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前言：太阳能热水器系统主要由太阳能集热系统和热水供应系统构成；包括太阳能集热器、贮水箱、循环管道、支架、控制系统、热交换器和水泵等设备和附件。本设计将为一个地理位置为福建福州的两层小型别墅设计一个合适的太阳能热水器系统。

一、用户基本情况调查

1、环境情况

注：H_ha为水平面年平均日辐照量，MJ/(m²·d); H_ht为水平面年总辐照量，MJ/(m²·a)；H_t.a为当地纬度倾角平面年平均日照量，MJ/(m²·d)；H_Lr为当地纬度倾角平面年总辐照量，MJ/(m²·a)；T_a为年平均环境温度，℃；S_y为年平均每日的日照小时数，h; f为年太阳能保证率推荐范围；为回收年限允许值，年。

2、用水情况

2.1日均用热水量

日均用热水量计算公式：

q_rd=q_rm

式中：

q_r——热水用水定额，L/（b·d），查《民用建筑太阳能热水系统工程技术手册》表1-11，最高日用水定额为为80L/（b·d），日均用水量按最高日用水定额的50%考虑，取40L/（b·d）；

m——用水计算单位数，定为4人。

计算可得日均用热水量q_rd=40*4=160L/d

2.2日均耗热量

日均耗热量计算公式：

Q_d=q_rcρ（t_r-t_l）m/86400

式中：

Q_d——日耗热量，W；

q_r——热水用水定额，L/（b·d）；

c——水的比热容，c=4187J/（kg·℃）；

ρ——热水密度，kg/L；60℃水密度为0.983kg/L；

t_r——热水温度，t_r=60℃；

t_l——冷水温度，查《民用建筑太阳能热水系统工程技术手册》表1-16，定为20℃；

m——用水计算单位数，定为4人。

计算可得日均耗热量Q_d=1219.50W

2.3小时耗热量

小时耗热量计算公式：

Q_h=K_hmq_rcρ（t_r-t_l）/86400

式中:

Q_h——设计小时耗热量，W；

q_r——热水用水定额，L/（b·d）；

c——水的比热容，c=4187J/（kg·℃）；

ρ——热水密度，kg/L；60℃水密度为0.983kg/L；

t_r——热水温度，t_r=60℃；

t_l——冷水温度；

m——用水计算单位数，定为4人；

K_h——小时变化系数，查《民用建筑太阳能热水系统工程技术手册》表4-3，取5.12。

计算得到小时耗热量Q_h=6243.94W

3、场地情况

福建福州，二层别墅。

4、水电情况

全天24小时供水供电。

二、系统类型的确定

该别墅属于低层居住建筑，根据《太阳能热利用》表9.3，可得

1、选用集中热水系统；

2、系统运行的方式选用强制循环系统，可以将储水箱置于室内，也不用高于集热器；

3、为了达到较高的效率，选择直接系统，不使用换热器；

4、使用内置加热系统，即使用辅助热源，以防日照不足；

5、辅助热源的启动方式选择按需手动启动系统。

三、集热器类型的确定

太阳能热水系统中集热器的类型，譬如平板集热器、全玻璃真空管集热器、热管式真空管集热器等，应根据太阳能热水系统在一年中的运行时间、运行期内最低环境温度等因素确定。由于福建福州的平均温度为19.6℃，年最低温度不低于零度，连续阴雨天数不超过5天，所以不需要采取防冻措施，根据《太阳能热利用》表9.4以及课件，可以选用平板流道式集热器，可以承受热水温度为60°；能承压；中低温区性能好；质量稳定性也很好。

四、集热器面积的确定

由于选用的是直接系统，所以根据直接系统集热器总面积公式：

A_C=[Q_WC_W(t_end-t_i)f]/[J_tη_cd（1-η_L）]

式中：

A_C——直接系统集热器采光面积，m²；

Q_W——日均用水量，kg；

C_W——水的定压比热容，kJ/（kg·℃）；

t_end——储水箱内水的终止温度，℃；

t_i——水的初始温度，℃；

J_t——当地春分或秋分所在月集热器受热面上月均日辐照量，kJ/m²；

f——太阳能保证率，无量纲；根据系统试用期内的太阳辐照、系统经济性及用户要求等因素综合考虑后确定；

η_cd——集热器全日集热效率，无量纲；根据经验值取0.40-0.50。

η_L——管路及储水箱热损失率，无量纲；根据经验值取0.2-0.25。

其中Q_W=160/1000×992.212=158.75kg, C_W=4.187 kJ/（kg·℃）, t_end=60℃，t_i =20℃,f取45%，J_t=12.128 MJ/m²，η_L取根据经验选取0.2，η_cd根据《民用建筑太阳能热水系统工程技术手册》图4-12，即可得G=732.37，T_i^*的值为0.037，则看图可知η_cd=57%。

最后将上述数据带入式中得A_C=2.16m²。

五、集热器安装倾角确定

根据《太阳能热利用》可知，集热器的安装倾角应等于当地地理纬度±10°。确定原则是：一般情况下，集热器安装倾角应与当地地理纬度一张；如系统侧重在夏季使用，其倾角宜为当地地理纬度减10°；如系统侧重在冬季使用，其倾角宜为当地地理纬度加10°。

因此选择集热器的安装倾角取当地纬度26°05′。

六、集热器安装方位角的确定

集热器的安装方位角应朝向正南或南偏东、南偏西不大于30°。设计中选择正南的方向。

七、集热器在建筑中的设置

因为集热器安装的位置是坡屋面，因此不用考虑排间距。

八、集热器的相互连接

集热器连接原则：

1、平板集热器之间的连接宜采用并联，但每排并联数目不宜超过16个，即集热器面积不宜超过32 m²；

2、真空管集热器之间的连接宜采用串联，但每排串联的最大数目应根据真空管集热器的类型而定；

3、全玻璃真空管东西向放置的集热器，在同一斜面上多层布置时，串联的集热器不宜超过3个（每个集热器的联箱长度不大于2m）；

4、对于自然循环系统，为保证热虹吸压头大于流动阻力损失压头，每个系统全部集热器数目不宜超过24个，即全部集热器面积不宜超过48 m²。对较大面积的自然循环系统可分成若干个子系统，每个子系统中并联集热器的数目不宜超过24个，也即每个子系统的集热器面积不宜超过48 m²；

5、对于强制循环系统，由于采用水泵进行循环，能够克服较大的流动阻力，所以可根据系统具体布置，灵活采用并串联或串并联的方法。

本设计采用并联的形式，集热器数目为2台，型号为SCS-1110，面积为800×2400mm。

九、集热器组的相互连接

集热器组之间采用“同程原则”布置成并联，即使每个集热器内传热工质的流入途径与回流路径的长度基本相同，从而使集热器组内的流量平均分配。

十、储水箱的设计

1、储水箱容积的确定

根据所需热水量160L,以及集热器的面积1.92×2=3.84m²,可以确定储水箱的容积为200L。

2、储水箱定位

为很好地利用由于水箱内水的分层效应，采用顶水法，即热水供应出水管安排在水箱顶部，自来水补水管插入到水箱下部，补水口距水箱底部10-15cm，集热器进水口距水箱底部10cm左右以防将水箱底部的沉淀物吸入集热器。储水箱上面及周围应有容纳至少1人的作业空间，要求与四周保持不小于1.5m的距离，与顶面保持不小于0.5m的距离。

十一、辅助热源的设计

1、可以采用空气源热泵，环保、节能；

2、采用电能加热；

由《民用建筑太阳能热水系统工程技术手册》4-21式得

当电作为辅助热源时，其计算公式：

W=Q_h/（1000η）

式中：

W——耗电量，kW；

Q_h——设计小时耗热量，W；

1000——单位换算系数；

η——水加热设备的热效率，95%~97%，取95%。

则W=6.57 kW。

十二、管路设计的基本原则

1、为了减少系统的流动阻力，循环管路应尽量短而少弯；

2、如果因系统布局要求循环管路必须绕行，则绕行的循环管路应是冷水管或低温水管，而不是热水管；

3、集热器循环管路应有0.3%-0.5%的坡度，以避免气塞；

4、在自然循环中，应使循环管路朝储水箱方向有向上坡度，不允许有反坡；

5、在用于防冻的回流系统中，循环管路的坡度应使系统的水自动回流到储水箱，不应积存；

6、在循环管路中，易发生气塞的位置应设有排气阀；用于防冻的回流系统或排放系统应设有吸气阀；

7、在强迫循环系统的循环管路上，宜设有防止传热工质夜间倒流散热的单向阀；

8、间接系统的循环管路上应设有膨胀罐；封闭间接系统的循环管路上同时还应设有压力安全阀和压力表，不应设有单向阀和其他可关闭的阀门；

9、当多排或多层集热器组并联时，每排或每层集热器组的进出口管道中应设辅助阀门，以备调接或控制。

根据《民用建筑太阳能热水系统工程技术手册》表4-20，初选热水供水管管径为50mm,热水回水管管径为32mm。

十三、系统的保温

为了提高太阳能热水器的热效率，水箱和管路应选择性能良好的保温材料，保温层要保持一定的厚度。因此材料选择聚乙烯。

【昆明太标太阳能】

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