太阳能热水器集中供应热水工程设计

 

现代社会，经济高速发展同环境污染、能源短缺间的矛盾日益突出，环保、绿色、节能成为人类寻求生存和长期发展的首要问题。太阳能集中热水供应系统具有节能、使用方便、无污染、经济效益明显等优势，而成为主要的太阳能应用形式。太阳能集中供应热水工程由集热系统、保温系统、循环系统、循环泵、控制系统、管路配件等共同组成，可依据用户要求、安装场地、用水量进行灵活的组合。因此，对太阳能集中供应热水工程设计进行探讨，对于太阳能在热水集中供应领域中的应用优化具有积极的现实意义。

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太阳能集中热水供应系统的适用范围

归结起来，太阳能集中热水供应系统的适用范围包括如下几个方面：第一，日照时数/年在1200小时以上，太阳辐射量/年在3500焦每平方米以上的地区；第二，具备太阳能集中热水供应系统的安装条件；第三，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；第四，系统的安装不会对邻近建筑的日照构成遮挡；第五，系统工作温度在130摄氏度范围内，热水工作温度在75摄氏度范围内。

 

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太阳能集中供应热水工程设计的原则

太阳能集中供应热水工程的设计过程当中，应遵循如下原则：

 

1、安全性。工程自身具备较高的安全性，在真空管发生意外破坏的情况下，对系统的整体运行不产生影响，同时，还应有防雷、防风、防冻的相关保护措施；

 

2、稳定性；应具有较高的热效率和稳定的性能，可实现定温补水等；

 

3、全天候性。考虑复杂天气因素的影响，其加热应备有相应的辅助能源；

 

4、智能型。备有只能控制系统，在显示水温的同时，可依据温度设定要求，来自动启动或关闭加热辅助能源，且控制系统分为自动运行和手动操作两种工作方式；

 

5、节能性。太阳能应用限度最大化，尽可能地节约常规能源；

 

6、水质要求；太阳能集中供给的热水应无异味、无铁锈和其它影响人体健康的物质。

 

因为太阳能的低密度，所以其加热过程缓慢，不能如常规热源那样一次将冷水加热到所需温度的热水，因此其加热、换热、储热方式及所用设备均有别于常规热源。因为太阳能的不稳定，所以系统需设辅热设备，而辅热设备的设置必须以充分利用太阳能为原则。再者，由于系统要设置太阳能与辅热两套加热系统，势必大大增加一次投资，因此太阳能系统的产热量宜以满足一年中大部分时段的平均日用热水量为合理，即用水人数、定额均应按此原则确定，并选择合适的太阳能保证率。

 

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太阳能集中供应热水工程的设计要点分析

（一）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、选择加热系统

 

加热系统分为直接加热和间接加热两种方式，且两者各有利弊，直接加热可实现较高的加热效率，而间接加热则能够有效防止水垢的产生，使集热器使用寿命得到延长。实际应用中，对于间接加热系统的应用更为适宜，且实际应用中，集热器需进行承压处理，需增设循环泵和换热设备。

 

3、选择储热设备

 

储热设备的选择是以间接加热系统的确定为前提的，储热设备包括储热水箱和储热水罐两种。对于较大热水供应量的工程，选择储热水箱更为适宜，其原因在于这一储热方式的出水量每天可达上百立方米，而储热水罐的应用则适合热水供应量较小的工程，在施工现场就可完成拼装，投资小、占地小。

 

（二）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、选择辅助热源和辅热设备

 

选择辅助热源时，宜选热力管网、燃气、燃油、热泵、电等。对于小型太阳能集中热水供应系统宜选择电作为辅助能源。在储热水罐（箱）中直接放入电热元件即可实现，但这一辅助热源的应用需要增加相应的防垢措施，否则其自身所形成的水垢会导致难以有效散热，烧坏元件。而对于规模较大的太阳能热水系统则宜选用电热锅炉作为辅助能源，而达到耐用安全的目的。在选择辅助设备时，可依据常规热源方式进行选择，且在设备型号与台数的确定上，应同太阳能自身不稳定特点相结合，选择两台或多台匹配设备，即无太阳能时，设备同时运行，有太阳能时，一台运行，从而达到节能高效的目的。太阳能辅助加热空气源热泵机组的应用比较普遍，其原理是在机组的蒸发器上增加了一辅助换热器。热泵在低温环境下制热运行时，高于环境温度的太阳能热水流经该辅助换热器，与将进入蒸发器的室外空气进行热量交换提高其温度，从而使制冷剂在相对较高的环境里蒸发吸热，提高了蒸发温度，改善了太阳能供热系统的工作状况。

 

3、布置集热和辅热设备

 

在储热水罐中，应将电热元件置于适当位置，当无太阳能时，亦可依靠电热及热水储量来基本满足热水需求。当太阳能热水系统较大，且集热与辅热都采用水箱时，亦相互独立，并进行串联的布置，前者为集热水箱，起到预热作用，后者为供热或辅热水箱，这样当太阳能不充足时，亦可起到对冷水进行预热处理，而当无太阳能的情况下，只需通过辅助热源来加热辅热水箱内的水，便可正常供热，且不会对集热水箱的集热产生影响。

 

（三）系统工程安全设计

 

1、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：第一，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；第二，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；第三，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。

 

2、防冻安全设计

 

对于北方寒冷地区和存在冻结可能地区，在系统工程设计过程当中，应就防冻问题进行考虑。防冻措施主要包括倒循环、添加防冻剂、排回、排空等，且这些方法各具利弊，其应用过程中应始终围绕“因地制宜”的原则进行。其中，倒循环这种方法较为简单，也比较常用，但存在耗电的缺点，可通过集热管道保温、降低集热系统阻力损失、确定合理的传感器温度来缓解这一问题。

 

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结语

太阳能集中热水供应系统具有舒适、经济、节能、实用、方便等优势，且系统工程设计涉及多种因素。明确系统应用范围，以系统工程的设计原则为前提，借鉴上述内容，有效地开展，从而有效保障太阳能集中供应热水工程设计的节能性、合理性。