太阳能热水系统设计原理

一、太阳集热器安装倾角的选取
为了得到最大的年太阳辐照能量，集热器应面向赤道，其安装倾角应近似等于当地纬度角。如果要在冬季获得较佳太阳辐照能量，倾角应等于当地纬度加１０度。而春夏秋三季使用的太阳热水器，集热器安装倾角要比当地纬度小１０度为宜。

二、集热器前后排距离的确定
为了使太阳光充分投射到太阳集热器采光面上，要求在热水器使用期内，前排集热器阴影不遮挡后排集热器。对于全年使用的太阳热水器，当集热器在同一水平面安装时，一般要求集热器前后排距离大于太阳集热器安装高度，在我国南方地区，这一距离要小于北方地区，对于不同地区的间距单位估算方法如下。其中ａｓ为太阳高度角，ｈ为集热器安装高度，Ｄ为集热器之间安装距离。显然Ｄ＝ｈ．ｃｏｓａｓ，太阳高度角ａｓ在正午当地纬度角φ大于赤纬角δ时，有ａｓ＝９０°－φ－δ，因而估算出不同地区的安装距离Ｄ值。例如北京冬至时δ＝２３．４ °，则ａｓ＝９０°－４０°－２３．４°＝２６．６°。于是在北京地区太阳集热器安装距离Ｄ＝ｈｃｔｇ２６．６°＝２．ｈ。

三、集热器面积的确定
在确定太阳热水系统运行方式和太阳集热器类别之后，可根据太阳热水器的非稳态效率方程式，或太阳集热器瞬时效率曲线方程式、热水器贮热水温度、水量，利用该地区可获得的太阳辐照度、环境温度等气象资料，用数学模型确定不同季节下所需的采光面积。多年工程实践给出，在北京地区若采用优质太阳平板集热器，每平方米集热器从上午９点至下午３时运行，春秋季节可获温度为４０～６０℃的热水６０～８０千克，夏季１００～１２０千克，冬季２５～３５千克，年平均每平方米太阳集热器日产水量７０千克左右。真空管热水器在北京地区年平均每平方米产热水量与平板型太阳热水系统相当。区别在于夏季平板型热水系统产热水量高于真空管热水系统，冬季则真空管热水器产热水量优于平板型太阳热水器。
为了便于工程计算，对于春夏秋三季用太阳热水器，一般设计供热水量与集热器面积的比值为１００千克／米２为宜，全年用热水器取比值为５０～７０千克／米２为好。若选择容水量与集热器面积比值过大，虽然系统效率提高，但热水温度降低，同时增加了水箱投资。反之，若比例过小会造成水温偏高，降低热效率，从热力学角度分析其能量利用是

不合理的。
鉴于目前国内所生产的太阳集热器热性能良莠不齐，和国内各地区气象资料偏差较大，在选择集热器面积时还应根据集热器热性能和当地气象资料调整容水量与集热器面积的比值，一般在我国华南地区此比值上浮１０％～２０％，在高寒的北方比值下降１０％～２０％。

四、使用水量的确定
目前太阳热水器主要用于家庭生活热水，其用水量参照国家颁布的《室内给排水、热力供应设计规范》的规定确定。但各地客户使用热水量，因生活习惯而有所不同，所以确定水量时亦要因地制宜。

1.联集管式太阳能热水系统运行的原理

联集管式太阳能热水系统，是由联集管式集热器阵列、储热水箱、辅助加热系统、智能控制系统、管道及循环系统组合而成的，可根据需要随意设置出水温度、能与常规能源配合

、实现24小时连续热水供应的太阳能热水系统。

真空集热管接受太阳辐射，将收集的太阳辐射能转化为热能，逐渐加热真空管和集热器内的水；当集热器内的水温达到设定温度时，通过温度传感器、温度控制器及电磁阀、水泵等设备，将集热器里的热水输送到具有保温功能的储热水箱中自动存储起来，同时自动补进冷水。当水位达到储热水箱上限后，温度控制器启动相应设备，将系统运行方式自动转为定温循环，使集热器与水箱之间形成一个完整的循环体系。

2.系统控制方式及性能特点

联集管式太阳能热水系统是快速加热直流运行系统，可在25℃～60℃之间设定水温，与常规能源结合可24小时持续供热水。系统全自动运行，日常使用不需作任何手动操作，只需专人作简单维护。

联集管式太阳能热水系统可采用新一代控制方法，实现计算机智能监控，性能可靠，使用

方便。同时具有定温出水、循环加温、防冻控制、辅助加热等功能，实现全自动运行。

定温出水：当水箱低于所设定的水位时，系统可实现定温（25℃～60℃）出水运行。当集热器中水温达到设定温度时，控制系统自动启动相应器件，靠自来水压力向集热器补进冷水，并将集热器中热水顶进储热水箱。当集热器中水温低于设定温度时，控制系统自动关闭相应器件，停止补进冷水，实现再一次的集热过程。

循环加温：当水箱水位达到设定液位时。系统可自动转换为循环加温运行，此时联集管式集热器与水箱形成循环，进一步提升储热水箱中的水温。

防冻控制：当集热系统底部水温降到设定温度（如6℃）时，控制系统自动启动相应部件，相对高温的水送入系统，使系统中的水保持一定温度，当水温高于相应设定温度时，关闭响应控制部件。

辅助加热：利用常规能源（油、气、电）实现辅助能源补充，具体控制方法与常规能源一

般运行方式相同。

联集管式集热器的集热效果取决于光照时间和光照强度，以北京地区晴好天气日产热水量计算：夏季，日照辐射量23MJ/m2,(相当于晴好天气，日照八小时以上）入口水温15℃：

太阳能热水工程设计方案

一．设计方案类型

太阳能热水系统根据集热系统、辅助系统及供水方式的不同，可以分为三大类型：分户集热——分户储热辅热式；集中集热——分户储热辅热式；集中集热——集中储热辅热式。

（一）分户集热——分户储热辅热式太阳能热水系统是指终端用水点以户为单位，每户独立设置太阳能集热器、储水箱、辅热设备及相关管路，每户独立使用的小型太阳能热水系统。

1.集热器安装位置选择

分户集热——分户储热辅热系统中的集热器的安装位置可为屋顶（平屋面、坡屋面）、立面墙、披檐及阳台拦板等位置。

2.适用安装类型

分户集热——分户储热辅热式太阳能热水系统较适用于独立式小型别墅住宅、联排别墅、新农村规划联排住宅中，也可以在多层及高层住宅中使用。针对以上的不同建筑类型分户集热——分户储热辅热式太阳能热水系统的安装、运行方式也有所不同。独立式小型别墅住宅、联排别墅、新农村规划联排住宅采用分体式别墅型太阳能热水系统，多层及高层住宅多采用阳台壁挂式太阳能热水系统。

分体式别墅型太阳能热水系统介绍：1）分体式别墅型太阳能热水系统一般采用分离式强制循环二次热（工质循环、水介排空方式）系统形式。2）在安装时，集热器与屋面相结合进行安装，满足建筑结构功能的同时不影响建筑的外观；储热水箱及其它辅助设备安装在室内，便于操作及维修。3）在辅助能源上，一般宜选用电加热形式。在使用时，可采用半自动控制的方式（温度不足手动启动辅助加热系统，达到温度时自动停止）。

阳台壁挂式太阳能热水系统介绍：1）阳台壁挂式太阳能热水系统一般采用自然循环方式，为保证系统全年使用，循环介质采用防冻液。2）安装时将集热器放置于阳台栏板处，水箱可安放在阳台内侧或卫生间、设备间内，要求水箱位置高于集热器。建议太阳能与水箱位置不宜过远。3）辅助能源一般采用电加热方式，半自动控制的方式（温度不足手动启动辅助加热系统，达到温度时自动停止）。

3.分户集热——分户储热辅热式太阳能热水系统方案优缺点：1）系统为小型分体式承压供水式，系统简单，使用方便，在建筑应用中安全性、可靠性高；2）储水箱距离用水点较近，户内热水管路距离短，使用热水时不会放出大量的冷水，节水效果好；3）产品使用独立，产权明确，由住户负责日常维护，无管理难度；4）辅助加热设备建议采用定时定温的方式控制，节能效果好。5）热水资源利用无法共享，有效利用率较低，系统综合造价相对较高。

（二）集中集热——分户储热辅热式太阳能热水系统是指太阳能集热器集中、统一规划安装于建筑物屋面部分，储水箱、辅助加热系统按终端用户为单位独立设置的太阳能热水系

统。

1.集热器安装位置选择集中集热——分户储热辅热系统中的集热器的安装位置可为屋顶（平屋面、坡屋面）。

2.适用安装类型集中集热——分户储热辅热式太阳能热水系统较适用于新农村规划联排住宅、多层及高层住宅、宾馆、学校、工厂员工宿舍中使用。

3.集中集热——分户储热辅式太阳能热水系统介绍：1）太阳能集热器集中安装在建筑物的屋面；2）储水箱及辅助加热设备按每户的用量需求分别设置在各户内；水箱通过太阳能循环泵与屋面集中集热器进行循环；3）辅助加热器一般采用电加热，分户设置于户内水箱中；

4.集中集热——分户储热辅热式太阳能热水系统方案优缺点：1）集热器集中统一设置，集热循环管路较少，减少了对公共空间的占用；2）热水供应系统采用分户式，热水管路减少承压供水；集热器具备有分体式热水系统节水效果好等物点；3）热水系统分户供应，水费、辅助加热电费计费容易；4）系统设计相对较为复杂，需着重考虑热量分配不均及高层

的压力平衡问题；5）由于系统的辅分户设置，因此在各用水终端进热时补充时须关闭太阳能循环泵，否则会造成单户辅助加热热量进入太阳能集热器系统而无法计量；6）整个太阳能热水系统不同部分产权归属不尽相同。在多层及高层小区里集热器统一使用，为公有设备（归物业管理），而各终端设备为各户私有，在设备的使用过程中，易造成责任混乱，设备的客理及问题处理易发生纠纷。

（三）集中集热——集中储热辅热式太阳能热水系统是指终太阳能集热器、储水箱、辅热设备全部集成化，统一安装储热器，统一设置集中储水箱及辅助加热设备，然后将热量再分配至各用水终端的太阳能系统。

1.集热器安装位置选择集中集热——集中储热辅热系统中的集热器与储热水箱的安装位置可为屋顶（平屋面、坡屋面）。

2.适用安装类型集中集热——集中储热辅热式太阳能热水系统较适用于新农村规划联排住宅、多层及高层住宅、宾馆、学校、工厂工业生产及员工宿舍中使用。

3.集中集热——集中储热辅热式太阳能热水系统介绍：1）太阳能集热器集中安装在建筑

物的屋面；2）储水箱及辅助加热设备按平均每户的用量需求集中安装在屋面；水箱通过太阳能循环泵与屋面集中集热器进行循环；3）辅助加热器一般采用电加热，设置于户内水箱中；4）集中集热——集中储热辅热式太阳能热水系统根据储热水箱承压性可分为承压式系统和非承压式系统两种：承压式集中集热——集中储热辅热式太阳能热水系统介绍：适用于储水容积较小的系统；比如在多层住宅的供水系统中以单元为供水单位的太阳能热水系统。非承压式集中集热——集中储热辅热式太阳能热水系统适用储水容积较大的系统，比如工业生产用水。

4..集中集热——集中储热辅热式太阳能热水系统方案优缺点：1）太阳能集热系统、辅热系统、供水系统高度集成化，集热系统热损失小；2）辅助能源系统集中设置相对于分散设置，其初期投入设备功率及运行费用都相对较小，节能优势更加明显；3）热水供水系统相比于分户式系统便于进行优化设计，保证供水品质，在节能、节水的前提下，达到随时供应符合需求的热水目的；4）集中集热——集中储热辅热太阳能热水系统可以克服分户式集群系统中占用公共管道井面积较大的缺点，节省了系统管材；但需要设置独立的公共设备间，占用建筑的公共面积；5）集中集热——集中储热辅热太阳能热水系统在集热面积、辅助功率、热水系统的设计、使用上均在存在平衡互补性。5-1）集热面积相对较小，各种辅

助设备较小，初期投资费用低；5-2）使用过程中，由于系统对设备的集成整合程度高，因此可以对不同用水点需求的能量进行方便、合理的调节，使太阳能量及系统设备的有效利用率更高，且保证了充足的用水量。6）集中集热——集中储热辅热太阳能热水系统需根据太阳能系统的平均运行成本确定热水收费标准，通过分户安装热水表进行计量收费，相对比较麻烦。7）集中集热——集中储热辅热太阳能热水系统后期需物业管理部门进行设备的整体维护及管量。

5.集中集热——集中储热辅热式太阳能热水系统分类对比根据系统使用规模的不同，可分为多栋楼系统、独栋楼系统及单元楼系统三种。多栋楼系统由于存在集热损失及室外供热管线损失较大的缺点，不推荐使用。下面就单元楼及独栋楼系统的不同点进行对比分析。

1）经济性能

承压水箱，初期的投资高，回收期较长；开式水箱，设备集中程度高，初期的投资低，回收期短

2）建筑结合空间占用

设备间多，占用公共空间相对较多；设备间一处，占用公共空间相对较少

3）管井位置

集热管道布置数量多，占用管井空间大；集热管道布置宽数量少，占用管井小

4）系统设计

承压系统供水；变频机组供水

5）使用功能管理水平

管理点较多，后期管理维护费用相对较高；管理点较少，后期管理维护费用相对较低

6）管路热损

集热系统为多路，相对热损失较大；供热系统管路短，热损失小。集热系统为单路，热损失相对较小；供热循环管路较长，相对热损失偏大

7）运行费用

采用自来水压力供水方式，相对更加节省费用；采用变频机组供水，会产生一定的费用。

目前，建筑的普遍类型一般有以下几种形式：别墅型住宅、多层住宅、板式小高层、板式高层、点式塔楼住宅等。在遵循经济实用、节能节水、安全简便的原则下，应结合各类型住宅的结构特点、用水点分布情况、用户的实际用水习惯、系统的运行管理模式、辅助能源的种类及经济承受能力等因素，针对不同的住宅类型设计不同类型、不同规模的太阳能热水系统。

二．太阳能热水系统优化选择

1．别墅类型

别墅属高档次住宅，其在建筑功能及建筑外观要求比普通住宅要高。对生活热水的使用，存在用水量相对较大、供水舒适要求高、要求保证率较高等点。因此，在太阳能热水系统上的选择上，推荐采用分体别墅型太阳能系统。

2．多层住宅

多层住宅的屋面面积较为充裕，可以根据用水需求设置足够的集热器面积，因此在太阳能热水系统的选择上，建议选择集中集热—集中储热辅热太阳能热水系统；在系统的规模上，可选择独栋楼设置独立太阳能热水系统一套的方式。

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