多層住宅常用的太陽能熱水系統：

1、分散（整體式）開式太陽能熱水系統（内置電輔熱）

特點：集熱闆放置在屋面，集熱水箱标高高于集熱闆。

設計應注意：

⑴用水點水壓不平衡的問題；

⑵最高層用戶熱水水壓小于0.05MPa的問題；

⑶太陽能集熱水箱的進出水管可以用同一根管。

2、分散（整體式）、閉式太陽能熱水系統

特點：集熱闆放置在屋面或陽台，熱水箱标高可高于或低于集熱闆放置，可内置電輔熱或外置燃氣熱水器輔熱。

設計應注意：

⑴熱水箱的進水管和出水管應分開設置。

⑵當集熱闆放置在陽台時，集熱闆應有防止墜落傷人的安全措施；并需複核底層用戶集熱闆的日照時數是否小于4小時（住宅的建築間距系按日照不小于2小時确定）。

高層住宅常用的太陽能熱水系統：

1、集中（集中集熱、分散儲熱）閉式太陽能熱水系統

特點：集熱闆放置在屋面，與戶内的儲熱水箱間接換熱。戶内的儲熱水箱可内置電熱水器，見圖1。戶内的儲熱水箱也可外置燃氣熱水器見圖2。

設計應注意：

⑴集熱闆與戶内的儲熱水箱熱交換的循環管應同程布置。

⑵循環水泵的用電單獨計量，循環水泵的運行費用可與電梯的運行費用合并計算，太陽能熱水系統不另行向用戶收費。

2、集中（集中集熱、集中儲熱）閉式太陽能熱水系統

特點：集熱闆和儲熱水箱放置在屋面，儲熱水箱為閉式。戶内設熱水器輔熱，見圖3。

設計應注意：

⑴儲熱水箱由高區冷水管供水；

⑵每戶的冷水和熱水進戶管均設水表計量，集熱循環水泵和熱水系統回水泵的用電單獨計量，其運行費用可與電梯的運行費用合并計算，太陽能熱水系統不另行向用戶收費。

⑶由于低區冷水和熱水不同源，故低區應有解決用水點水壓不平衡的措施（低區熱水支管上設減壓閥）。

3、分散（整體式）閉式太陽能熱水系統

特點：集熱闆放置在陽台，熱水箱标高可高于或低于集熱闆放置，可内置電輔熱或外置燃氣熱水器輔熱。

設計應注意：集熱闆應有防止墜落傷人的安全措施；并需複核底層用戶集熱闆的日照時數是否小于4小時（住宅的建築間距系按日照不小于2小時确定）。

公共建築常用的太陽能熱水系統：

1、集中開式太陽能熱水系統

特點：集熱闆、集熱、儲熱水箱放置在屋面，集熱、儲熱水箱為開式。見圖4。

設計應注意：熱水變頻增壓泵的揚程應滿足用水點冷熱水水壓平衡的要求。

2、集中閉式太陽能熱水系統

特點：集熱闆、集熱水箱放置在屋面，集熱水箱為閉式。見圖5。

設計應注意：熱水系統的膨脹罐宜設在屋頂，可減少膨脹罐的容積。計算膨脹罐的容積時，系統水容積應包括閉式儲熱水箱的容積。

遊泳池池水加熱常用的太陽能熱水系統：

特點：集熱闆放置在屋面，為間接加熱。見圖6。

設計應注意：

1、按平時運行耗熱量計算集熱闆數量。初次池水加熱供熱量不足部分，由輔助熱源供給，以節省投資；

2、池水加熱不能采用直接加熱；

3、闆式換熱器宜采用通水側水頭損失不大2m的産品，且闆式換熱器的材質宜選用316L。

集中熱水系統設計思路及案例介紹：

設計小時耗熱量：

設計小時耗熱量：熱水供應系統中用水設備、器具最大時段内的小時耗熱量。

-《建築給水排水設計規範》GB50015-2003(2009年版) 2.1.87

相關概念：設計小時熱水量、平均小時耗熱量、熱水系統的小時變化系數。

全日熱水供應系統與定時熱水供應系統：

在全日、工作班或營業時間内不間斷供應熱水的系統為全日熱水供應系統；在全日、工作班或營業時間内某一時段供應熱水的系統為定時熱水供應系統。

—《建築給水排水設計規範》2.1.79A、2.1.79B

供熱量與貯熱量：

設計小時供熱量：熱水供應系統中加熱設備最大時段内的小時産熱量。—《建築給水排水設計規範》2.1. 87A

貯熱量：由水加熱器、貯熱設備儲存的熱水折算出的熱量。

折算方式：貯熱量=貯熱水體積×熱水密度×溫差×比熱。采用容積式水加熱器時，耗熱量、供熱量和貯熱量之間的關系為：供熱量=耗熱量-貯熱量/T。

貯熱量的調節作用：

1）調節供熱量與最大小時耗熱量的差值（容積式加熱器）；

2）調節供熱量與設計秒耗熱量之間的差值（半容積式熱水器）；

3）當系統無貯熱量時（即熱式、半即熱式）：

熱源應滿足設計秒耗熱量的需求；

有可靠靈敏的溫度控制裝置；

傳熱系數：

傳熱系數K：在特定工況（流速、流态、換熱界面材質等）下，表面式水加熱器單位面積上傳遞熱量的能力。該數值反映水加熱器的工作效率。

傳熱系數≠導熱系數，材質一定條件下，導熱系數是定值，傳熱系數是變值；實際換熱器的傳熱系數要通過實驗測定。

影響傳熱系數的因素：1/K=1/α1 δ/λ 1/α2

α1-熱媒向換熱管内壁的對流傳熱系數，正比于熱媒流速的0.8次方；

α2-換熱管外壁向被加熱水的對流傳熱系數，正比于被加熱水流速的0.8次方；

δ-換熱管壁厚、鏽蝕和水垢的總厚度；

λ-熱管壁、鏽蝕和水垢的導熱系數；

提高傳熱系數K的措施：

1）增大熱媒與被加熱水的流速，增加湍流程度，從而提高對流傳熱系數；

2）選用合适的加熱器材質，控制鏽蝕、結垢的情況；

系統組件：

加熱設備：

加熱設備的分類：直接加熱、間接加熱

直接加熱：熱水爐、熱水器、加熱水箱……

間接加熱：水-水、汽-水熱交換器（容積式、半容積式、半即熱式、即熱式等）……

貯熱設備：開式（水箱）、閉式（水罐）；貯熱、貯熱 加熱（容積式加熱器）。

水加熱器的選用要求：

熱效率高，節材、節能、節地；

熱水側阻力小（規範建議小于0.01MPa），有利于冷熱水壓力平衡；可靠、安全、易檢修。

貯熱設備的選用要求：

有效貯熱容積系數大，低溫區、滞水區少；

溫控系統可靠，出水溫度穩定。

不同水加熱器的構造特點：

U型管換熱器及其發展：

其他形式的換熱器：

常見水加熱器性能對比：

闆式換熱器 儲水罐的形式與導流型容積式水加熱器的比較：

輸水至加熱器和用水點：

1）熱水管道管材選用的要求：耐熱耐腐蝕；

連接方便可靠；（機械連接、焊接、熔接、粘接）

符合飲用水衛生标準；

2）常用的管材

金屬管：薄壁銅管、薄壁不鏽鋼管；（機械連接或焊接）

塑料管：PP-R，PB、PEX；（熔接）PVC-C（粘接）

複合管：襯塑鋼管（内襯PP-R、PEX、PVC-C，機械連接）、鋁塑複合管（内外覆PP-R、PEX，機械連接、熔接）；

3）管道布置要求

冷熱水管道水力同程，主要回水點回水管道水力同程；

合理設置活動支架、固定支架和伸縮節，避免溫度變化産生的形變與壓力破壞管道；（尤其是塑料管道）

選擇合理的保溫材料和合理的保溫層厚度；（節能、節材、省空間）

通過強制流動保持管道内的水溫：

1）循環泵流量的确定

A）系統保溫：補充系統的熱損失：

B）初次加熱：在15~30min内将管網内所有的水送回加熱設備：

2）循環泵揚程的确定

克服循環水量經過供回水管網的水頭損失：Hb=hp hx

由于計算過程複雜，實際工程中可按以下方式計算：

Hb=1.1×[R(L L’) H2]

R—單位長度水頭損失，可取0.1~0.15kPa/m。

L—自水加熱器至最不利點的供水管長；

L’—自回水管最不利點至水加熱器的回水管長；

H2—水加熱器的水頭損失。

其他組件：

1）閉式膨脹罐、安全閥和膨脹管——防止熱水系統受熱後壓力過高。

A）閉式膨脹罐

适用條件：日熱水用水量大于30m3的閉式系統；

總容積計算公式：

Ve-膨脹罐總容積；

ρf-加熱前水的密度，24小時供熱取回水溫度，非24小時供熱取冷水溫度；

ρr-加熱後水的密度；

P1-膨脹罐處的管内壓力 0.1MPa；

P2-膨脹罐最大允許壓力，取1.10P1；

Vs-系統内熱水的總容積；

根據以上條件化簡後得：

B）安全閥

适用條件：日熱水用水量小于等于30m3的閉式系統；

注意事項：

需引至安全處排放；

壓力可設定為熱水系統工作壓力的1.1倍；

C）膨脹管

工作原理：利用在特定高度排放介質洩壓、定壓；

适用條件：有高位非引用水水箱；

注意事項：設置高度既不得過高（超壓），也不得過低（損水）；

2）排氣閥、洩水閥-保證系統運行順暢，檢修方便

設置要求：高處排氣、低處洩水；有條件時優先利用配水點。

3）溫控閥-控制水加熱器出水溫度穩定

自力式溫控閥：精度低，可靠性差，價格低；

電動式溫控閥：精度高，可靠性好，價格高；

安裝位置：熱媒管道上。

設計思路：

使用需求分析：

1）供熱範圍：

注意是否有用水量較大的場所；

注意是否有定時供熱或用戶對供熱時段有特殊需求的場所；

類似的場所包括浴室、洗衣房、廚房等，這些場所宜獨立設置熱水管網或加熱設備。

2）用水行為特點：

用水行為可以簡單分為用水疏散型和用水密集型兩種：

前者包括大部分使用全日熱水供應系統的場所（酒店、辦公、住宅等）；後者包括所有使用定時熱水供應系統場所和部分使用全日熱水供應系統（幼兒園等）的場所。

前者的用水不均勻性小于後者；

計算耗熱量時，前者使用人員定額（《建水規》5.3.1-1），後者使用器具定額（《建水規》5.3.1-2）

3）供熱溫度：

安全：用水點溫度不宜過高，防止燙傷，尤其是使用人員自我保護能力不強的場所，如幼兒園、養老院、精神病院、監獄等；

衛生：水加熱器處溫度不宜過低，防止軍團菌滋生。（軍團菌适宜的生長溫度為20~50℃）

節能：當使用可再生能源或熱源品位較低時，在符合安全衛生的前提下，選擇合适的熱水溫度，減少換熱環節的熱損失，減少二次加熱能源的消耗；

防垢：水加熱器處溫度不宜過高，溫度越高，結垢情況越嚴重。

綜上所述，适宜的熱水溫度為55~60℃；當采取合适的消毒滅菌措施時，也可降低至滿足用水點溫度。

4）舒适度要求

包括熱水的流量、壓力、溫度調節、響應時間等。

熱源條件分析：

1）可再生能源和“免費”熱（廢熱、餘熱）使用的政策要求和綜合效益；

常見的可再生能源：太陽能、水源熱（地下水、地表水、污水）、空氣源熱；

常見的“免費”熱：制冷機組餘熱、工業廢熱；

2）常規熱源的可靠性與經濟性

在有供應有保證的條件下，選擇順序為：

市政熱力管網—燃氣（油）熱水機組—電熱水設備。

耗熱量計算：

1）用水疏散型：

Kh—小時變化系數；m—用水計算單位數；

qr—熱水用水定額；tr—熱水溫度；

tl—計算冷水溫度；（如不是按最不利工況考慮，則應根據設計保證季節的實際情況取值）

C—水的比熱；ρr—熱水密度；T—每日使用時間。

2）用水密集型：

qh—衛生器具的小時熱水定額；tr—熱水溫度；

tl—計算冷水溫度； n0—衛生器具數量；

b—同時用水百分比；C—水的比熱；

ρr—熱水密度；T—每日使用時間。

3）綜合計算

具有多種熱水使用場所的建築使用同一熱源時，應按同時用水高峰時段場所的設計小時耗熱量加上其餘場所的平均小時耗熱量作為總的設計小時耗熱量；

有必要時，應當逐時計算；如果部分場所在其餘場所供熱時處于非供熱時段，則應扣除該部分耗熱量。

4）系統設計

确定合理的供熱時間（全日、定時）、系統配置（分散、合并）、供熱溫度、熱源；

根據用水要求，選擇合适的供水方式（開式、閉式）、循環方式（全循環、部分循環）；

選用合适的加（貯）熱設備；

選用合适的循環設備；選擇系統附件；

布置主要設備機房：

機房的進排風、排水、噪聲對貼鄰房間和周圍環境産生的影響應仔細考慮；

機房的布置應充分考慮檢修的需求，尤其是加熱盤管的維修更換。合理布置管網。

案例介紹：

項目概況：

某一類高層綜合樓項目位于浙江省嘉興市，地下一層為為停車庫和設備用房，1~3層為商業，4層為酒店大堂，設備層~20層為酒店式公寓。

使用需求分析：

該項目内有集中熱水供應需求的場所為公寓内的衛生間，沒有其他用水量較大或供熱需求特殊的場所。

該項目的為用水疏散型的場所，供熱時間為全天24小時；

由于無特殊需求，水加熱器出口溫度拟設定為60℃；

用戶對熱水供應的壓力、流量、溫度調節和響應時間無特别要求，因此均按規範推薦數值選用。

熱源條件分析：

根據當地氣象情況和政策規定，可再生能源與廢熱、餘熱利用條件均不具備；

項目所在地周邊市政道路能夠提供可靠的燃氣和電力接入。

耗熱量計算：

Kh—小時變化系數；

m—用水計算單位數；

qr—熱水用水定額，90L/床•d；

tr—熱水溫度，60℃；

tl—計算冷水溫度，嘉興地區取5℃；

C—水的比熱，4187J/kg•℃；

ρr—熱水密度，60℃的熱水密度為0.983kg/L；

T—每日使用時間，24h，86400s；

根據壓力控制要求，系統豎向分3個區：4~8層為Ⅰ區，9~14層為Ⅱ區，15~20層為Ⅲ區。

各區耗熱量計算如下：

系統設計：

1）供熱時間、熱源、系統配置、供熱溫度：

酒店式公寓熱水采用集中式全日制供熱系統；

采用常壓燃氣鍋爐制備高溫熱水（95℃ /75℃）作為熱媒制備生活熱水；

各區分别設置熱交換器，熱交換器出口溫度設定為60℃；

2）供水方式和循環方式：

為保證冷熱水壓力平衡，采用閉式熱水供應系統，熱交換器使用半容積式水-水熱交換器；

為保證用水點溫度設置機械幹管循環系統。

3）加熱設備選型:

以Ⅰ區為例：

計算換熱器加熱面積：

Fjr—表面式水加熱器的加熱面積，m2；

Cr—熱損失系數，取1.1；

Qz—需制備的熱量，177953W

ε—不均勻系數，取0.8；

K—傳熱系數，半容積式換熱器，取950W/m2•℃；

Δtj—計算溫差，

選用換熱器：

據此選用HRV-02-1.2(1.6/0.6)型半容積式換熱器2台

單台換熱器：V=1.17m3，Frj=3.6m2，Φ=900mm，H=2348mm，運行重量1914kg。

校核貯熱量：

按儲存20min設計小時耗熱量計，需儲存的熱水水量（60℃）：

現實際儲存2.34m3的60℃熱水，滿足要求。

同樣方式為Ⅱ區、Ⅲ區各選用：

HRV-02-1.2(1.6/0.6)型半容積式換熱器2台，單台換熱器：V=1.17m3，Frj=3.6m2，Φ=900mm，H=2348mm，運行重量1914kg。

4）循環泵選型

以Ⅰ區為例：水泵流量

qb≥qx=1557L/h=1.56m3/h

qx—全日供應熱水的循環流量，L/h；

Qs—配水管道的熱損失，取設計小時耗熱量的5%；

Δt—配水管道的熱水溫度差，取5℃。

ρr—熱水密度，60℃的熱水密度為0.983kg/L；

水泵揚程

Hb=1.1×[R(L L’) H2]= 1.1×[0.10×(100 100) 0]=22.0kPa=2.2m

R—單位長度水頭損失，R=0.1~0.15kPa/m，本工程取0.10kPa/m。

L—自水加熱器至最不利點的供水管長，100m；

L’—自回水管最不利點至水加熱器的回水管長，100m；

H2—水加熱器的水頭損失，可忽略不計。

設備選型：

據此選用TP32-60/2型循環泵2台（一用一備），單台水泵Q=3.0m3/h，H=5.0m，N=250W。

同樣方式為Ⅱ區、Ⅲ區各選用：

TP32-60/2型循環泵2台（一用一備），單台水泵Q=3.0m3/h，H=5.0m，N=250W。

5）閉式膨脹罐選型

以Ⅰ區為例：

Ve—膨脹罐總容積，L；

ρf—加熱前水的密度，全日制供熱，按40℃的熱水密度0.992kg/L取值；

ρr—加熱後水的密度，60℃的熱水密度為0.983kg/L；

P1—膨脹罐處的管内壓力，MPa；

P2—膨脹罐最大允許壓力，取1.10P1，MPa；

Vs—系統内熱水的總容積，約3000L；

據此選用OT-400H閉式膨脹罐一個，Φ750mm×H1998mm，V=414L。

同樣方式為Ⅱ區、Ⅲ區各選用：

OT-400H閉式膨脹罐一個，Φ750mm×H1998mm，V=414L。

6）布置主要設備機房

7）管網設計

8）其他

固定支架的設置應在圖中表達：熱水管固定支架間距的确定應根據管線熱漲量、膨脹節允許補償量等确定。固定支架宜設置在變徑、分支、接口及穿越承重牆、樓闆的兩側等處；

熱媒管系統設計（熱媒配管、集分水器等）應根據熱媒耗量計算後确定。

集中集熱分戶儲熱太陽能熱水系統：

系統組成：太陽能集熱器、緩沖水箱、戶内蓄熱水箱、水泵、管路、管件及其控制系統等。

集中供熱水方式：在屋面安裝太陽能集熱器，在住戶戶内安裝蓄熱水箱，蓄熱水箱内置換熱盤管，熱媒通過水箱内的換熱盤管将太陽能的熱量交換給戶内的蓄熱水箱，加熱蓄熱水箱的冷水，供給住戶生活熱水。當太陽能因天氣原因不能滿足住戶用熱水水溫要求時，各戶根據情況啟動蓄熱水箱内的電加熱，滿足住戶用熱水要求。

集中集熱分戶儲熱太陽能熱水系統運行原理：

集熱器用來吸收太陽的熱量，将集熱器中的水加熱。當集熱器裡水的溫度大于集熱供水管水的溫度設定值時，水泵開啟，集熱器與立管進行循環。當蓄熱水箱水的溫度小于集熱循環回水立管溫度設定值時，電磁閥打開，循環立管與戶内蓄熱水箱進行換熱，集熱循環回水立管溫度低于蓄熱水箱溫度時，循環停止。當戶内蓄熱水箱中的電加熱開啟時，電磁閥關閉不與循環立管進行換熱。如因長期沒有用水點時，立管中的水變冷，此時，電磁閥開啟，立管中相對低溫的水流回集熱器被重新加熱。

設計計算：

一、#樓熱水量确定

二、太陽集熱器總面積（組數）的确定

一般來說，全年使用的太陽能熱水系統在計算時采用全年平均氣象參數，側重于春、夏、秋季使用的太陽能熱水系統，在計算式采用春分或秋分所在月的月平均氣象參數，側重于冬季使用的太陽能熱水系統在計算時采用12月的月平均氣象參數,直接式太陽能熱水系統的集熱器總面積可根據系統的日平均用水量和用水溫度确定。集熱器荷載為80Kg/㎡。直接式系統太陽集熱器總面積可按下公式計算：

式中：Ac—直接式系統集熱器總面積，㎡；

Qw—日平均用水量，Kg；

C—水的定壓比熱容，4.187KJ/(Kg·℃)；

tend—貯熱水箱内水的終止設計溫度，℃；

ti—水的初始溫度，℃；

JT—當地集熱器采光面上的年平均日太陽輻照量，KJ/㎡；

f—太陽能保證率，%；根據系統使用期内的太陽輻照、系統經濟性 及用戶要求等因素綜合考慮後确定，宜為30%～80%，一般采用60%；

ηcd—集熱器的年平均集熱效率;根據經驗取值宜為0.25～0.50，具體取值應根據集熱器産品的實際測試結果而定；

ηL—貯水箱和管路的熱損失率;根據經驗取值宜為0.20～0.30。

得出：Ac= m²。

太陽能系統主要設備：

平闆型太陽集熱器由蓋闆、集管、太陽集熱闆芯條、保溫層、邊框、背闆等部分組成。

平闆集熱器安裝方法：

橫排聯集管集熱器：

集熱器基礎做法：

管路保溫做法：

太陽能恒溫供水系統集熱器支架示意圖：

本文來源于互聯網，暖通南社整理編輯。

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