太阳能热水专业系统设计与设备选用.docx

4.2系统设计和设备选择4.2.1集热器安装部署：1. 集热器安装倾角（集热器和水平夹角）宜等于当地纬度；如系统侧重在夏季使用，其安装倾角等于当地纬度减10度；如系统侧重在冬天使用，其安装倾角等于当地纬度加10度。当采取水平热管集热器时，安装倾角能够为0度。2. 集热器安装方位（集热器采光面法线）宜朝向正南或南偏东、偏西30度朝向范围内设置。3. 集热器不宜安装在受建筑本身及周围设施和绿化树木遮挡部位，且宜满足不少于4h日照时数要求。4. 集热器不应跨越建筑变形缝设置。5. 应依据集热器形式、安装面积、尺寸大小进行细部设计，确定其在建筑上安装位置和安装方法（如一体式、叠合式、支架式等）。6. 集热器和遮光物或前后排最小距离按式4.2.1计算： D=Hcotcos （4.2.1）式中 D集热器和遮光物或集热器前后排间最小距离（m）; H遮光物最高点和集热器最低点垂直距离（m）; 太阳高角度。整年运行系统，宜选当地春分、秋分日9：00或15：00太阳高度角;关键在春、夏、秋三季运行系统，宜选当地春分、秋分日8：.00或16：00太阳高度角；关键在冬季运行系统，宜选当地冬至日10：00或14：00太阳高度角；计算时刻太阳光线在水平上投影线和集热器表面法线在水平面上投影线之间夹角度。7集热器可经过并联、串联和串并联等方法连接成集热器组，并应符合下列要求：1）集热器组中集热器连接尽可能采取并联，串联集热器数目应尽可能少。2）对于自然循环系统，集热器组中集热器连接宜采取并联。平板集热器每排并联数目不宜超出16块。3）全玻璃真空管东西向放置集热器，在同一斜面上多层部署时，串联集热器不宜超出3块（每块集热器联箱长度小于2m）。4）对于自然循环系统，每个系统全部集热器数目不宜超出24块。大面积自然循环系统，能够分成若干个子系统，每个子系统中集热器数目不宜超出24块。4.2.2 集热器选择。集热器类型应依据太阳能热水系统在十二个月中运行时间、运行期内最低环境温度、水质条件、经济条件、维护管理等多方面原因综合考虑，参考表4.2.2选择。表4.2.2 集热器类型选择表选择要素集热器类型平板型全玻璃真空管型金属-玻璃真空管型运行期内最低环境温度高于零度可用可用可用低于零度不可用可用可用集热效率低中高运行方法承压、非承压非承压承压、非承压和建筑外观结合程度好通常很好易损程度低高中价格低中高注：采取防冻方法后可用。 如不采取防冻出方法，应注意最低环境温度及阴天连续时间。 本项指全国范围内整年集热器效率。在环境温度常年高于零度地域，或只在夏季使用系统，平板型集热器效率略高于全玻璃真空管型。4.2.3 确定系统太阳能确保率。太阳能确保率是系统中由太阳能部分提供热量除以系统总负荷。应根据下列原因设定：1.依据当地日照条件，宜根据3080范围设定，取值范围可根据表4.2.3推荐值选择。2.根据不一样供热水目标确定系统太阳能确保率。以整年使用太阳能热水系统，宜取中间值；对预期投资规模较小，偏重于再春、夏、秋季使用，且不期望夏季产生太阳能热水有过剩现象系统，宜取偏小值；对预期投资规模较大，偏重于在冬季使用，期望在冬季能得到较多太阳能热水，而在夏季又能做到综合利用系统，宜取偏大值。等级太阳能条件年日照 时数（h）水平面上年太阳辐照量（MJ/m2y）地 区集热面积 (m2）一资源丰富区320033006700宁夏北、甘肃西、新疆东南、青海西、西藏西60%-80%二资源较富区3000320054006700冀西北、京、津、晋北、内蒙、宁夏南、甘肃中东、青海东、西藏南、新疆南50%-60%三资源一般区2200300050005400鲁、豫、冀东南、晋南、新疆北、吉林、辽宁、云南、陕北、甘东南、粤南40%-50%1400220042005000湘、桂、赣、江、浙、沪、皖、鄂、闽北、粤北、陕南、黑龙江40%-50%四资源贫乏区100014004200川、黔、渝40%表4.2.3 太阳能热水系统集热参数推荐选择表4.2.4 计算集热器面积。 1. 直接系统集热器总面积计算： （4.2.4-1）式中 Ac直接加热系统集热器总面积（m2）； 设计日用热水量（L/d），可按现行相关规范（规程）种热水用水定额下限取值； 贮水箱内水设计温度（ 0C）； 贮水箱内水初始温度（0C）；太阳能确保率（%）；依据系统使用期内太阳辐照、系统经济性及用户要求等原因综合考虑后确定，宜为30%80% ；当地集热器采光面上年平均日太阳能辐照量（Kj/m2d);集热器年平均集热器效率，无量纲；依据经验取值宜为=0.250.50，具体取值可按集热器产品实测数据定；集热系统热损失率，依系统保温方法定，经验取值为=0.200.30；C水定压比热容，c=4.187（kJ/kg）；热水密度（KG/L），见表4.2.4所表示。表4.2.4 不一样水温热水密度值温度（）4042444648505254密度（kg/L）0.99220.99150.99070.98980.98890.98810.98710.9862温度（）5658606264666870密度（kg/L）0.98520.98420.98320.98220.98110.98000.97890.9778注：当集热器间距不能满足式4.2.1计算值时，应根据集热器实际接收日照时间段内太阳辐射量（参见建筑用气象数据）计算。2 间接系统集热器总面积计算： (4.2.4-2)式中间接系统集热器总面积（）； 集热器总热损系数W/()；对于平板型集热器，通常取46W/()；对于真空管集热器，通常取值12 W/()；具体数值应依据集热器产品实际测试结果而定； 换热器传热系数W/()； 换热器换热面积（）。4.2.5 太阳能热水系统应依据冷水硬度、气候条件、冷热水供水压力平衡要求等确定加热方法：1.在冷水总硬度大小150mg/L（以CaCO3计），冬季严寒地域，用户对水压稳定要求较高场所宜选择间接加热供水系统。2.在冷水总硬度小于等于150mg/L（以CaCO3计），冬季非严寒地域，用户对水压稳定要求通常场所宜选择直接加热供水系统。4.2.6 贮热水箱（罐）设计： 1. 确定系统贮热水容积。依据集热器系统和供水系统设计要求，分别计算量个系统贮热容积（）,去二者大值定为太阳能热水系统贮热水容积。 1）根据下式计算： = (4.2.6) 2）太阳能集热器采光面积（）； 3）单位采光面积平均每日产热水量（L/d），集体数值应依据当地日照条件、集热器产品实际测试结果而定。方案阶段可依据太阳能行业经验数值选择，对于直接加热系统，=40100（L/d），取值范围可参考表4.2.6；对于间接加热系统，=3070（L/d）。表4.2.6 直接加热系统单位采光面积平均每日产热水量等级太阳能条件单位采光面积产热水量（L/d）资源丰富区70100资源较富区6070资源通常区5060资源贫乏区4050注：产热水温度为4550。2）计算：采取分散热水供给方法时，应等于用户每日热水用量；采取集中热水供给方法时，贮热量应依据选择辅助加热设备类型、工作方法，根据现行建筑给排水设计规范GB50015-要求计算。3）当40% ，太阳能热水系统宜设置一个贮热水箱（罐），辅助加热设备可内置其中，太阳能和辅助热源联合加热。4）当40% ，太阳能热水系统宜设置两个贮热水箱（罐），太阳能热水优异入贮热水箱（罐），辅助加热设备设置在供热水箱（罐）中，利用太阳能将冷水预热，在送入供热水箱（罐），由辅助热源加热至设定温度。2.热水箱选择。选择热水箱除应满足建筑给排水设计规范GB50015-要求外，还应符合下列要求：1）钢板焊接水箱，水箱内外壁均应按设计要求做防腐处理。内壁防腐涂料应卫生、无毒，且应能承受所贮存热水最高温度。2）内置电加热水箱内箱应作接地处理，按地应符合现行国家标准电气装置安装工程接地装置施工及验收规范GB50169要求。3）水箱应进行检漏试验，试验方法应符合建筑给水排水及采暖工程施工质量验收规范GB50242-相关要求。4）水箱保温应在检漏试验合格后进行。水箱保温应符合现行国家标准工业设备及管道绝热工程质量检验评定标准GB50185要求。3.热水箱（罐）设置应符合下列要求：设置热水箱除应满足建筑给排水设计规范GB50015-要求外，还应符合下列要求：1） 热水箱（罐）宜设置在室内，采取分散太阳能热水系统时，宜设置在卫生间、厨房、储藏间、阳台、阁楼、楼梯等位置，有条件也可设置在为其单独设计设备间；采取集中太阳能热水系统时，宜设置在地下室、屋顶层设备间、技术夹层中设备间或为其单独设计设备间内。其位置应确保其安全运转和便于操作、检修。2） 设置热水箱（罐）位置应含有对应排水、防水方法。3） 热水箱（罐）基座必需设在建筑物承重墙（梁）上，并预留固定用预埋件。预埋件和基座之间空隙，应用细石混凝土填捣密实。4） 热水箱（罐）应用地脚螺栓和基础连接牢靠。4.2.7 强制循环集热系统循环泵计算：1.集热循环泵流量按下式计算； ( 4.2.7-1)式中 循环泵流量（L/s）； 单位采光面积集热器对应工质流量（L/s），应按集热器提供工作流量确定，也可根据经验值0.0150.02（L/s）估算（该值是对应采光面积进行集热器效率测试时要求流量范围）。2. 开式太阳能集热系统循环泵扬程按下式计算： （4.2.7-2） 式中 循环泵扬程（kPa）； 集热循环管道沿程和局部助力损失（kPa）； 集热器间接换热设备助力损失（kPa），按对应间接换热设备取值； 循环流量流经集热器阻力损失（kPa），=； 单块集热器阻力（kPa），应依据实测曲线根据实际工作流量确定，也可根据经验值1 kPa估算（该值对应单块集热器采光面积约2）； 集热循环系统中产生阻力集热器块数，即集热器组中串联集热器最多一组块数； 集热器和贮热水箱之间几何高差（kPa）； 为确保换热效果附加压力（kPa），=2050（kPa）。3. 闭式太阳能集热系统循环泵扬程按下式计算： （4.2.7-3）4.2.8 间接太阳能热水系统换热设备依据水质硬度、冷热水系统压力平衡要求、系统型式、系统大小等条件，经技术经济比较后选择。1）水质总硬度大于150mg/L（以CaCO3计），冷热水压力平衡要求较高系统宜选择半容积式、导流型容积式水加热器。2）水质总硬度小于150mg/L（以CaCO3计），且冷热水压力平衡要求低系统可选择快速水加热器或半即热式水集热器。3）换热设备换热面积按下式计算： （4.2.8）式中 换热设备换热面积（）； 集热系统换热量（W）； 太阳辐照度时改变系数，通常取1.5 1.8，取高限时有利于太阳能利用； 年平均日日照小时数（h/d） 传热系数（W/），参考值见表4.2.8所表示； 因为水垢和热媒分布不均影响热效系数，通常为0.60.8； 热媒和被加热水计算温度差（），可按510取值； 集热系统热损失系数，通常为1.11.2。表4.2.8 换热设备传热系数参数值类型容积式水加热器导流型容积式水加热器半容积式水加热器半即热式水加热器板式换热器（W/）38041068015008102500160021003000注：1.当设备厂家能提供经测试值时，应以厂家提供值为依据。 2.当参数上表选择值时，可依据换热工况、许可阻力损失等参考全国民用建筑工程设计技术方法给水排水相关条款等选择。4）换热设备数量不宜少于两台，一台换热设备检修时，其它各台总换热能力不得小于集热器产热量50%。4.2.9 太阳能热水系统应设辅助热源及其加热设施，其设计计算应符合下列要求： 1.辅助热源可因地制宜选择城市热网、热泵、燃气、燃油、电等； 2.辅助热源供热量宜按现行国家标准建筑给水排水设计规范GB50015-要求系统耗热量计算；在村镇或市政基础设施配套不全、热水用水要求不高地域，可依据当地实际情况，合适降低辅助热源供热量标准；3辅助热源加热设备应依据热源种类、供水水质、冷热水系统型式等选择直接加热或间接加热设备。设计应符合现行国家标准建筑给水排水设计规范GB50015-相关要求；4.辅助热源及其加热设施宜按无太阳能热水系统状态配置；4.2.10 辅助热源设备选择。 1.辅助热源及其加热设施宜按无太阳能热水系统状态配置； 2.当采取集中热水供给系统时，配置宜不少于两套；一套检修时，其它各套加热设备总供热能力大于50%系统耗热量； 3.当采取分散热水供给系统时，加热设备通常为一套电或燃气热水器，采取快速式燃气热水器时，该热水器许可进水温度应能满足集热系统出水温度要求； 4.辅助热源设备可参考表4.2.10选择。表4.2.10 辅助热源设备选择表市政热力优先利用工业余热、废热、地热等市政热力，经过热交换器和太阳能组合供热热泵依据当地地热资源、气候、地质等条件，可选择空气源热泵、水源热泵燃气可采取燃气锅炉、贮水式热水器、快速式热水器、燃气热水机组燃油可采取燃油锅炉、燃油热水机组电可采取热水机组、电锅炉、贮水式热水器、快速式热水器，应充足利用低谷电沼气沼气热水器（农村地域专用）4.2.11 辅助热源加热设备设置。 1.建筑设计中应留有对应位置，满足其技术要求，确保辅助热源设施安全运行及安全操作、维护。 2.辅助热源宜靠近贮热水箱（罐）设置，并应便于操作、维护。 3.辅助热源开启方法分为手动开启、全日自动开启和定时自动开启三种。开启方法直接关系到太阳能热水系统节能效果，应结合不一样热水供给方法，采取适宜控制方法。4.2.12 热水供给系统设计和设备选择。 1依据已经有热水设计条件、使用要求、耗热量及用水点分布，结合热源情况，合理选择热水供给系统。2.热水负荷计算。宜根据当地用水习惯，对类似用户进行测试或调查，依据卫生器具完善程度和地域条件，并参考建筑给水排水设计规范GB50015-要求，确定当地热水用水定额，并根据建筑给水排水设计规范GB50015-要求计算系统耗热量、热水量和加热设备供热量。4.2.13 管路设置要求。 1应采取方法确保冷热水系统压力平衡，系统冷、热水压差不宜超出0.02MPa。2.根据建筑给水排水设计规范GB50015-要求进行保温，确保系统供水温度。3.室外管路采取防冻部署，即管路中不得有滞留水管理死角，根据水能够排出方向顺坡部署。4.管路安装应符合建筑给水排水及采暖工程施工验收规范GB50242-相关要求。5管道设计应合理有序安排走向，室外管线宜隐蔽设置。如不能隐蔽设置，则应含有一定建筑装饰效果。管线应在预埋套管中穿过围护结构。6.竖向管线宜设在竖向管道井中，做到安全隐蔽，又便于维护、检修。室内水平管线应隐蔽设置，如采取在楼板和墙体面层中设置水平管道沟槽，管线隐蔽于吊顶内等结构方法，隐蔽工程内管线应无接头。7.管材选择关键点以下：1）集热系统采取管材及管件，应符合现行产品标准要求。管道工作压力和工作温度不得大于产品标准标定许可工作压力和工作温度。2）集热系统宜采取金属管材及管件，并应采取预防管材腐蚀方法。4.2.14 确定系统计算方法。分散太阳热水供给系统以户为单位，不需计算；集中太阳热水供给系统宜设置计算装置。4.2.15 确定系统控制方法。 1.太阳能热水系统应设置集热系统运行控制、辅助热源自动切换控制、防冻控制、防过热控制；集中热水供给系统还应设置热水循环控制； 2.控制方法应尽可能简单、可靠，便于用户操作，宜设置可数字化显示控制仪表盘，关键显示每日系统太阳得热量、辅助热源用量、供水温度、管网温度、贮热水箱（罐）水温等，便于用户直观了解该系统所节省能源量。 3.为确保系统使用功效和安全，应对应设置电磁阀、温度控制阀、压力控制阀、泄水阀、自动排气阀、止回阀、安全阀等控制元件，产品应符合相关产品标准要求，并预留检修空间。4.2.16采取适宜防冻方法、防过热方法。 1.在严寒地域宜采取排回法防冻方法、防冻工质防冻方法。 2.常见循环工质为水、乙二醇或丙三醇，应由专业企业依据系统所在地气候条件、防冻工质冰点、系统防腐要求等，确定循环工质配比。 3.在非严寒地域，偶然冰冻地域宜采取排空法防冻方法、贮热水箱中水逆循环防冻方法或电伴热方法。 4.应设置防过热方法，可在系统中设置安全阀等泄压装置。供热水箱（罐）水温超出75或系统内压力超出设定安全压力，安全阀打开排热水。4.2.17 太阳能热水系统设计能够参考以下国家建筑标准设计图集：1.集中系统可参考06SS128太阳能集中热水系统选择和安装。2.分散系统可参考01SS126住宅用热水器选择和安装。4.3和其它专业及专业企业配合工作4.3.1 和建筑专业配合工作。1.太阳能热水系统方案设计应和建筑方案设计同时进行；2.给排水专业在综合考虑业主需求基础上选择适用太阳能热水系统类型，提供初步计算出所需集热器面积、煮热水箱容积等关键设计条件；3.建筑专业采取计算机逐时模拟日照分析，得出集热器适宜安装范围和安装位置，确定建筑朝向、间距、建筑形体组合及屋面、外立面形式；4.给排水专业提供集热器类型、面积、安装倾角及方位角，由建筑专业确定集热器安装位置，热水系统和建筑（建筑造形、平面功效）结合方法，进行集热器安装基座定位设计；5.依据建筑专业确定集热器安装条件（包含可安装面积、安装位置、倾角、方位角等）调整计算，确定最终集热器面积，进行贮热水箱（罐）、辅助热源设计；6.配合建筑专业合理安排用水空间（厨房、卫生间）、贮热水箱（罐）及辅助能源加热设备安放位置；7.给排水专业提供贮热水箱体积、尺寸、安装使用条件，外置式辅助加热设备体积、尺寸、安装使用要求，配合建筑专业合理设计贮热水箱空间或设备间；8.给排水专业和建筑专业共同确定系统管道走线方法、管井位置、尺寸及结构方案；提供管道穿越屋面、外墙具体定位，由建筑专业预留防水套管；9.建筑专业预留集热器施工安装、日常维护检修通道、护栏，并对安装集热器部位采取建筑防水、保温具体定位，由建筑专业预留防水套管；10.在建筑出入口和人行通道上空安装集热器时，应由建筑专业设计建筑防护方法，人行通道不宜紧贴建筑，入口上方应设雨篷，预防发生集热器掉落伤人事故。4.3.2 和机构专业配合工作。1.给排水专业提供集热器形式和安装尺寸，由结构专业确定安装预埋位置和预留孔位置。2.给排水专业提供集热器、贮热水箱（罐）、辅助热源设备安装位置和荷载，由结构专业进行荷载计算（包含自重荷载、装载荷载、雪荷载、风荷载、地震作用等），预埋件尖酸和结构安全验算。3.结构专业应对建筑结构主体和设备支撑部件（安装支架）之间连接件、连接部位建筑结构件进行强度和刚度验算；同时确保在正常维护下，连接件材料、结构及设备支撑部件应最少和太阳能热水器同寿命（），其中连接件材料及结构宜同建筑结构使用年限。4.太阳能热水系统管线位置和结构配合设计，不得在结构关键部位，如梁、柱、抗震墙暗柱、端柱等处穿管；管线穿过屋面、墙面时，应立即预埋套管，避免在已做好防水保温屋面上凿孔打洞。5.给排水专业提供管道穿越结构构件具体定位（包含管道规格、型号、数量和穿越位置、标高等），请结构专业预留孔洞和预埋套管。6.在安装集热器（热水器）结构上预先设置预埋件或固定螺栓，当集热器安装在砌体墙上时，应在预埋件处增设造柱。非结构受力构件如轻质填充墙上不得设置集热器。7.太阳热水器安装节点做法能够参见国家建筑标准设计图集01SS126住宅用热水选择及安装。4.3.3 和电气专业配合工作。1.给排水专业提供太阳能热水系统所需用电功率（如循环泵、辅助电加热等）及位置，由电气专业预留用电负荷及插座（宜选择防潮防溅型面板）位置，且插座回路设置漏电断路器；如含有远程控制功效，电气专业还应就近预留控制管线。2.根据国家标准电气装置安装工程接地装置施工及验收规范GB50169及民用建筑电气设计规范JGJ/T16,确定用电设备接地系统及安全方法设计方案。3太阳能热水系统中所使用电器设备用有剩下电流保护、接地和断电等安装方法。4.太阳能热水系统电源线，应装设隔离电器和短路、过载及接地故障保护电器。5.当集热器成为建筑物顶部较高部件时，应做防雷保护；根据国家标准建筑物防雷设计规范GB50057中相关要求，在屋面接闪器保护范围之外非金属物体应装设接闪器，并和屋面防雷装置相连。6.若太阳能热水系统中有电气线路引至屋面时，应依据建筑物关键性采取对应预防雷电波侵入方法；在配电盘内，宜在开关电源侧和外壳之间装设过电压保护器。7.凡正常不带电，而当绝缘破坏或故障时有可能带电一切电气设备金属外壳均可靠接地；当采取分离式太阳热水器时，放置于室内贮水装置其金属外壳应可靠接地。4.3.4 和专业企业配合工作。1.专业企业应提供国家认可太阳能热水器检测单位出具产品性能检测汇报，和本条第2、3款要求技术汇报。2.大型太阳能热水系统（水箱容积大于600L）应提供以下内容：1）太阳集热器瞬时效率曲线：平板型太阳能集热器基于采光面积、进口工质温度瞬时效率截距应大于0.70；认为参考总热损系数应小于6.0W/K。无反射器真空管型太阳能集热器基于采光面积、进口工质温度瞬时效率截距应补小于0.60，有反射器真空管型太阳能集热器基于采光面积、进口工质温度瞬时效率截距应大于0.50；认为参考总热损系数应小于2.5 W/K。2）单位面积集热器流量、阻力损失、3小型户用系统（水箱容积小于等于600L）应提供以下内容：1）单位面积日有用得热量：一定日太阳辐照量下，贮热水箱（罐）内水温不低于要求值时，单位轮廓采光面积（太阳光透射到集热器最大有效面积0贮热水箱（罐）内水日得热量。紧凑式大于等于7.5MJ/，分离式、间接式大于等于7.0 MJ/。2）太阳热水系统平均热损原因：在无太阳辐照条件下一段时间内，单位时间内、单位水体积太阳热水系统贮水温度和环境温度之间单位温差平均热量损失：紧凑式、分离式小于等于22W/（m3）。4.给排水专业提供建筑设计日热水用量、热水使用工况、热水供给系统部署方法、不选择辅助热源种类，和专业企业共同确定集热系统形式、运行方法。5.给排水专业提供集热器安装位置、贮热水箱（罐）安装位置、管道井位置，和专业企业共同确定集热器面积、贮水箱间部署方法及相关管道接口位置。6.专业企业应对设备支撑部件（如集热器支架）进行强度和刚度验算。4.4技术经济评价4.4.1 采取太阳能作为热源供给生活热水是一项节能新技术，对太阳能热水系统工程应从经济性能和技术原因两方面进行综合评价，并简单计算下列经济性能指标。4.4.2 增投资回收年限：1.和常规热源热水系统相比，太阳能热水系统增加了集热系统投资。增投资回收年限是指经过节省常规能源费用全部回收增投资年限。2.工程设计时计算简单回收年限即可，即不考虑银行贷款利率、常规能源上涨率等原因，用增设资除以年节能费用。3.在太阳能资源丰富区，其简单投资回收期宜在5年以内，资源较丰富区宜在8年以内，资源通常区宜在以内，资源贫乏区宜在以内。4.4.3 节能量。太阳能热水系统节能量应依据选择集热器面积及集热器性能参数、设计集热器倾角、系统损失及当地气象条件，根据下式计算： （1-） （4.4.3）式中太阳能热水系统年节能量（MJ）； 集热器面积（）； 太阳集热器采光表面上年太阳辐照量(MJ/)； 太阳集热器年均平均集热效率（%）； 管路和贮水箱热损失率。4.4.4 年节能费用。太阳能热水系统年节能费用应根据下式计算： 式中 太阳能热水系统简单年节能费用（元）； 系统设计当年常规能源热价（元/MJ）; /（）； 常规能源价格（元/kg）；常规能源热值（MJ/kg）；常规能源水加热装置效率（%）。