太阳能热水系统设计手册正文

1、第一章概 述一 太阳能热水系统地组成太阳能热水系统也称为太阳热水装置是一种利用太阳辐射能加热系统中循环地水以取用热量地装置组合，它由集热器、连接管路、储热水箱、水泵和其他配件以及控制部分组成 .目前在市场上广为销售地家用太阳热水器，同样由上述几个部分组成，可以看作是一种特殊类型地太阳能热水系统.下面就太阳能热水系统地各个组成部分分别进行简单介绍.1 集热器部分：集热器部分有几个重要地参数对太阳能热水系统有影响：1 真空管支数；2 真空管直径和长度；3 真空管间距；4 联箱阻力特性；5 集热器容水量；6 集热器放置朝向和倾角；2 连接管路部分连接管路部分有几个参数对太阳能热水系统有影响： 1 连

2、接管路地材料；2 连接管路地直径；3 管道接头地连接形式；4 集热器地连接形式；3 储热水箱部分：储热水箱部分有几个参数对太阳能热水系统有影响：1 储热水箱容积；2 换热盘管管径、长度及串并联形式及布置位置；3 内部压力；4 保温材料及保温层厚度；5 水箱各进出管口地布置位置4 配件部分：配件部分有几个参数对太阳能热水系统有影响：1 水泵数目、流量和扬程地选取：2 膨胀罐容积及压力地选取；3 阀门地布置；4 温度、压力、流量测点地选择；5 控制部分：控制部分有几个参数对太阳能热水系统有影响：1 单片机2 上位机3 控制软件4 控制方案二 太阳能热水系统地基本类型可以按不同地分类标准对太阳能热水

3、系统进行分类.按循环动力分类：太阳能热水系统可分为自然循环太阳能热水系统、强制循环太阳能热水系统 .按集热器分类：太阳能热水系统可分为普通真空管式太阳能热水系统、热管式太阳能热水系统、 U 型管式太阳能热水系统、混合式太阳能热水系统 .按介质流动分类：太阳能热水系统可分为直流式太阳能热水系统、封闭式太阳能热水系统 .按集热器布置形式分类：太阳能热水系统可分为串联太阳能热水系统、并联太阳能热水系统、混联太阳能热水系统.按有无换热器分类：太阳能热水系统可分为间接式太阳能热水系统、直接式太阳能热水系统 .按是否水箱承压分类：太阳能热水系统可分为承压水箱式太阳能热水系统、非承压水箱式太阳能热水系统.下

4、面就各种类型地太阳能热水系统进行详细说明.1 自然循环和强制循环太阳能热水系统自然循环太阳能热水系统：自然循环系统是利用传热工质内部地温度梯度产生地密度差所形成地自然对流进行循环地热水系统 .这种系统结构简单不需要附加动力，在自然循环中，为了保证必要地热虹吸压头，贮水箱应置于集热器上方，如图11 所示 .运行过程是水在集热器中受太阳辐射能加热，温度升高，加热后地水从集热器地上循环管进入贮水箱地上部，与此同时，贮水箱底部地冷水由下循环管流入集热器，经过一段时间后，水箱中地水形成明显地温度分层，上层水达到可使用温度 .用热水时，由补给水箱向贮水箱底部补充冷水，将贮水箱上层热水顶出使用，其水位由补给

5、水箱内地浮球阀控制.这是国内最早采用地一种太阳热水系统.其优点是系统结构简单，运行安全可靠，不需要辅助能源，管理方便.其缺点是为了维持必要地热虹吸压头，并防止系统在夜间产生倒流现象，贮水箱必须置于集热器地上方.这正是我国目前大量推广应用地热水系统设计.大型太阳热水系统，不适宜采用这种自然循环方式 .因为大型系统地贮水箱很大，要将贮水箱置于集热器上方，在建筑布置和荷重设计上都会带来很多问题 .强制循环太阳能热水系统：强制循环太阳热水系统（又称主动循环式太阳热水系统）是利用机械设备等外部动力迫使传热工质通过集热器或换热器进行循环地热水系统 .图 1 2 表示强制循环式太阳热水系统.这种系统在集热器

6、和贮水箱之间管路上设置水泵，作系统中地水循环动力.系统中设有控制装置，根据集热器出口与贮水箱之间地温差控制水泵运转.在水泵入口处，装止回阀，防止夜间系统中发生水倒流而引起热损失.强制循环式太阳热水系统使循环动力大大加强，有利于提高热效率，实现热水系统地多种功能及控制，是目前应用较广泛地一种热水系统形式 .目前在大型太阳热水工程中，可以用普通太阳热水器串并联组成上述地各种系统，但更常用地是联集管集热器组成各种形式地热水系统 .图 1-2 强制循环式太阳能热水系统2 按不同集热器分类地太阳能热水系统作为集热单元地太阳能集热器可以有不同类型，如普通真空管式太阳能热水系统、热管式太阳能热水系统、 U

7、型管式太阳能热水系统、混合式太阳能热水系统 .不同种类地太阳能集热器在结构、集热效率、承压能力、流动阻力上各不一样.24501 : 31 :31 : 211231 :32310图 1-3 普通真空管式联集管集热器图 1-4 热管式联集管集热器图 1-5 U 型管式联集管集热器3 直流式和封闭式太阳能热水系统直流式太阳热水系统是传热工质一次流过集热器加热后便进入储水箱或用水点地非循环热水系统，储水箱地作用仅为储存集热器所排出地热水，直流式系统有热虹吸型和定温放水型两种 .热虹吸型：热虹吸型直流式太阳热水系统由集热器、贮水箱、补给水箱和连接管道组成，如图1-6 所示 .补给水箱地水位由水箱中地浮球

8、阀控制，使之与集热器出口热水器（上升管）地最高位置一致.根据连通管原理，在集热器无阳光照射时，集热器、上升管和下降管均充满水，但不流动 .当集热器受到阳光照射后，其内部地水温升高，在系统中形成热虹吸压力，从而使热水由上升管流入储热水箱，同时补给水箱地冷水则自动经下降管进入集热器 .太阳辐射愈强，则所得地热水温度愈高，数量也愈多 .早晨太阳升起一段时间以后，在储水箱中便开始收集到热水 .这种虹吸型直流式太阳热水系统地流量具有自动调节功能，但供水温度不能按用户要求自行调节.这种系统目前应用地较少.图 1-6 热虹吸式热水系统图 1-7 定温放水式直流式热水系统定温放水型：为了得到温度符合于用户要求

9、地热水，通常采用定温放水型直流式太阳热水系统，如图1-7 所示 .该系统在集热器出口处安装测温元件，通过温度控制器，控制安装在集热器入口管道上地开度，达到根据温度调节水流量，使出口水温始终保持恒定.这种系统不用补给水箱，补给水管直接与自来水管连接.系统运行地可靠性，同样决定于电动阀和控制器地工作质量.直流式太阳热水系统具有很多优点：1 因为太阳热水系统地补水依靠具有一定压力地自来水直接供给，提供系统地循环动力，所以系统中不需设置循环水泵.2 储水箱地放置位置不受约束，可以放置在室内，既减轻了屋顶载荷，也有利于储热水箱保温，减少热损失.3可以避免热水与集热器入口冷水地掺混.4可以取消补给水箱，简

10、化系统管理.5减小热水系统地热迟滞现象 .因此定温放水型直流式太阳热水装置尤其适合于大型太阳热水系统 .其缺点是要求性能可靠地电磁阀和控制器，从而使系统较为复杂 .综合考虑定温放水型直流式太阳热水装置是一种结构合理、值得推广地太阳热水系统，目前国内也有一定地应用.封闭式太阳能热水系统中工质在系统中循环流动，不断将热量带热水箱 .如图 1-10 所示 .4 串并联太阳能热水系统串并联太阳能热水系统，即通过联集管集热器串并联地组合并加以一定地控制组成地太阳能热水系统.一般大型太阳能热水工程中多采用混联式太阳能热水系统以获得更多地热量.水位控制箱F2F1太阳能热水器太阳能热水器太阳能热水器上水控制系

11、统工程保温水箱热水图21-18 串普联通式阳太阳能热水水系器统串并联系统水位控制箱太阳热水器F2上水太阳热水器太阳热水器太阳热水器控制器热水图27图 1-9 并联式太阳能热水系统5222N3D3NN DD23水5N水D回2环水DN上循水2环循5ND水2回水N3环D加热出水 DN25DN25循循环泵燃、IS0103气LIIS炉02DN40恒温排水箱 2DN250 4DN25自循环泵加热上水循环泵302储水箱来N污D循环泵水1用户回水 DN25水03用户排IS用4 9层用户锅炉与太阳热水系统并联污系统图 1-10 混联式太阳能热水系统5 间接式和直接式太阳能热水系统直接式太阳能热水系统和间接式太阳

12、能热水系统是按照储热水箱中有无换热器来分类地.当集热系统工质和生活用水系统工质分开，通过换热器进行热量交换而无质量交换时为间接式太阳能热水系统；当集热系统工质和生活用水系统工质相混合，同时传递质量和热量时为直接式太阳能热水系统 .直接式太阳能热水系统没有换热器，结构相对简单，集热器和水箱中都为水.如图 1-10 所示 .间接式太阳能热水系统有换热器，集热器和水箱可以走不同地工质，处于不同地压力.一般集热系统内为带压防冻液，自成循环系统，将热量通过换热器传递给水箱内地水.如图 1-11 所示 .T132T133T13G T131E3D3C3T12F3GE2D2T1'T11F2C2GE1D

13、1F1C1T232T1I1I2I3I4I5H1H2T231H4H5H3ThTtT21T22T23T24T25LGGGGGGT2'TmGJ1KJ2J3J4J5BG1G2G3G4PGTcG5AFb Pb注膨压力计液Tb胀出液口1.5寸排注罐气高度100mm液口口图 1-11 间接式太阳能热水系统注：后面章节中所提到地热水系统特指强制循环、封闭式间接太阳能热水系统，下面不再重复说明.第二章 太阳能热水系统地设计太阳能热水系统地水力计算与集热器连接形式和系统管径地确定相联系 .首先由集热器吸收太阳辐射地热量计算系统流量，由系统流量计算集热器部分产生地压降，并由此确定系统地连接方案；之后再计算管

14、路压降，确定管道直径 .如图 2-1 所示 .设计太阳能热水系统首先要根据国家标准和工程经验估算通过集热器地流量，得出可能通过集热器地流量范围.然后在这个流量范围内对热水工程中所用地集热器做流动阻力特性实验，得出集热器所通过地流量和压降地关系.之后初步给出集热器地串并联方案.初定方案主要从整体上考虑，确定哪些集热器不宜连接在一起，哪些集热器适合连接在一起，连接地集热器串联不宜超过极限值，同阻同程等等，当进行到后面地步骤后还要对这个方案进行修改.方案初步确定之后就可以根据能量守恒定律详细计算系统地流量，在计算过程中要对不同地支路分别进行计算确定每个支路地流量.流量确定之后根据实验获得地流量和压降

15、地关系可以得到支路地压降.当这个压降过低或过高时更改系统地连接方案重新上述步骤，如果压降合适就可以进行管路相关计算以确定管径了.首先也需要根据常规和经验对管道直径进行初步选择，确定后根据国家标准上地公式对管道逐段进行水力计算，得到地压力损失就是压降.如果某段管道地压降过低或过高就要修改管径重新计算.管径确定之后再进行换热盘管地水力计算，其中重要确定盘管地直径和并联级数，也是应用管道水力计算地公式.修改盘管直径和并联级数直到满意为止.这些工作做完之后将集热器压降、管道压降和换热盘管压降加起来作为水泵地扬程 .以上所有计算都相对应地计算程序可以辅助工程设计人员进行太阳能热水系统地设计 .第 1 步

16、 集热器流量地估算1) 根据国家标准 GB/T18715-2002 规定，每平方 M 集热面积地推荐流量值为 0.010.02 l/s .( 根据我公司地长期测试，流量宜取1.2 1.8 l/(min m2)·较为合适 .)2) 为保证末台集热器集热效率不至于过低、支路流量不至于过大，串联台数不宜过多 .一般普通真空管型联集管集热器串联台数在 8 台左右，热管式联集管集热器串联台数在6 台左右， U型管式联集管集热器串联台数在4台左右 .3) 集热器流量可按下式估算：Gmin 0.01d.l.n（ 1）Gmax0.02k.d.l .n.N（ 2）其中d 真空管内管直径；l 真空管接受

17、光照部分地长度；n 每台集热器真空管支数；N 常规串联台数（见上）；K 富余系数取 11.2；0.8 0.01d.l .n.N G估算 1.1 0.02d.l.n.N（ 3）例 1：已知： 17 支 210 热管式联集管集热器6 台串联，其估算流量为G估算 12.9 l/min第 2 步 联集管集热器流动阻力实验太阳能热水系统中所应用地联集管集热器类型多样，为了更准确地对系统进行水力计算须对联集管集热器进行流动阻力特性实验实验中要注意以下几点：1） 为了减少误差，实验宜选用23 台集热器串联起来实验.2） 实验中流量范围在Gmin Gmax 之间选取若干点.3） 实验测量量有：进出口压力差、流

18、量.4） 实验装置在同一水平面上，流量要求稳定，流量上行下行各做一组 .5） 根据实验数据绘制压差随流量地变化曲线（P-G 曲线）6） 用二次方程对P-G 数据点进行拟合例 2：已知： 20 支 U 型管联集管集热器（4×5）和24 支椎形套管式热管联集管集热器通过实验获得地P-G 曲线及拟合地P-G 关系式为0.20.180.160.14a0.12PM降0.1压 0.08 0.060.040.0200y = 0.0006x2 + 0.002x + 0.0002y = 0.0003x2 + 0.0016x - 0.0003U型管式热管式5101520流量l/min图 2 联集管集热器

19、压降与流量地关系曲线P 0.0006G2 0.02G 0.002 G 1 16l/min （ U 型管式联集管集热器） （4）P0.0003G20.0016G0.0003 G 1 16 l/min （热管式联集管集热器） （5）第 3 步 集热器连接方案地初定最初制定集热器连接方案时要综合考虑以下方面：1 普通真空管型联集管集热器串联台数不超过10 台；热管式联集管集热器串联台数不超过8 台；U 型管式联集管集热器串联台数不超过6 台 .2 当集热器并联台数过多，流量过大时宜选用多泵系统.3 当集热器倾角不同、朝向不同或被遮挡时刻不同时宜选用多泵系统 .4不同类型地集热器尽量不串联在一起.5

20、尽量采用 Z 型连接，当并联台数少、流量小时可采用U 型连接 .6尽量使并联集热器地管路连接做到同程同阻.7根据集热器布置位置等具体情况确定集热器地连接形式.根据以上原则初步确定集热器地串并联形式和水泵地安装位置.第 4 步 太阳能热水系统支路流量地确定太阳能热水系统中支路流量按下面地公式计算，lE.x. y. z.d l1000（ 6）G 60000c. . t其中G 各支路流量， l/minx, y, z 分别表示真空管支数 / 台、串联台数、并联级数d 真空管内管直径， mml 真空管管长 ,ml 真空管在尾座、保温层和水箱内部分地长度,mmE 太阳辐射强度 w/m2 集热器集热效率c

21、工质比热 ,J/kg 工质密度 ,kg/m3t 进出口温差 ,上述公式中有三个量需要说明：1 太阳辐射强度E：根据当地太阳辐照情况而定，一般为600800w/m22 集热器集热效率：根据集热系统用途（平均集热温度）而定，一般为 3055%3 进出口温差 t ：根据集热器类型及集热器串联台数而定，一般为 810例 3：已知： 17 支 210 热管式联集管集热器 6 台串联、 3 组并联，其支路流量为17630.0472.1020367000.5G 60000100014.77 l/min4.三组并联后地总流量为14.77 l/min,每个支路地流量为 4.97l/mi

22、n所得结果在例1 估算流量地范围内.第 5 步 太阳能热水系统支路压降地确定得出各支路地流量后根据联集管集热器流量和压降地关系函数就可以求得由集热器产生地压力损失.其中串联集热器压降为各台集热器压降地和，而并联集热器压降相等.例 4：已知： 17 支 210 热管式联集管集热器6 台串联、 3 组并联 .根据例 3所得支路流量： G=4.97 l/min根据例 2所得 P-G 关系式：P0.000320.00160.0003GG故单台集热器压降：P 0.0003 4.9720.0016 4.970.0003 0.015MPa6 台串联、 3 组并联后地总压力为：0.015 ×6=0.

23、09 MPa根据计算得出流量和压降，如果两者在适当地范围内即可进行下面地计算，否则返回第 3 步重新选择串并联形式 .第 6 步 热水系统管道水力计算工程中一般按供水管均筹表（见表 1）和工程地实际经验初步确定管径 .表 1 中地数值表示对应行标所代表地管径通过地流量相当于此数值对应列标所代表地管径通过流量地倍数.表 1 供水管均筹表管道口径6810152025304061182.11104.52.11158.23.81.820167.73.62112530146.63.71.81306028137.23.6240884119115.32.91.51太阳集热系统流量确定之后针对具体地管路可以计

24、算出该支路地沿程阻力损失和局部阻力损失，即管路压降 .热水管网地水头损失应遵守下列规定：1、单位长度水头损失，应按下列公式计算：当 V<0.44m/s 时：V0.3(7)0.3187i0.000897 d1j.3 1V当 V>0.44m/s 时：i 0.0010524V 2(8)d 1j.3式 中i 管 道 单 位 长 度 地 水 头 损 失 (m/m)；V 管 道 内 地 平 均 水 流 速 度 (m/s)；dj 考虑结垢和腐蚀等因素后地管道计算内径(m).2 、局部水头损失，宜按下列管网沿途水头损失地百分数采用：1）生活给水管网为2）生产给水管网；生活、消防共用给水管网；生活、

25、生产、消防共用给水管网均为20%.3）消火栓系统消防给水管网为10%.4）生产、消防共用给水管网为15%.根据管路损失适当调整管径，按上述步骤重新计算，直到得到满意地结果，最终确定管径.例 5：已知：主干路，内径28mm，长 100m三个并联支路，内径20mm，长 20m干路流量 14.77 l/min干路水流速度：14.77=0.40 m/s1000600.028 24支路水流速度：14.77 / 3=0.26 m/s1000600.020 24干路单位长度水头损失为0.400.3i0.00089710.3187 =0.044 m0.0281.30.40支路单位长度水头损失为0.260.3i

26、 0.0008970.3187 =0.047 m1 .310.260.020总压降为(0.044*100+0.047*20)*(1+0.3)=6.94 m第 7 步 水箱盘管水力计算太阳能热水系统地水箱换热器一般为铜盘管换热器 .通过水箱换热计算确定换热面积，通过水力计算确定盘管地直径、长度及并联形式 .水力计算所用公式同上 .例 6：已知：水箱盘管换热面积12 m2，流量 40 l/min当盘管为一寸铜管时管径内径并联管长流量流速 (m/s)iHf(m)(m)(m)级数(m)(l/min)0.0280.02621136401.2370.18324.930.0280.0262268200.61

27、80.0453.1160.0280.0262345130.4120.04992.266当盘管为六分铜管时管径内径并联管长 (m)流量流速 (m/s)ihf(m)(m)(m)级数(l/min)0.0220.02021174402.080.72126.600.0220.0202287201.040.18115.820.0220.0202358130.690.0804.680.0220.0202443.5100.520.0451.97根据经济性比较可在两级并联地一寸铜盘管和三级并联地六分铜盘管间选择 .第 8 步 太阳能热水系统水泵地选取在太阳热水系统中，在满足扬程和流量要求地条件下，应选择功率较小

28、地泵在强迫循环系统中，水温 50时宜选用耐热泵泵与传热工质应有很好地相容性- 引自GB/T18713-2002 太阳热水系统设计、安装及工程验收技术规范根据计算得出地太阳能热水系统地总流量和总压降选择适当地水泵 .其中水泵地扬程按下式计算：H=P集热器 +P管路 +P盘管选泵时一定要查看水泵特性曲线，据此选择适当地水泵.附录一 中硬薄壁铜管规格和工作压力中硬薄壁规格和工作压力管径外径（ mm ）名义厚度最大工作压力（mm最大最小（ mm）（ bar）（ mm）（ mm）1515.04514.9650.7582222.05521.9750.9512828.05527.9750.9403535.0

29、734.991.2424242.0741.991.2355454.0753.991.227附录二 管道支点设置地最大安装距离公称内径（ mm）152025324050最 大 距保 温 管1.5222.533离路（ m）不 保 温2.533.544.55管路附录三 内锡焊铜配件选型表内锡焊铜配件15mm22mm28mm35mm42mm54mm45 °弯头SR-440440-1440-2440-3440-4440-5440-690 °弯头SR-401401-1401-2401-3401-4401-5401-6正三通SR-601601-1601-2601-3601-4601-56

30、01-6直接SR-301301-1301-2301-3301-4301-5301-6异径三通SR-601 15*15*2222*22*2828*28*1535*35*1542*42*15601-112601-223601-331601-441601-55115*15*2822*22*1528*28*2235*35*22601-113601-221601-332601-44235*35*28601-443异径直接SR-301 301-2122*15mm301-5142*15mm301-61301-3128*15mm301-5242*22mm301-62301-3228*22mm301-5342*

31、28mm301-63301-4135*15mm301-5442*35mm301-64301-4235*22mm301-65301-4335*28mm54*15mm54*22mm54*28mm54*35mm54*42mm附录四热水及饮水供应国家标准第一节热水用水定额、水温和水质第条生产用热水水量、水温和水质，应按工艺要求确定 .第条 集中供应冷、热水时，热水用水定额，根据卫生器具完善程度和地区条件，应按表确定.卫生器具地一次和小时热水用水量和水温，应按表4.1.2-2 确定 .60热水用水定额表 4.1.2-1序建筑物名称单 位用水定额号最高值 L1普通住宅、每户设有淋浴设备每人每日85 130

32、2高级住宅和别墅、每户设有淋每人每日110 150浴设备34567891011集体宿舍有盥洗室每人每日有盥洗室和浴室每人每日普通旅馆、招待所有盥洗室有盥洗室和每床每日浴室每床每日设有浴盆地每床每日客房宾馆客房每床每日医院、疗养院、休养所有盥洗室每病床每日有盥洗室和每病床每日浴室每病床每日设有浴盆地病房门诊部、诊疗所每病人每次公共浴室 设有淋浴器、浴每顾客每次盆、浴池及理发室理发室每顾客每次洗衣房每公斤干衣公共食堂营业食堂每顾客每次工业、企业、机关、学每顾客每次校食堂27 3838 5527 5555 110110 162160 21530 6565 130160 2155 955 1105 1

33、316 274 73 512幼儿园、托儿所有 住 宿每儿童每日16 32无住宿每儿童每日9 1613体育场运动员淋浴每人每次27注：表4.1.2-1 内所列用水定额均已包括在本规范表2.1.1、表2.1.2中.本表 60热水水温为计算温度，卫生器具使用时地热水水温见表卫生器具地一次和小时热水用水定额及水温表序号一次用小 时 用水温卫生器具名称水量水量( )(L)(L)1234住宅、旅馆带有淋浴器地浴盆150无淋浴器地浴125盆70淋 浴 器100洗脸盆、盥洗槽3水龙头洗涤盆（池）集体宿舍淋浴器：有淋浴70小间100无淋浴小间3 5盥洗槽水龙头公共食堂洗涤盆（池）洗脸盆：工作人3员用顾客用40淋浴器幼儿园、托儿所浴盆：幼儿园托儿所100淋浴器：30幼