太阳能集热器面积计算

2009-11-30 21:13:10| 分类： 工作 | 标签： |字号大中小 订阅

关键词：民用建筑 太阳能热水系统 太阳能集热器 一体化设计
　　1、前言
　　2005年笔者参与了由厦门市建设与管理局组织的《厦门市太阳能热利用与建筑一体化实施可行性报告》的课题研究，经过近一年的努力，调研、学习总结太阳能热水系统运用较好的云南、山东省份的工程经验，针对厦门太阳能资源及气候条件的实际情况，提出了在厦门地区太阳能热利用与建筑一体化的可行实施方案，课题针对不同的建筑形式提出了在厦门市太阳能利用推荐方案，对今后厦门市实施太阳能热利用与建筑一体化具有科学、实际的指导意义。近几年笔者多次参与厦门市太阳能试点工程的设计及专家论证会，并对工程进行跟踪调研，积累了一些经验。下面笔者就太阳能在民用建筑应用技术方面的设计要点进行阐述，供同行参考。中华太阳能
　　２、我国目前太阳能热水系统应用技术现状
　　太阳能作为一种可持续使用的绿色能源，在我国已广泛开发使用，建设部根据国家可持续发展规律战略要求，已在民用建筑中积极推广使用太阳能热水器，并在全国范围内推广实施"阳光计划"。近年来，我国太阳能利用虽然取得了很好的节能效益，但在民用建筑中太阳能利用往往自成系统，作为建筑的后置设备安装和使用，即使是新建筑，也是简单的安装在屋面上。因为早期没有可执行的相关国家规范，太阳能热水器在建筑上布置极为随意，未预留管井，无位置随意占用烟道，集热器、热水箱的承载、防风、避雷等安全措施不健全，给城市景观、建筑的安全带来及不利的影响。笔者在参观昆明太阳能利用情况时，看到许多类似的情况，已大大影响了市容市貌和建筑安全，致使国内有些城市禁止在建筑上安装太阳能热水器，并要求拆除已安装的太阳能热水器，这些都将制约太阳能热水系统在建筑中的利用。为使太阳能热水系统安全可靠、性能稳定，与建筑和周边环境协调统一，并规范太阳能热水系统的设计、安装和验收，推动太阳能热水系统在建筑中的利用，近年来国家先后出台了一系列相关规范和国标图集，有GB/T18713-2002《太阳能热水系统设计、安装及工程验收技术规范》、GB50364-2005《民用建筑太阳能热水系统应用技术规范》、GB/T20095-2006《太阳热水系统性能评定规范》、国标图集06J908-6《太阳能热水器选用与安装》06SS128《太阳能集中热水系统选用与安装》….及省标J10807-2006《居住建筑与太阳能热水系统一体化设计、安装及验收规程》（以下简称省标J10807-2006），以上标准都各具特色，特别是国标GB50364-2005是我国第一项有关太阳能热水系统在建筑中应用的国家标准，为我国太阳能热水系统在建筑中推广应用提供了技术依据。
　　３、民用建筑太阳能热水系统设计要点及主要设计步骤
　　《民用建筑太阳能热水系统应用技术规范》中（以下简称GB50364-2005）首先强调民用建筑太阳能热水系统设计应纳入建筑给排水设计中，建筑给排水专业人员在太阳能企业技术人员的配合下，依据规范GB50364-2005的要求，对太阳能热水系统进行设计，同时并应符合国家现行有关标准的要求。
　　3.1、民用建筑太阳能热水系统设计的基本条件：
　　根据我国太阳能资源分布情况，福建南部属于太阳能资源较丰富地区，福建北部属于太阳能资源一般地区。参照省标J10807-2006表3.1.2：福建省又可分为I类地区和II类地区，福州、厦门等城市属I类地区，太阳能资源较丰富，民用建筑宜设计选用太阳能热水系统。
　　3.2、民用建筑主要基本情况调查：
　　周围环境：建筑所处地点纬度、年日照时间、年太阳辐射强度、年环境温度等；
　　建筑功能：最高日热水量、供水方式、用水温度、用水点位置等；
　　安装条件：场地面积、形状、建筑结构承载力、遮挡情况等；
　　辅助热源情况：电价、气价
　　3.3、太阳能热水系统类型的确定：
　　设计人员应根据建筑物以上综合因素，依据规范GB50364-2005表4.2.6选择系统类型，选择其类型、色泽和安装位置，应与建筑物整体及周围环境相协调。
　　系统选型举例：图（1）太阳能热水系统对照表4.2.6选择系统类型即为：集中供热水系统、强制循环系统、间接系统、内置加热系统、全日自动启动系统。
　　3.4、太阳能集热器类型的确定：
　　太阳能集热器的类型有平板型集热器和真空管集热器，真空管集热器又分全玻璃真空管和热管式真空管。真空管集热器具有保温性能好，低温热效率高，其吸收系数可达到94～96%，辐射系数小于6%，适合在北方地区使用，国内应用约80%。而平板型集热器在高温时热效率高，低温时热效率较低，具有承压高、热传递性能好等优点，适合在南方地区使用，在国内应用约占20%，在国外平板型集热器应用约占90%。太阳能集热器类型的确定应根据系统的特征、运行时间，运行环境及用户需求等综合因素来确定。
　　3.5、太阳能集热器面积的确定：
　　3.5.1直接系统集热器面积：（根据规范GB50364-2005 公式4.4.2-1）

　　式中 A c -- 直接系统集热器总面积，m2；
　　Q w -- 日均用水量，kg；
　　C w -- 水的定压比热容，kJ /（kg ·℃）；
　　tend -- 贮水箱内水的设计温度，℃；
　　ti -- 水的初始温度，℃；
　　JT -- 当地集热器采光面上的年平均日太阳辐照量，kJ/m2；
　　f -- 太阳能保证率，%；根据系统使用期内的太阳辐照、系统经济性及用户要求等因素综合考虑后确 定，宜为30%～80%；
　　ηcd -- 集热器的年平均集热效率；根据经验取值宜为0.25～0.50，具体取值应根据集热器产品的实际测试 结果而定；
　　ηL-- 贮水箱和管路的热损失率；根据经验取值宜为0.20～0.30。
　　3.5.2间接系统集热器面积：（规范GB50364-2005 公式4.4.2-2）

　　式中 AIN --间接系统集热器总面积，
　　AC --直接系统集热器总面积，m2；
　　FRUL -- 集热器总热损系数，W/（m2·℃）；
　　对平板型集热器，FRUL宜取4～6 W/（m2·℃）；
　　对真空管集热器，FRUL宜取1～2W/（m2·℃）；
　　具体数值应根据集热器产品实际测试结果而定；
　　Uhx -- 换热器传热系数，W/（m2·℃）；（该性能参数可由所选产品厂家提供）
　　Ahx -- 换热器换热面积，m2。 （该性能参数可由所选产品厂家提供）
　　3.5.3集热器面积的简化计算：(适用于方案设计阶段)
　　式中 As --太阳能集热器集热面积， m2;
　　Qrd--设计最大日用水量 ，L/d；
　　qt --太阳能集热器单位面积每天产热水量，L/m2.d （该性能参数由所选产品厂家提供，福建南部地区可按50～70L/m2.d选用）
　　3.5.4 根据笔者经验厦门地区集热器的面积也可按：2.5～3.5ｍ２/户进行估算。
　　3.6、太阳能集热器的设置：
　　太阳能集热器是太阳能热水系统的集热部件，也是太阳能热水系统的核心部件。太阳能集热器位置的设置，不仅影响系统的有效运行，还直接影响到建筑的外观，如何正确选定太阳能集热器在建筑中的位置，是太阳能热水系统设计的重要步骤。
　　3.6.1太阳能集热器的主要设置方式有：
　　１、在建筑的平屋面、坡屋面上
　　２、在建筑的外墙面上
　　３、在建筑的阳台上
　　3.6.2太阳能集热器的安全性能：
　　太阳能集热器的设置首先应确保建筑的安全性能，设计应注意规范GB50364-2005中以下几点：
　　1、架空在建筑屋面和附着在阳台或墙面上的太阳能集热器，应具有相应的承载能力、刚度、稳定性和相对于主体结构的位移能力（第4.4.12条）；
　　2、当集热器做为建筑构件时，如嵌入建筑屋面、阳台、墙面或建筑其他部位的太阳能集热器，应满足建筑维护结构的承载、保温、隔热、隔声、防水、防护等功能（第4.4.11条）；
　　3、安装在建筑上或直接构成建筑维护结构的太阳能集热器，应有防止热水渗漏的安全保障设施（第4.4.13条）；
　　4、太阳能集热器不应跨越建筑变形缝设置。3.6.3太阳能集热器的安装方位和倾角：
　　1、集热器的安装方位：根据规范GB50364-2005第4.4.7条，集热器的安装方位应朝向正南，如受建筑物条件的制约，也可选择偏东南或偏西南方向。
　　2、集热器的安装倾角可按下式确定：
　　使集热器全年得热量最大时，θ＝Φ
　　式中：θ：集热安装倾角 Φ：安装地的纬度
　　当使集热器的集热效率在夏季最高，安装倾角可由当地纬度减10°来确定。即θ=Φ-10°去确定集热器安装倾角。
　　当使集热器的集热效率在冬季最高，安装倾角可由当地纬度加10°来确定。即θ=Φ+10°去确定集热器安装倾角。
　　福建省主要代表城市安装倾角的选择参见省规J10807-2006附录表A（冬季使用查考）
　　例如：福州的集热器安装倾角：θ＝Φ＋10＝26.05+10＝36.05，设计可按36°取值。
　　厦门的集热器安装倾角：θ＝Φ＋10＝24.56+10＝34.56，设计可按35°取值。
　　3.6.4太阳能集热器前后排间距：
　　集热器的布置应避免受遮挡，与遮光物或集热器前后排的最小间距应按规GB50364-2005 公式4.4.7计算：
　　D = H × ctg αs
　　式中 D --集热器与遮光物或集热器前后排间的最小距离，m；n
　　H --遮光物最高点与集热器最低点的垂直距离，m；
　　αs --太阳高度角；
　　当地春秋分正午12时的太阳高度角（季节性使用）；
　　当地冬至日正午12时的太阳高度角（全年性使用）。
　　3.6.5太阳能集热器的连接：
　　太阳能集热器连接成集热器组的方式主要分三种：串联、并联、串并联
　　上述例题图（１）太阳能集热器的连接即为串并联连接方式，集热器的布置原则应依据规范GB50364-2005第4.4.7条第7、第8款设计。3.7、太阳能热水系统贮水箱的设计：
　　1、贮水箱的有效容积可按下式确定：
　　V=(50～100)AS式中：V：贮水箱的有效容积(L) Aa：集热器的集热面积（m2）
　　2、贮水箱分开式或闭式，大面积太阳能热水系统的贮水箱宜设计成开式水箱；中华太阳能
　　3、贮水箱应具有良好的保温措施，水箱的材质、管道布置等设计应符合《建筑给水排水设计规范》GB50015中有关规定。中华太阳能
3.8、太阳能热水系统辅助热源的选择：
　　太阳能热水系统目前常用的辅助热源有空气源热泵、电加热、燃油和燃气锅炉加热等方式，太阳能热水系统都有一个贮水箱，各种辅助热源都是通过贮水箱发挥作用的，常用的辅助补热方式有以下几种：
　　1、空气源热泵辅助方式
　　在贮水箱和空气源热泵之间设置循环管道，通过循环泵、控制系统实现热泵与水箱之间换热，使贮水箱内的水升温。
　　2、直接电加热方式
　　在贮水箱的底部设置电加热装置，通过控制系统对电加热实现定时、定温等控制。
　　3、热水型电、燃油、燃气锅炉方式
　　在贮水箱内设置换热器（铜盘管），通过循环泵、控制系统、换热器实现锅炉与水箱之间的换热，使贮水箱内水升温。
　　4、蒸汽型燃油、燃气锅炉方式
　　在贮水箱内设置多孔管或带消声装置的蒸汽喷射器，锅炉产生的蒸汽直接通过多孔管或蒸汽喷射器进入贮水箱内使水升温。
　　4、结束语
　　太阳能热水系统的循环管路、循环水泵、控制系统等设计均应根据有关国家规范进行设计，这里就不一一阐述。总之民用建筑太阳能热水系统应用技术需要建筑设计单位建筑、给排水、结构、电气工程师相互配合，并与太阳能热水系统供应商配合，才能实现太阳能热水系统与建筑一体化设计。