太陽能熱水系統的組成：

太陽能熱水系統也稱為太陽熱水裝置是一種利用太陽輻射能加熱系統中循環的水以取用熱量的裝置組合，它由集熱器、連接管路、儲熱水箱、水泵和其他配件以及控制部分組成。目前在市場上廣為銷售的家用太陽熱水器，同樣由上述幾個部分組成，可以看作是一種特殊類型的太陽能熱水系統。

下面就太陽能熱水系統的各個組成部分分别進行簡單介紹。

1 集熱器部分：

集熱器部分有幾個重要的參數對太陽能熱水系統有影響：

1 真空管支數；

2 真空管直徑和長度；

3 真空管間距；

4 聯箱阻力特性；

5 集熱器容水量；

6 集熱器放置朝向和傾角；

2 連接管路部分

連接管路部分有幾個參數對太陽能熱水系統有影響：

1 連接管路的材料；

強制循環太陽能熱水系統：

強制循環太陽熱水系統（又稱主動循環式太陽熱水系統）是利用機械設備等外部動力迫使傳熱工質通過集熱器或換熱器進行循環的熱水系統。圖1－2表示強制循環式太陽熱水系統。這種系統在集熱器和貯水箱之間管路上設置水泵，作系統中的水循環動力。系統中設有控制裝置，根據集熱器出口與貯水箱之間的溫差控制水泵運轉。在水泵入口處，裝止回閥，防止夜間系統中發生水倒流而引起熱損失。

強制循環式太陽熱水系統使循環動力大大加強，有利于提高熱效率，實現熱水系統的多種功能及控制，是目前應用較廣泛的一種熱水系統形式。目前在大型太陽熱水工程中，可以用普通太陽熱水器串并聯組成上述的各種系統，但更常用的是聯集管集熱器組成各種形式的熱水系統。

2 按不同集熱器分類的太陽能熱水系統

作為集熱單元的太陽能集熱器可以有不同類型，如普通真空管式太陽能熱水系統、熱管式太陽能熱水系統、U型管式太陽能熱水系統、混合式太陽能熱水系統。不同種類的太陽能集熱器在結構、集熱效率、承壓能力、流動阻力上各不一樣。

3 直流式和封閉式太陽能熱水系統

直流式太陽熱水系統是傳熱工質一次流過集熱器加熱後便進入儲水箱或用水點的非循環熱水系統，儲水箱的作用僅為儲存集熱器所排出的熱水，直流式系統有熱虹吸型和定溫放水型兩種。

熱虹吸型：熱虹吸型直流式太陽熱水系統由集熱器、貯水箱、補給水箱和連接管道組成，如圖1-6所示。

補給水箱的水位由水箱中的浮球閥控制，使之與集熱器出口熱水器（上升管）的最高位置一緻。根據連通管原理，在集熱器無陽光照射時，集熱器、上升管和下降管均充滿水，但不流動。當集熱器受到陽光照射後，其内部的水溫升高，在系統中形成熱虹吸壓力，從而使熱水由上升管流入儲熱水箱，同時補給水箱的冷水則自動經下降管進入集熱器。太陽輻射愈強，則所得的熱水溫度愈高，數量也愈多。早晨太陽升起一段時間以後，在儲水箱中便開始收集到熱水。這種虹吸型直流式太陽熱水系統的流量具有自動調節功能，但供水溫度不能按用戶要求自行調節。這種系統目前應用的較少。

定溫放水型：為了得到溫度符合于用戶要求的熱水，通常采用定溫放水型直流式太陽熱水系統，如圖1-7所示。該系統在集熱器出口處安裝測溫元件，通過溫度控制器，控制安裝在集熱器入口管道上的開度，達到根據溫度調節水流量，使出口水溫始終保持恒定。這種系統不用補給水箱，補給水管直接與自來水管連接。系統運行的可靠性，同樣決定于電動閥和控制器的工作質量。

直流式太陽熱水系統具有很多優點：

1 因為太陽熱水系統的補水依靠具有一定壓力的自來水直接供給，提供系統的循環動力，所以系統中不需設置循環水泵。

2 儲水箱的放置位置不受約束，可以放置在室内，既減輕了屋頂載荷，也有利于儲熱水箱保溫，減少熱損失。

3 可以避免熱水與集熱器入口冷水的摻混。

4 可以取消補給水箱，簡化系統管理。

5 減小熱水系統的熱遲滞現象。

因此定溫放水型直流式太陽熱水裝置尤其适合于大型太陽熱水系統。其缺點是要求性能可靠的電磁閥和控制器，從而使系統較為複雜。綜合考慮定溫放水型直流式太陽熱水裝置是一種結構合理、值得推廣的太陽熱水系統，目前國内也有一定的應用。

封閉式太陽能熱水系統中工質在系統中循環流動，不斷将熱量帶熱水箱。如圖1-10所示。

4 串并聯太陽能熱水系統

串并聯太陽能熱水系統，即通過聯集管集熱器串并聯的組合并加以一定的控制組成的太陽能熱水系統。一般大型太陽能熱水工程中多采用混聯式太陽能熱水系統以獲得更多的熱量。

5 間接式和直接式太陽能熱水系統

直接式太陽能熱水系統和間接式太陽能熱水系統是按照儲熱水箱中有無換熱器來分類的。當集熱系統工質和生活用水系統工質分開，通過換熱器進行熱量交換而無質量交換時為間接式太陽能熱水系統；當集熱系統工質和生活用水系統工質相混合，同時傳遞質量和熱量時為直接式太陽能熱水系統。

直接式太陽能熱水系統沒有換熱器，結構相對簡單，集熱器和水箱中都為水。如圖1-10所示。

間接式太陽能熱水系統有換熱器，集熱器和水箱可以走不同的工質，處于不同的壓力。一般集熱系統内為帶壓防凍液，自成循環系統，将熱量通過換熱器傳遞給水箱内的水。如圖1-11所示。

注：後面章節中所提到的熱水系統特指強制循環、封閉式間接太陽能熱水系統，下面不再重複說明。

太陽能熱水系統的設計：

太陽能熱水系統的水力計算與集熱器連接形式和系統管徑的确定相聯系。首先由集熱器吸收太陽輻射的熱量計算系統流量，由系統流量計算集熱器部分産生的壓降，并由此确定系統的連接方案；之後再計算管路壓降，确定管道直徑。如圖2-1所示。

設計太陽能熱水系統首先要根據國家标準和工程經驗估算通過集熱器的流量，得出可能通過集熱器的流量範圍。然後在這個流量範圍内對熱水工程中所用的集熱器做流動阻力特性實驗，得出集熱器所通過的流量和壓降的關系。之後初步給出集熱器的串并聯方案。初定方案主要從整體上考慮，确定哪些集熱器不宜連接在一起，哪些集熱器适合連接在一起，連接的集熱器串聯不宜超過極限值，同阻同程等等，當進行到後面的步驟後還要對這個方案進行修改。方案初步确定之後就可以根據能量守恒定律詳細計算系統的流量，在計算過程中要對不同的支路分别進行計算确定每個支路的流量。流量确定之後根據實驗獲得的流量和壓降的關系可以得到支路的壓降。當這個壓降過低或過高時更改系統的連接方案重新上述步驟，如果壓降合适就可以進行管路相關計算以确定管徑了。首先也需要根據常規和經驗對管道直徑進行初步選擇，确定後根據國家标準上的公式對管道逐段進行水力計算，得到的壓力損失就是壓降。如果某段管道的壓降過低或過高就要修改管徑重新計算。管徑确定之後再進行換熱盤管的水力計算，其中重要确定盤管的直徑和并聯級數，也是應用管道水力計算的公式。修改盤管直徑和并聯級數直到滿意為止。這些工作做完之後将集熱器壓降、管道壓降和換熱盤管壓降加起來作為水泵的揚程。

以上所有計算都相對應的計算程序可以輔助工程設計人員進行太陽能熱水系統的設計。

第1步 集熱器流量的估算

1)根據國家标準GB/T18715-2002規定，每平方米集熱面積的推薦流量值為0.01~0.02l/s。(根據長期測試，流量宜取1.2～1.8l/(min·m2)較為合适。)

2)為保證末台集熱器集熱效率不至于過低、支路流量不至于過大，串聯台數不宜過多。一般普通真空管型聯集管集熱器串聯台數在8台左右，熱管式聯集管集熱器串聯台數在6台左右，U型管式聯集管集熱器串聯台數在4台左右。

3)集熱器流量可按下式估算：

（1）

（2）

其中d—真空管内管直徑；

l—真空管接受光照部分的長度；

n—每台集熱器真空管支數；

N—常規串聯台數（見上）；

K —富餘系數 取1~1.2；

（3）

例1：

已知：17支210熱管式聯集管集熱器6台串聯，其估算流量為：

Gmin=0.01*60*0.047*(2.10-(20 36)/1000)*17=0.98 l/min

Gmax=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 聯集管集熱器流動阻力實驗

太陽能熱水系統中所應用的聯集管集熱器類型多樣，為了更準确的對系統進行水力計算須對聯集管集熱器進行流動阻力特性實驗。

實驗中要注意以下幾點：

1） 為了減少誤差，實驗宜選用2~3台集熱器串聯起來實驗。

2） 實驗中流量範圍在

~

之間選取若幹點。

3） 實驗測量量有：進出口壓力差、流量。

4） 實驗裝置在同一水平面上，流量要求穩定，流量上行下行各做一組。

5） 根據實驗數據繪制壓差随流量的變化曲線（P-G曲線）

6） 用二次方程對P-G數據點進行拟合

例2：

已知：20支U型管聯集管集熱器（4×5）和24支椎形套管式熱管聯集管集熱器通過實驗獲得的P-G曲線及拟合的P-G關系式為

第3步 集熱器連接方案的初定

最初制定集熱器連接方案時要綜合考慮以下方面：

1 普通真空管型聯集管集熱器串聯台數不超過10台；

熱管式聯集管集熱器串聯台數不超過8台；

U型管式聯集管集熱器串聯台數不超過6台。

2 當集熱器并聯台數過多，流量過大時宜選用多泵系統。

3 當集熱器傾角不同、朝向不同或被遮擋時刻不同時宜選用多泵系統。

4 不同類型的集熱器盡量不串聯在一起。

5 盡量采用Z型連接，當并聯台數少、流量小時可采用U型連接。

6 盡量使并聯集熱器的管路連接做到同程同阻。

7 根據集熱器布置位置等具體情況确定集熱器的連接形式。

根據以上原則初步确定集熱器的串并聯形式和水泵的安裝位置。

第4步 太陽能熱水系統支路流量的确定

太陽能熱水系統中支路流量按下面的公式計算，

其中

--各支路流量，l/min

--分别表示真空管支數/台、串聯台數、并聯級數

—真空管内管直徑，mm

—真空管管長,m

—真空管在尾座、保溫層和水箱内部分的長度,mm

—太陽輻射強度w/m2

————集熱器集熱效率

————工質比熱,J/kg

————工質密度,kg/m3

————進出口溫差,℃

上述公式中有三個量需要說明：

1 太陽輻射強度E：根據當地太陽輻照情況而定，一般為600~800w/m2

2 集熱器集熱效率η：根據集熱系統用途（平均集熱溫度）而定，一般為30~55%

3 進出口溫差

：根據集熱器類型及集熱器串聯台數而定，一般為8~10℃

例3：

已知：17支210熱管式聯集管集熱器6台串聯、3組并聯，其支路流量為

得三組并聯後的總流量為14.77l/min, 每個支路的流量為4.97l/min

所得結果在例1估算流量的範圍内。

第5步 太陽能熱水系統支路壓降的确定

得出各支路的流量後根據聯集管集熱器流量和壓降的關系函數就可以求得由集熱器産生的壓力損失。其中串聯集熱器壓降為各台集熱器壓降的和，而并聯集熱器壓降相等。

例4：

已知：17支210熱管式聯集管集熱器6台串聯、3組并聯。

根據例3所得支路流量：G=4.97 l/min

6台串聯、3組并聯後的總壓力為：0.015×6=0.09MPa

根據計算得出流量和壓降，如果兩者在适當的範圍内即可進行下面的計算，否則返回第3步重新選擇串并聯形式。

第6步 熱水系統管道水力計算

工程中一般按供水管均籌表（見表1）和工程的實際經驗初步确定管徑。表1中的數值表示對應行标所代表的管徑通過的流量相當于此數值對應列标所代表的管徑通過流量的倍數。

表1 供水管均籌表

太陽集熱系統流量确定之後針對具體的管路可以計算出該支路的沿程阻力損失和局部阻力損失，即管路壓降。熱水管網的水頭損失應遵守下列規定：

1、單位長度水頭損失，應按下列公式計算：

當V<0.44m/s時：

式中i—管道單位長度的水頭損失(m/m)；

V—管道内的平均水流速度(m/s)；

dj—考慮結垢和腐蝕等因素後的管道計算内徑(m)。

2、局部水頭損失，宜按下列管網沿途水頭損失的百分數采用：

1）生活給水管網為25%～30%。

2）生産給水管網；生活、消防共用給水管網；生活、生産、消防共用給水管網均為20%。

3）消火栓系統消防給水管網為10%。

4）生産、消防共用給水管網為15%。

根據管路損失适當調整管徑，按上述步驟重新計算，直到得到滿意的結果，最終确定管徑。

例5：

已知：主幹路，内徑28mm，長100m

三個并聯支路，内徑20mm，長20m

幹路流量14.77l/min

總壓降為（0.044*100 0.047*20)*(1 0.3)=6.94m

第7步 水箱盤管水力計算

太陽能熱水系統的水箱換熱器一般為銅盤管換熱器。通過水箱換熱計算确定換熱面積，通過水力計算确定盤管的直徑、長度及并聯形式。水力計算所用公式同上。

例6：已知：水箱盤管換熱面積12m2，流量40l/min

當盤管為一寸銅管時

當盤管為六分銅管時

根據經濟性比較可在兩級并聯的一寸銅盤管和三級并聯的六分銅盤管間選擇。

第8步 太陽能熱水系統水泵的選取

①在太陽熱水系統中，在滿足揚程和流量要求的條件下，應選擇功率較小的泵；

②在強迫循環系統中，水溫≥50℃時宜選用耐熱泵；

③泵與傳熱工質應有很好的相容性-引自GB/T18713-2002《太陽熱水系統設計、安裝及工程驗收技術規範》

根據計算得出的太陽能熱水系統的總流量和總壓降選擇适當的水泵。其中水泵的揚程按下式計算：

H=ΔP集熱器 ΔP管路 ΔP盤管

選泵時一定要查看水泵特性曲線，據此選擇适當的水泵。

附錄一 中硬薄壁銅管規格和工作壓力

附錄二 管道支點設置的最大安裝距離

附錄三 内錫焊銅配件選型表

附錄四 熱水及飲水供應國家标準

第一節熱水用水定額、水溫和水質

第4.1.1條生産用熱水水量、水溫和水質，應按工藝要求确定。

第4.1.2條集中供應冷、熱水時，熱水用水定額，根據衛生器具完善程度和地區條件，應按表4.1.2-1确定。衛生器具的一次和小時熱水用水量和水溫，應按表4.1.2-2确定。

60℃熱水用水定額表4.1.2-1

注：①表4.1.2-1内所列用水定額均已包括在本規範表2.1.1、表2.1.2中。

②本表60℃熱水水溫為計算溫度，衛生器具使用時的熱水水溫見表4.1.2-2。

衛生器具的一次和小時熱水用水定額及水溫表4.1.2-2

注：一般車間指現行的《工業企業設計衛生标準》中規定的3、4級衛生特征的車間，髒車間指該标準中規定的1、2級衛生特征的車間。

第4.1.3條 生活用熱水的水質，應符合現行的《生活飲用水衛生标準》的要求。

第4.1.4條 集中熱水供應系統的熱水在加熱前的水質處理，應根據水質、水量、水溫、使用要求等因素經技術經濟比較确定；對建築用水宜進行水質處理。

按60℃計算的日用水量大于或等于10m3時，原水總硬度（以碳酸鈣計）大于357mg/L時，洗衣房用水應進行水質處理，其他建築用水宜進行水質處理。

按60℃計算的日用水量小于10m3時，其原水可不進行水質處理。

注：對溶解氧控制要求較高時，可采取除氧措施。

第4.1.5條冷水的計算溫度，應以當地最冷月平均水溫資料确定。當無水溫資料時，可按表4.1.5采用。

冷水計算溫度 表4.1.5

注：分區的具體劃分，應按現行的《室外給水設計規範》的規定确定。

第4.1.6條 熱水鍋爐或水加熱器出口的最高水溫和配水點的最低水溫，可按表4.1.6采用。

熱水鍋爐或水加熱器出口的最高水溫和配水點的最低水溫表4.1.6

注：當熱水供應系統隻供淋浴和盥洗用水，不供洗滌盆（池）洗滌用水時，配水點最低水溫可不低于40℃。

本手冊源于互聯網，作者不詳。暖通南社整理編輯于2017年2月22日。

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