太阳能生活热水系统储热水箱和辅助热源设计探讨

1、太阳能生活热水系统储热水箱和辅助热源设计探讨 赵世明高峰 (中国建筑设计研究院,北京100044) 摘要储热水箱的容积取值应考虑建筑的用水特性,主要晚上用水的建筑,水箱容积应取集热 器全天的产热水量;主要白天用水的建筑,水箱容积可取小于全天产热水量。太阳能热水系统必须 设置辅助热源,供热量根据供热(水)调节容积确定,容积为0时,按设计秒流量供热统的容积式加热器设置时,按最大小时流量供热(约60 )控制启停,温度降低时开启, 部,无供热(水)调节容积时,。 关键词)调节容积辅助热源 1太阳能生活热水制备的常用类型 太阳能生活热水集中供应系统的热水制备一般 采用的型式有:加热工质用水泵强制循环、设

2、置储热 水箱、辅助热源、直接加热或间接加热、单水箱系统 或双(多)水箱系统。 上述系统型式可用四种类型的图示表示,即:直 接加热单水箱系统(图1),间接加热单水箱系统(图 2),直接加热双水箱系统(图3),间接加热双水箱系 统(图4)。 2储热水箱 2.1容积确定对于办公、展馆类建筑,热水是在白天使用,和太阳能集热器的工作时间吻合,储热水箱容积可以减小,如可储存半日的产水量 。 图1图4中均含有储热水箱。储热水箱的容 积确定目前方法各异。文献1,2是根据太阳能集热 面积确定;国家规范3是按传统热水供应系统中的供 热(水)调节容积确定;文献4是根据集热面积计算 容积,并和供热(水)调节容积比较,

3、取二者中的大值。 储热容积是为了储存集热器生产制备的热水。 太阳能集热是按日用水量(平均日用水量)设计的, 储热容积理论上应根据设计条件下24小时太阳能 集热和系统用水的变化规律确定。太阳能集热的规 律是白天集热,晚上不集热,系统用水的变化规律和 建筑的使用性质有关。 对于住宅、酒店、宿舍等居住类建筑,热水主要 在晚间使用,太阳能白天的集热量需要储存起来以 备晚间使用,储热水箱容积按集热器一天的热水产 量计算为宜。 给水排水Vol135No14200977 ? 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All r

4、ights reserved. :/ 对于商店、体育类建筑,热水在白天和晚上都同样使用,储热水箱容积可介于住宅和办公类建筑之间。 集热面积的日产水量B1和产品的性能密切相关,需要详细了解产品。当条件不具备时,可按目前常用的经验值选取。 单水箱系统中,当辅助热源按设计秒流量耗热功率配置时,则供热(水)调节容积为0,储热水箱的容积即为储热容积;当辅助热源按最大小时耗热功率配置时,则储热水箱由储热容积和供热(水)调节容积两部分构成,水箱总容积应为储热容积和供热(水)调节容积之和。 需要指出的是民用建筑太阳能热水系统应用, 3 技术规范把集热系统的储热容积按供热水系统的供热(水)调节容积确定,是不合适

5、的。 强制循环加热系统储热水箱中的水加热一般采用温差控制。在储热水箱的底部和屋面集热器的出水口分别设置温度控制器,前者温度低,后者温度高。在水箱内水温小于设计终止温度条件下,当二者的温差大于某一数值时,循环泵开启,将集热系统的热量传递到水箱;当二者温差小于设定值时,循环泵停止工作。如此往复循环,直至达到终止设计温度。温差取值见表12。 表1循环泵运行控制温差 循环泵工况循环泵启动循环泵停止 直接加热系统 52 间接加热系统 105 另外,如果水箱中的水温超过了终止设计温度, 说明水箱出现了过热现象,循环泵应被强制停止工作,不再受温差控制。3辅助热源3.1辅助热源的必要性 2.2 加热运行控制

6、78 给水排水Vol135No14 2009 ? 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. :/ 辅助热源在太阳能热水系统中必不可少,其作用主要是: (1)在太阳能集热系统不产热或达不到设计产热水量时辅助生产热水。 (2)在太阳能集热器按设计能力产热水条件下,系统的用热量仍有可能超过集热器产热水量,因为太阳能的热水制备能力是按平均日用热功率而不是按最大小时用热功率设计的,所以需要辅助生产热水。 (3)在太阳能集热器按设计能力生产热水,并且系统的热水用量等于设计水量的条件下

7、,仍需要辅助加热,因为太阳能集热面积按热水负荷的40%80%(保证率)配置,小于100总之,不应求时辅助加热3.2对于辅助加热系统,应保证太阳能完全不工作条件下的用水需求,因此,供热量的设计应与常规热水加热系统相同。根据系统供热(水)调节容积的设置情况,辅助热源的设计供热量应满足下列要求: (1)在设置供热(水)调节容积的条件下,按最高日最大时耗热功率配置辅助热源,且供热(水)调节容积应满足常规热源热水系统的规定。 (2)当不设置供热(水)调节容积时,按瞬时高峰用水设计秒流量耗热功率配置辅助热源。3.3辅助热源加热器的运行控制设计31311运行控制方法太阳能系统运行中所产热水量是否供不应求、需

8、要辅助加热,可通过储热水箱上端面附近的水温进行判别。当水温不低于系统的设计供水温度(如 ),说明产热水量足够,无需辅助加热;当低于60 该温度,说明产热水量供不应求,需要辅助加热。根据上述判别方法,可以对辅助热源加热器的自动控制运行方式进行设置。自动控制方式如下:在太阳能储热水箱的上端面处设置温控计,并设定供水温度。当感应温度低于供水温度,开启辅助热源;当感应温度高于供水温度 ,关闭辅助热源。允许温度波动范围可采用常规系统的取值。这样,就完全避免了工程中常见的太阳能系统产热水量足够时,辅助热源对储热水箱中的水进行加热的现象,使太阳能集热真正发挥作用。 31312控制温度 设计供水温度的取值应满

9、足如下要求: (1)防烫伤要求,即供水温度不可太高。建筑(GB50015给水排水设计规范2003)已经规定了限定值,见表2。 表2水加热设备出口的最高水温 水质情况 原水无需软化处理或原水进 行了软化处理 水加热器出口最高水温/ 7560 (,水温在60左右或以;水温低于50,军团菌很难被杀灭。 综合考虑防烫伤和水质卫生两方面的要求,供水水温宜按表2中的值控制,不应再低。31313辅助热源运行的常见问题 有些工程感温点的设置位置偏离储热水箱的上端面,这会产生下列弊端: (1)当感温点设在储热水箱顶端面的下方时,由于越往下水温越低,会造成辅助热源过早投入工作,致使储热区内的水温加快上升并达标,减

10、少太阳能集热器的工作时间,降低太阳能利用率和节能效率。 (2)感温点设在供热(水)调节容积的上部。这会导致辅助热源不能在太阳能储热水箱的出水温度达不到设计温度时立刻启动,使储热水箱内存有过多的低温水,影响高峰用水时的出水温度,以至达不到设计水温。 3.4辅助热源加热器的布置 辅助热源加热器是用于保障供水温度的,只是在太阳能制热温度不足时投入运转,在太阳能功率够用时不应运转。因此,加热器的设置位置应在太阳能制热区的末端,即储热水箱的上端面处,并且处于供热(水)调节区的前端,即供热(水)调节容积的底部或下部(当设有供热(水)调节容积时)。工程中有些单水箱系统把辅助加热器放在供热(水)调节容积的上部

11、,如图5,这是错误的,其道理同常规热源容积式系统不可把加热器放置在容器的顶端一样。这样设置的后果是造成热水储量不足,高峰用水时水温不够。 给水排水Vol135No142009 79 ? 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. :/ 加拿大多伦多别墅区室外给排水管道设计介绍 韩世平 (苏州科技学院环境科学与工程学院,苏州215011) 摘要在加拿大城市中别墅区所占比例较大,以多伦多市为例,介绍了其在别墅区室外给排水 管道设计上的一些特点。其中如雨水调节塘、检查井中安全平台

12、的设置等,对国内别墅区的建设有借鉴作用。 关键词别墅区雨水调节塘预制检查井 加拿大地广人稀,根据2004,防止别墅被淹受损和排水的通畅,以及便于施工和维护,在室外给排水管道的设计上采取了一些措施。1给水管道设计 别墅区的室外给水管网宜布置成环状。在规划给水管网服务范围时,要兼顾别墅区目前和未来的发展,以及邻近区域的状况。对每人每天的平均用水量、最高日用水量和最高日最高时用水量,多伦多地区(以下简称GTA)分别为365L/(人?d)、545L/(人?d)和38L/h。由于人口密度小,通常在别墅区内不设配套的文体、餐饮娱乐和商铺等,因此用水组成较为简单。消防用水量根据别墅区类型的不同而有所区别,以

13、独立别墅为例,别墅间距为3m、6m和15m,消防用水量分别为64L/s、60L/s和48L/s。管网的最小管径为150mm。最大生活用水时与最小用水时,管网的最低水压和最高水压分别 。最大生活用水量叠加消防,水压不低于140kPa。管网的水力计算校核采用专门的软件如WaterCAD进行。 管网上的阀门通常布置在道路交叉口附近,不允许设置在别墅门前的私家车道(以下简称私车道)下。两个阀门间的最大间距为240m,其间的给水管道所服务的别墅户数超过40户时,应加设阀门。室外消火栓与私车道边缘、人行道末端斜坡段的边缘(便于轮椅出入)和入户管的最小净距均为1m。两消火栓的最大间距为90m,可按道路长度,

14、或以建筑物的突出部为基点进行量距。室外地下给水管多采用PVC给水管,其不易被探测到,因此在管上装设踪迹线(TraceWire),该线可加载信号以便于将来查找给水管线,踪迹线也与消火栓相连(见图1)。为保证供水安全,当给水干管穿过土方回填区时,其接头应加固处理。 入户管的最小管径为20mm,而对于低压区域、入户管长度超过30m或别墅占地面积超过500m2, 入户4结论 (1)储热水箱容积的取值应考虑建筑的用水特 性。主要晚上用水的居住类建筑,水箱容积应取集热器全天的产热水量;主要白天用水的公共建筑,水箱容积可取小于全天产热水量。 (2)太阳能热水系统必须设置辅助热源,其供热量根据供热(水)调节容

15、积确定,容积为0时,按设 1集热器2储热水箱3供热(水)调节容积和辅助加热器 图5辅助加热器设在供热(水)调节容积的上部(错误布置) 计秒流量供热;容积按常规系统的容积式加热器设 置时,按最大小时流量供热。 (3) 辅助热源应根据储热水箱上端面附近的水 80 给水排水Vol.35No.42009 ? 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. :/ Drainage)。别墅4、5、6的地面坡度走向为中央高, 前后院低的分向排水(SplitDrainage)。图2中阴影部分为

16、雨水管道从检查井11至12之间的汇水面积,从中可看出面积划分上的不同。得出汇水面积后,结合暴雨强度公式和径流系数,可计算出管段的雨水流量并确定其管径和坡度。其中别墅区的综合径流系数按其类型的不同,不同的区域有相应的取值,如GTA所辖的RichmondHill市的独立别墅、半独立别墅和联体别墅径流系数分别为0.0.550.计计算书(Design,4.5m/s)。且依据选定的管坡度等经水力计算得出的流量,应是依据暴雨强度公式、径流系数等经水文计算得出流量的1.21.3倍,以便留有余地。每幢别墅的雨水出户管(ServiceConnection),通常不与道路下雨水干管的检查井相连(见图2),出户管与

17、检查井的最小净距为1.5m 。 图1室外PVC给水管及消火栓上的踪迹线 管的最小管径为25mm2管,成鹅颈弯形状(Gooseneck)。2雨水管道设计 在雨水管道设计之前,首先需要有一个别墅区整体的雨水管理报告(StormwaterManagementReport),报告主要针对雨水的水量和水质,防止别墅受水淹的危害,以及降低雨水造成的非点源污染。在加拿大的工程咨询公司中,通常有专门的部门(WaterResource)来从事这方面的工作。该报告需要结合所涉及别墅区的地形特点等,指明所采用的雨水管理技术(如雨水调节塘),建议削减雨洪流量和峰值应实施的技术措施等。在GTA每10mm的降雨中,要求有5mm应就地处置。 雨水管道的设计重现期为5年,其汇水面积需结合别墅的形式而定。图2中,别墅1、2、3的地面坡度走向为后院高于前院,属于庭前排水(Front温控制启停,温度值宜取60左右。水温低于设定值时,开启辅助热源,水温高于设定值时,关闭该热源。 (4)辅助热源加热器应放在供热(水)调节容积的底部,当供热(水)调节容积为0时,应放在储热水箱的上部。 本文内容选自建设部研究课题建筑机电节能 (06K541)。设计研究 参考文献 1CECS222:2007小区集中生活热水供应设计规程 图2雨水管道汇水面积划分示意 2郑瑞澄.民用建筑太阳能热水系统工