高校太阳能热水系统集中集热、集中热水的设计

第二步：试计算每餐集热器总面积 试计算最高日中、晚餐每餐热水用量直接加热供水 2 系统的集热器总面积为：2085m 。 （注： 集热器采光面上年平均日太阳能总辐照量中、 晚餐每餐取半计。 ） 由于食堂屋面已布置过多排油烟风机， 仅可布置 430 ㎡的太阳能集热器。 第三步： 计算每餐集热系统集热水容积 V 集与热水供 应系统供热水容积 V 供 集热系统集热水容积 V 集按文献 1 第 5.4.2A 集热器 单位采光面积平均日中、 晚餐每餐产热水量公式计算为： 3 V 集=10.75m /d。 （注：集热器单位采光面积平均日产热水量中、晚 餐每餐取半计。） 热水供应系统供热水容积 V 供依据辅助加热设备的 类型、工作方式确定，贮热设备为容积式燃气热水炉， 食堂准备一次饭菜大概 4 小时，餐前 2 小时、餐后 2 小 时，则每餐设计小时用热水量： 13.125 T/h。 依据表 1 水加热器的贮热量要求，经计算每餐为： V 供=4.375m3/d。 第四步：依据冷水供给方式匹配热水供给方式 冷水供给方式采用室外集中非承压冷水箱 + 恒压变 频泵组供给，则热水供给可匹配图 6 方式一(a)、(b)的 模式。 第五步：选用集热系统热水的储备形式，整合太阳 能热水系统 依据第三步的计算结果 40%V 集≤V 供 ，按前面集热 系统章节分析宜采用两个贮热水罐，可选用图 5 闭式集 热水罐+闭式供热水罐(a)的集热的形式，各楼层独立设 置热水机房， 内置半容积式换热器+辅助容积式燃气热水 炉供给的形式，结合匹配的热水供给方式，整合为一套 学生食堂太阳能热水系统原理图。 由于容积式燃气热水炉配置容积有限，不能满足最 小贮热量，辅助热源按小时耗热量配置，即烧即用，满 足食堂用水要求。 4.2 案例二 辽宁医药职业学院新校园学生浴室，单层建筑，地 下一层为设备用房，共设置 184 只淋浴器，不设置淋浴 隔断，每天开放的人数 1500 人，定时开放时间为 14： 30~19：30，运行 5 小时。 第一步：计算洗浴热水用量 经计算最高日热水用量为算：：60m3/d。 第二步：试计算集热器总面积 试计算最高日热水用量直接加热供水系统的集热器
总面积为：1191m 。 由于学生浴室屋面较小，仅可布置 300 ㎡的太阳能 集热器。 第三步： 计算集热系统集热水容积 V 集与热水供应系 统供热水容积 V 供 集热系统集热水容积 V 集按文献 1 第 5.4.2A 集热器 单位采光面积平均日产热水量公式计算为： 3 V 集=15m /d。 热水供应系统供热水容积 V 供依据辅助加热设备的 类型、工作方式确定，辅助热源为燃气热水锅炉，贮热 设备为加热水箱，则设计小时用热水量： 53.7 T/h。 依据表 1 水加热器的贮热量要求，经计算为： V 供=80.5m3/d。 V 供计算数值＞V 用，取 V 供=60m3 计。 第四步：依据冷水供给方式匹配热水供给方式 考虑到冷、热水用水量较大，冷水供给方式采用地 下一层非承压冷水箱+恒压变频泵组供给， 则热水供给可 匹配图 8 方式三(a)、(b)的模式，即地下一层非承压热 水箱+恒压变频泵组供给。 第五步：选用集热系统热水的储备形式，整合太阳 能热水系统 依据第三步的计算结果 40%V 集＜V 集＜V 供 ，V 供远 大于 V 集，太阳能集热器不能满足日用热水量的能耗，只 能提供小部分热水，按前面集热系统章节分析宜采用两 个贮热水箱， 可选用图 3 开式集热水箱+开式供热水箱(b) 的集热的形式，太阳能热源先将集热水箱中冷水预热， 再送入供热水箱，由辅助热源加热至设定温度。而此工 程为简化设计，仅采用单一的开式热水箱集热形式，见 图 1 单一的开式热水箱(b)，结合匹配的热水供给方式， 整合为一套学生浴室太阳能热水系统原理图。 开式热水箱设置 60m3，辅助热源可分 6 小时将冷水 加热至一定温度，小时供热量大致为 700Kw。 若集热系统采用单一的闭式热水罐形式图 2 （b） ， 由 3 [4] 于单只闭式热水罐最大容积仅 20m ，不足以供应日用 热水量，其小时供热量须等同于小时耗热量，大致为 3400Kw，与单一的开式热水箱集热形式供热量 700Kw 相比较， 两者数值相差很大， 可以看出， 选用热水箱 （罐） 的不同，其辅助热源的小时供热量是不相同的，辅助热 源选型过大，浪费，不经济。 5 总结 通过高校学生食堂、学生浴室太阳能热水系统的设 计，初步整理了一下太阳能热水系统设计的基本步骤： 第一步：计算热水用量 第二步：试计算集热式供热水罐
由以上图示，可以看出，生活给水补水均至单一式 热水箱（罐）或组合式的集热水箱（罐） ，组合式集热水 箱（罐）与供热水箱（罐）一般只存在单方向水流（非
3 热水供应系统 热水供应系统用水点冷、热水压力平衡是设计的一 个重要问题，文献 1 第 5.2.13 条 1：要求热水系统应与 给水系统分区应一致，各区的热水水源均应由同区的给 水系统专管供给；当不能满足要求时，应采取保证系统 冷、热水压力平衡的措施，可以理解为冷、热水压力平 衡须考虑以下三点：①冷、热水分区一致，②冷、热水 同源[5]，③当不能满足要求时，采取一定的措施也可以。 故热水设计时在已经明确冷水供给方式的情况下，选用 其匹配的热水供给方式是设计首要考虑的重点。 热水供应方式由前面所述，在确保同区的前提下， 大致可采用以下几种，见图 6、图 7、图 8。
图 3 开式集热水箱+开式供热水箱
① 40%V 集≥V 供[3]， 可以理解太阳能集热器布置足够 多，平均日产热水量(q rjd Aj )远大于热水供应系统供
图 4 开式集热水箱+闭式供热水罐
热量，热水供应系统供热容积 V 供相对过于较小，故宜采 用单一的开式热水箱、单一的闭式热水罐形式，太阳能 与辅助热源直接在热水箱联合加热，此种情况太阳能集 热器的布置面积只要确保平均日产热水量 V 集＝V 用日热 水用量即可，不需要过多浪费布置。 开式集热水箱适用于日用热水量较大的公共建筑， 闭式集热水罐适用于日用水较小的公共建筑。 ② 40%V 集＜V 供 [3]，可以理解热水供应系统供热量 占太阳能集热器平均日产热水量的 40%， 相对有一定的贮 备水量，故宜采用两个贮热水箱（罐），太阳能热源先 将冷水预热，再由辅助热源加热至设定温度。 开式热水箱与闭式热水罐的选用影响着辅助热源小 时热量的取值， 开式热水箱设置容积等同于 V 供= V 用- （V 集)，可由辅助热源分多时段内加热至一定温度，其小时 供热量可以很小，而闭式热水罐由于容积只能做到一定 量，如容积式换热器、贮水罐，无法储备过多热水，不 足以满足日用大量热水的需要，其辅助热源的小时供热 量须等同于小时耗热量，选用的热源设备参数会很大。
图 8 方式三
图 6 方式一
图 7 方式二
冷水供给一般采用市政压力直接供给、恒压变频泵 组供给以及屋顶冷水箱重力供给三种方式，则热水依照 冷水供给方式匹配的相应供给方式如下： ①冷水由市政、冷水泵组压力、屋顶冷水箱重力供 给，则热水可采用市政、冷水泵组压力、屋顶冷水箱重 力+承压热水罐供给，冷、热水同源，压力平衡，见图 6 方式一(a)、(b)； ②冷水由屋顶冷水箱重力供给，则热水亦采用屋顶 热水箱重力供给，不同源，但冷、热水由同一的高度冷、 热水箱供给，压力平衡，见图 7 方式二； ③冷水由冷水恒压变频泵组供给，则热水采用下部 非承压热水箱+恒压变频热水泵组供给，不同源，但冷、 热水由同一型号的冷、热水恒压变频泵组各自供给，可 以理解为静态上用水点压力平衡，或者说用水点冷、热 水的压差是相对接近并稳定的，压力平衡，见图 8 方式 三(a)、(b)。 ④冷水由市政、冷水泵组压力供给，若热水采用屋 顶热水箱重力供给，冷水上供，热水下供，管路布置不 一致，冷、热水不同源，此种情况目前存在比较普遍， 原因是太阳能厂家一般配合设计的图纸多为屋顶热水箱 供水形式，而生活给水多采用市政压力直供或恒压变频 供给方式，依据文献 1 第 5.2.13 条当不能满足同区、同 源时，只要采取确保系统冷热水压力平衡的措施也是可 行的，措施为：市政水压直供的冷水管上或者冷水变频 泵组供给的出水管上设置恒压装置，压力不随流量变化 而变化，近似恒压，热水由屋顶热水箱静水压给水，水 位变化不大，近似恒压，冷水、热水管路均采用下行上 给方式，自下而上，压力逐渐减少，最不利点均出现在 最高用水点， 可以理解为各用水点存在较恒定的压力差， 只要确保市政水压直供的冷水管上或者冷水变频泵组供 给的出水管上设置恒压装置，压力参数取值与屋顶热水 箱静水压数值一致，可理解为冷、热水压力平衡；再者 用水点采用小型混水阀双重措施。 4 实际案例 4.1 案例一 沈阳药科大学新校区学生食堂，三层建筑，每天供 应的人数 7500 人。 第一步：计算每餐热水用量 食堂一般一日三餐，早餐可能没有太阳能热源供给， 由辅助热源供给，中、晚餐可由太阳能热源分时段供给， 中餐利用上午时段太阳能热源，晚餐利用下午时段太阳 能热源。 经计算最高日中、晚餐每餐热水用量为：52.5m3/d。
图 2 单一的闭式热水罐
热媒水） 。 2．2 集热系统热水储备形式的选用 集热系统热水储备形式的选用须依据集热系统集热 水容积 V 集与热水供应系统供热水容积 V 供的计算数值对 比确定， 集热系统集热水容积 V 集为集热系统集热器平均 日产热水量 ( q rjd A j ) ，热水供应系统供热水容积 V 供依 据辅助加热设备的类型、工作方式，按照现行文献 1 水 加热器的贮热量表 1 要求计算取得：
高校太阳能热水系统集中集热、集中热水的设计
马宗强
（上海同砚建筑规划设计有限公司 上海 200092） 摘要：太阳能热水系统技术目前在应用发展中已经相当成熟，关于这方面的书籍、论文以及工程案例 也特别多，然而在实际工程使用中总是存在诸多的问题，究其原因是系统形式选用、设计计算不合理。太 阳能热水系统在民用设计工程中不受重视，设计单位前期出图深度一般停留在初步设计阶段或仅提供太阳 能集热器面积、热水水量参数等要求，后期由中标专业厂家仅针对热水系统深化设计，未能与冷水系统匹 配，导致实际运行存在诸多弊病。本文依据现行规范、措施以及图集等资料，将相关内容进行梳理，结合 高校实际工程，针对集中集热、集中热水太阳能热水强制循环系统论述其系统的设计步骤及方法，旨在为 自身能力有限的设计同行分享自己的设计经验，提供参考。 关键词：太阳能热水系统 集热系统、热水供应系统 太阳能是人类取之不尽用之不竭的可再生能源，太 ③冷、热水由同一型号的冷、热恒压变频泵组供给的方 阳能热水系统， 利用太阳能集热器将太阳能转换成热能， 式以及④冷水由市政压力、冷水泵组压力供给，热水由 把水加热的一种装置，是目前太阳热能应用发展中最具 屋顶水箱静水压力供给的方式。 经济价值、技术最成熟且已商业化的一项应用产品。 2 集热系统 2．1 集热系统热水储备形式的种类 公共建筑太阳能热水系统，多采用集中集热、集中 集热系统热水储备形式大致有单一的开式热水箱、 热水形式，笔者针对高校学生食堂、学生浴室、体育馆、 单一的闭式热水罐、开式集热水箱+开式供热水箱、开式 宾馆太阳能热水系统的设计作一阐述。 集热水箱+闭式供热水罐、闭式集热水罐+闭式供热水罐 1 系统的简述 五种，见图 1、图 2、图 3、图 4、图 5，其太阳辐射能转 集中集热、集中热水太阳能热水系统，由集热系统 化为热水热能可采用直接或间接换热。 和热水供应系统两部分组成，集热系统指利用太阳能集 热器，收集太阳辐射能并转化为热水热能；热水供应系 统指热水通过管路供应至用水点。 集热系统太阳辐射能转化为热水热能的形式有多样 性，有直接换热和间接换热，参看文献 2，直接换热细分 自然循环和强制循环八种形式，间接换热细分为强制循 环五种形式，集中集热、集中热水太阳能热水系统一般 采用强制循环系统，也是本文讨论的方向。 简单的理解集热系统仅为把热水箱（罐）的水加热 或者预热，其形式无论怎么变换，最终的目的是将太阳 辐射能转化为热水热能，储备在热水箱（罐）内。 图 1 单一的开式热水箱 热水供应系统，指从热水箱（罐）取水，通过管路 供应至用水点，其方式按加热冷水、贮存热水及管网布 置方式不同，可分为很多种，本文仅从冷、热水压力平 衡着手，在确保同区的前提下，以同源、不同源[5]分类， 同源 同区 1.同一高度冷、热水箱 不同源 2.同一型号冷、热恒压水泵 3.冷水市政、恒压水泵，热水高位水箱 大致分为①冷、热水由同源外力供给的方式（同源 外力可以为市政压力、冷水泵组压力或屋顶冷水箱静水 压力），②冷、热水由同一高度冷、热水箱供给的方式，
表 1 水加热器的贮热量
以蒸汽和 95°C 以上的 热水为热媒时 加热设备 工业企业 其他建筑 物 ≥45min Qh 工业企业 其他建筑物 淋浴室 容积式水加热 ≥30min Qh 器或加热水箱 导流型容积式 ≥20min Qh 水加热器 半容积式水加 ≥15min Qh 热器 注：1.燃气热水机组所配贮热器，贮热量宜根据热媒供应情况按导流型容 积式水加热器或半容积式水加热器确定。 2.Qh 为设计小时耗热量（KJ/h） 。 ≥15min Qh ≥15min Qh ≥20min Qh ≥30min Qh ≥30min Qh ≥40min Qh ≥60min Qh ≥90min Qh 淋浴室 以≤95°C 以上的热水为热 媒时