳能集热板、太阳能承压热水罐、太阳能热水循环泵；空气源热泵机组、生活热水箱、生活热水箱循环泵、生活热水系统循环泵以及控制器等。系统原理见图1。

2、系统运行工况分析

系统的运行主要有以下四种工况:

(1)太阳能集热系统单独加热。在日照充足的白天，系统按此工况工作，加热后的水进入闭式水罐。太阳能热水循环泵的工作由系统控制器根据太阳能集热器和太阳能储热罐的水温进行控制。

(2)空气源热泵辅助太阳能集热系统加热。当阴雨天或光照不足，系统按此工况工作。太阳能集热系统在设定的时间内不能使生活热水箱温度达到设计水温时，热水箱内的感温元件检测水温，然后自动启动空气源热泵热水机组加热，当水箱水温达到设定值时，空气源热泵热水机组自动关闭。

(3)太阳能和热泵机组同时加热。此种工况出现在生活热水供水系统耗热量大于太阳能集热系统的有效供热量或太阳能集热器的

数量较少，不能满足用热水系统的用热需求的情况下。同时工作加热时，系统采用自动温差控制循环加热，根据太阳能热水系统的运行情况、环境状况，结合空气源热泵的性能特点来自动切换热泵机组的运行，最大限度少开机或不开机。从而确保热水在不低于55℃供应下限的前提下，为太阳能的充分利用提供保障，同时也为机组

的节能利用和安全运行提供可靠的保证。

(4)空气源热泵机组单独加热。在连续的雨雪天气，热水系统所需热量完全由空气源热泵机组提供。此时，太阳能系统处于待机状态，热泵机组单独工作对热水箱加热。

三、系统设计

1、太阳能集热系统设计

1.1太阳能集热器总采光面积

经查资料，本工程所在地太阳能集热器采光面上的年平均日太阳辐射量jt=12.12mj/(m2 d)；太阳能保证率f以0.5计；集热器年平均集热效率η取0.5，储水箱和管路的热损失率取值ηl取0.20，根据标准图集的计算公式，计算所需总采光面积为ac=720.8㎡。

1.2太阳能储热罐容积

本系统中，太阳能集热部分为直接加热系统，太阳能储热罐仅作为太阳能系统本身储热使用，其容积可按集热系统日均产水量(60℃)确定，即v=720.8*0.05=36m3，设计采用40m3水箱一座。

1.3集热器安装

屋顶集热器采用串并联方式铺放、组合。每组串联的集热器不超过16个，然后组成一个集热器阵列，所产热水进入太阳能储热罐。

1.4太阳能热水循环泵选型

太阳能集热系统循环流量qxl=b2a，其中b2为太阳能集热器单位面积流量，a为集热器面积。本系统中

qxl=0.02*720.8=14.42(l/s)。循环水泵的扬程依据所需克服的系统阻力确定。

2、空气源热泵辅助加热系统设计

2.1空气源热泵热水机组选型

水温、气温较低的冬季，热泵热水机组cop（能效比）降低，在生产热水量减少的同时，热水用量却大增，要能满足冬季的热水供给，需要按冬季极端低温来计算热水产量。根据气象资料，极端低温天气为15d，平均气温为14~16℃，计算冷水温度为15℃。在本工程设计中，最不利状况下，全天热水均由空气源热泵机组生产热水，即每小时产水量为38.08/24=1.60m3/h。查得某品牌某型号直热式空气源热泵热水机组性能曲线，在室外气温为14~16℃时，其单台输入功率n1=24.4kw，输出制热功率n2=77kw，流量2.0m3/h，选取1台。

2.2生活热水箱容积

本工程为全日制24h供热水，生活热水箱作为整个系统热水的供水水箱，其有效容积可按最高日最高时生活热水用量来确定，设计取v=10.0m3。

2.3热水箱循环泵选型

热水箱循环泵的流量可按每小时将热水箱内的热水循环2～4次