太阳能热水供应设计在建筑工程的应用探讨

1、太阳能热水供应设计在建筑工程的应用探讨 摘要：本文主要从集热系统设计、辅热设备的设计、防过热、防爆安全设计以及防冻安全设计几个方面对太阳能热水供应系统的设计进行了分析。 关键词：太阳能热水供应；集热系统设计；辅热设备设计；防爆安全设计；防冻安全设计 一、太阳能热水供应系统概述 太阳能热水系统是利用太阳能集热器，收集太阳辐射能把水加热的一种装置，是目前太阳能应用发展中最具经济价值、技术最成熟且已商业化的一项应用产品。太阳能热水系统的分类以加热循环方式可分为：自然循环式太阳能热水器、强制循环式太阳能热水器、储置式太阳能热水器三种。太阳能热水供应系统主要由太阳能集热器、保温水箱、连接管路和控制中心组

2、成。太阳能热水供应系统有其相应的适用范围，安装地区需满足日照时数每年在1200小时以上，太阳辐射量每年在3500焦每平方米以上，能够保证太阳能集中热水供应系统的建筑安装部位每天至少4小时的日照，并且保证系统的安装不会对邻近建筑的日照构成遮挡。 二、住宅太阳能热水系统的应用现状 从当前的住宅太阳能热水系统来看，大部分都是由集热器、贮热器、辅助加热装置以及热水管路构成。这些构成部分中，存在着很多的组成形式，而这些多样化的组成形式也给设计人员的科学合理选择带来了很多的不便，随着这一系统的不断推广和应用，在住宅建筑中存在着以下几种较为常见的组成形式： （1）用户独自集热、独自贮热、独自进行辅助加热；

3、（2）集中进行用户集热、集中进行用户贮热、分别供应用户预热水、独自进行辅助加热； （3）集中进行用户集热、用户独自进行贮热、独自进行辅助加热。 在现实的住宅建筑太阳能热水系统设计时，开发商和太阳能厂家的相关技术人员往往选择第一种设计形式，因为这一设计形式应用时间较长，相关技术比较成熟，但存在着一些技术和应用上的缺点。对于第二种形式来说，它在很多技术方面都存在着先进的优势，而且总的建设成本比第一种低廉，但是由于第二种形式在一些细节的整合技术上还存在不足，所使用的配件不易寻找，在现实的住宅中应用不广，在现实中的应用不够广泛。这些不仅与我国的太阳能技术发展历史有一定的关系，而且还和房地产企业与太阳能

4、企业之间缺少必要的交流很沟通有着直接的关系，因此相关人员应该根据集中式太阳能热水系统的现有技术进行分析，并进行不断的优化。 二、太阳能热水供应系统设计要点 3.1集热系统的设计 1）系统规模设计。集热系统的规模不宜过大，集热器阵列的总出水口同储热水箱间的距离应控制在300米范围内。在小区规模较大时。可以邻近几幢或单幢为一个小系统，且通过增设站室便可实现节能的效果。 2）加热系统的选择。太阳能加热系统有间接式和直接式两种，直接式太阳能热水系统又可分为自然循环和强制循环式，而强制循环式太阳能热水系统又有连续式和间歇式之分。总之，两种加热系统各有优缺点，具体比较如下：间接式太阳能热水系统包括集热器和

5、用户热水两个子系统，并通过换热器相连。集热器子系统一般采用抗冻液作为循环工质。抗冻液在太阳能集热器中被加热后，在泵作用下通过换热器加热循环水，当水温达不到要求时则利用辅助热源加热至所需温度送往用户。该系统室外部分所用工质为防冻液，因此具有可靠的防冻能力，寒冷地区的设备及管路亦无冻裂之忧，但由于需换热器加热循环水，故初次投资较大，总的热效率低。自然循环式热水系统的水箱位于室外，且高于集热器。该系统不用水泵（不耗电），无须专人看护，一次投资省，但水箱需高架（受安装环境限制），且抗冻性能差， 一般适于非冰冻地区使用，且系统不能过大，集热面积通常在30m2以下。连续式强制循环系统的特点是： 水箱可置于

6、室内，水泵连续运行，系统工况稳定，初次投资较省。由于水泵运行与日照、集热器水温无关，常常在日照较弱的情况下运行水泵，造成无效运行，浪费电能，使系统运行效率降低。 通过上面的分析可以看出：非寒冷地区的小面积系统可优先采用自然循环式系统；加热游泳池、鱼塘用水可优先采用连续式强制循环系统；宾馆、浴池大面积系统可优先采用间歇式强制循环系统；使用间接系统时应经过技术经济比较。 3）集热器的选型。目前国内的太阳能集热器主要有平板型集热器， 全玻璃真空管集热器， 热管真空管集热器等。平板型集热器具有集热块、价格低、承压高，且耐热冲击性能好等优点，但在室外气温较低时热损失较大，不耐冰冻。全玻璃真空管集热器全年

7、热效高，但承压能力低，系统可靠性差，玻璃管内易结垢且难清理。热管真空管集热器的全年热效也较高，且承压能力大，耐热冲击性能好，在寒冷条件下耐冰冻，系统可靠性较强。 根据以上分析， 在非冰冻地区可优先采用平板型集热器；在寒冷地区的大面积热水系统可优先采用热管真空管集热器；在寒冷地区大面积使用全玻璃真空管集热器时， 应采取措施提高其承压和抗热冲击能力。 4）集热器的定位。安装方位角和倾角。方位角宜朝南或南偏东、南偏西15角内摆放。当不能满足要求时，应加大集热器的采光面积。全年使用时，集热器的安装倾角应与当地纬度一致；偏重于在冬季使用时，倾角应加大至约比当地纬度大10；偏重于夏天使用时，则应比当地纬度

8、小10。顺坡屋面安装时，集热器之间不遮挡，留出安装间距和检修空间；成2排或2排以上安装时，集热器之间的距离应大于日照间距，避免相互遮挡。 3.2辅热设备的设计 1）计算辅热设备负荷。依据相关规范要求，对于太阳能集中供应热水工程辅热设备负荷的设计，应当不考虑太阳能效用，而将日常所需热量作为辅助设备作为依据。 2）辅助设备选型。辅助加热设备， 根椐常用热源的不同可分为： 工业废热或设备余热、电热水锅炉、柴油锅炉、燃气锅炉、空气源热泵等。从节能及环保角度考虑，工业废热或设备余热是理想的辅助热源，但对绝大多数的住宅建筑而言， 往往不容易获得；因电加热的效率低，如非实行低谷用电时段的地区，不宜采用；由于

9、柴油锅炉的污染大及制热水费用高，不宜采用；在天然气充足且价格较低的地区，可考虑以其作为辅助热源；空气源热泵热水器，近几年在我国得以迅速发展，其利用电力驱动， 从空气中获取能量， 具有环保且低费用的优势， 是作为辅助加热设备的较佳选择，尤其是冬天气温较高的南方地区。 3.3防过热、防爆安全设计 太阳能集中供应热水工程设计中，防高温、防爆安全措施是十分重要的设计内容。通常情况下，包括如下几方面设计内容： 1）集热系统的管道上应设放气器、安全阀、膨胀管。且未降低集中介质损耗，可适当提升系统内部的压力； 2）设置空气散热器，即当集热器中水温过高时，利用空气散热器来散出热量，从而防止过热现象； 3）采用遮阳设备。集热系统所采用的阀件、管件、管材等应为耐高温材质，且极热管上所连接的设备、阀件及密封材料也应为耐高温材质。 3.4防冻安全设计 加热防冻即伴热带防冻。自限温电伴热带是用ptc材料制成，其特性是随温度的升高电阻也会相应升高，当到达一定温度时，电阻会足够大，ptc材料几乎处于断路状态，没有电流通过。目前电伴热带是北方地区管路防冻的最常用的方法，实际使用中伴热带单根使用长度不能超过规定值、电源线容量选择要符合规范要求、电源线和伴热带接头要符合相应规范、需防冻管路通径和伴热带功率匹配要合适、