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摘要：太阳能是一种取之不尽、用之不竭的可再生能源。文章结合实际工程案例对太阳能热水系统的实际应用进行分析，根据用水量、安装场地、用户要求进行灵活的排列组合，同时电加热功能可以适当增减，满足阴雨天及冬季使用热水的要求。
关键词：太阳能热水系统；集热水箱；集热器
一、太阳能热水供应系统
太阳能热水器是利用光能—热能转换原理，让阳光经过集热装置，将冷水加热，通过循环管将热水储存起来，可随时取用。太阳能热水系统一般由集热器、储热水箱、管道系统和辅助部件四大部分组成。集热器：主要由集热管和联集器组成。根其形式、特点及使用范围，分为池式、袋式、筒式、管式、真空管式及热管真空管式，其中真空管式应用最泛。集热器间可以并联、串联或混联。整个集热器定在平屋顶的混凝土基础上。集热水箱：集热水箱是储存热水的蓄热设备，以保证热水供应的稳定。其要求与普通热水箱基本相同，并根据不同地区采用不同的保温处理。集热水箱根据系统要求设置于平屋顶上。连接管道：连接集热器与集热水箱以便形成一个完整的循环系统，管道布置分为等程式。连接管道应根据不同地区采用不同的保温处理。辅助部件：太阳能热水系统的辅助部件包括水位计、温控仪表阀门、过滤器、循环水泵及辅助加热器等，应根据不同情况选用。
二、工程概况
某工程的综合生产办公楼总共有4层楼，一层设有集中的淋浴间，淋浴喷头个数为12个。屋顶为可上人平屋顶，建筑属于南北朝向。综合这些特点，可设置小型太阳能集中热水供应系统来满足淋浴所需的热水要求。
三、系统设计选型
太阳能系统计算初始参数如下：太阳能系统喷头数12个，按《全国民用建筑工程设计技术措施（给水排水）》（2009版）建议，太阳能洗浴按每人1次用水40 L，水温60℃，每小时洗浴2人次计。按《建筑给水排水设计手册》，冷水计算温度取5℃，集热水箱水温60℃。
（一）服务人数选择
太阳能系统服务人数按《铁路房屋建筑设计标准》（TB10011—98）每个喷头服务10人，则总服务人数为12×10=120人。
（二）集热面积
根据《民用建筑太阳能热水系统应用技术规范》（GB50364-2005）中公式计算
式中———人均集热器采光面积，m2；
———人均日用水量， kg；
———储水箱内水的设计温度，取tend=60℃；
———水的初始温度， 5℃；
———太阳能保证率，取45%；
———当地集热器采光面上的年平均日太阳辐照量，取16 340 kJ/m2；
———集热器的年平均集热效率，取0.47；
———储水箱和管路的热损失率，取0.2；
———水的定压比热容，取4.187 kJ/（kg.℃）。
计算得=0.67m2。
（三）集热水箱及电辅热选择
一天中，太阳能系统收集的热量，将全部储存在集热水箱内，水箱容积的大小对集热系统的收集效率和使用非常重要。水箱容积较小时，箱内水温较高，太阳能集热效率降低；水箱容积较大时，箱内水温较低，其集热效率升高。现以=0.67 m2， =16 340 kJ/m2计算水箱容积和水温。计算方法有3种。
方法1：储存1倍最大小时热水量，水温40℃： =12×500=6 000 L
注：每个喷头小时最大流量为500 L，水温40℃。
方法2：储存1 d满足120人的热水量，水温60℃。= 120×40 = 4 800 L
方法3：储存1 d太阳能集热器生产的热水。
总参考《建筑给排水设计手册》（第2版）
×120 = 81m2
式中———太阳能集热器单位产热水量，取=40~100 L/m2。
计算得=3 240~8 100 L。
以上计算方法均为日照时间无用水的理想状态，如有用水，水箱内最终温度会相应降低。
另外，由于本系统服务于铁路系统的综合生产办公楼，根据铁路系统生产工作特点，太阳能淋浴不仅要满足洗浴人数的基本要求，同时在洗浴时间上多为分散式，根据工作生产性质不同亦会出现不同时间段的用水高峰；定点定量供应热水淋浴方式不能很好地满足生产工作需求。因此，就需要在集热水箱给水管上加装浮球阀，保证热水随用随补。同时电辅热在用水高峰的时间段开启，起到调峰的作用。冷水给水管设置常开型电磁阀，设定高峰时间段为其工作时间，该工作时间段可以自行设置，电磁阀根据温度传感器动作。非工作时间电磁阀属于常开状态。实现定时段温控补水。
综合以上几个因素，本系统设计水箱在用水高峰时的工作状态可分为以下2个阶段： （1）浮球阀根据设定水位，保证水箱热水随用随补；水箱内水温会逐渐降低，当温度降到45℃时，水箱给水管上的电磁阀自动关闭； （2）水箱水位开始降低直至水位低于热水供水管，此阶段水箱水温基本不变。根据《建筑给水排水设计规范》，单个淋浴喷头的最大小时水量为500 L/h，水温40℃。则12个淋浴喷头小时流量为6 000 L，在这个小时流量下，可以通过以下方法計算出本系统设计方法所能维持的用水高峰时间。
1．第一个阶段持续时间计算如下：
此时储水水量不变，水温由60℃降为45℃，所维持的时间。电辅热处于开启状态。
（3）
式中———任意时刻进入淋浴喷头的热水流量，L/h；
———任意时刻进入淋浴喷头的冷水流量，L/h；
———任意时刻集热水箱供热水管出口水温，℃；
———冷水计算水温， 5℃；
N———喷淋头个数， 12个；
G———水箱内水的质量， kg；
P———电加热功率，W，其中每个喷头配置4kW，共计48 kW。
由以上3式可求得。
2．此时水箱水温基本不变，储水水量开始降低直至用完的时间为。电辅热处于关闭状态。
式中———任意时刻进入淋浴喷头的热水流量，L/h；
———任意时刻进入淋浴喷头的冷水流量，L/h；
N———喷淋头个数， 12个；
G———水箱热水出水管以上部分水的质量， kg。
由以上3式可求得 （min）。
由（1）-（6）式可推得+是G的递增函数，即+=。
为了节约设备投资，在满足使用功能的前提下应选用尽量较小的水箱容积，分别将前面提到的3种计算方法中的水箱容积带入（1）-（6）式计算，结果显示，当取方法二的水箱计算容积时，系统持续时间+=28.99+41.14=70.13min，大于1h，满足使用要求。
由上述可选出集热水箱尺寸为2m×1.5m×1.9m（高）；储水容积为4.8m3，水温60℃。其内胆用≥0.6mmSUS304/2B食品级不锈钢，外皮用≥0.5mm不锈钢；尾托架用≥0.5mm不锈钢机制成型。水箱保温用聚氨酯，闭孔率≥96%。
根据水箱的配管特点，当水箱水位低于热水供水管后，水箱仍然剩有1 200 L的45℃热水。当将水箱补满水后，水箱内的混合水温为15℃。此时如果完全由48 kW的电辅热将水温从15℃加热到60℃，则需要的时间为5.23 h。由此设定电辅热工作时间段为每天12： 00至晚上20： 00，此时间段可根据实际需要调整设定，当水箱内水温低于50℃时开启。当处于用水高峰时段时，电辅热开启设定温度为60℃，关闭温度设定为62℃。
（四）集热器选择
全玻璃真空管太阳能集热器抗机械冲击性能差，但集热效率高，热损失小，防冻性能好。造价低，适合于平屋顶，适用于强制循环开式、直流式和自然循环式系统。根据集热器特点及集热面积计算本系统选择每个集热器模块采光面积为5.38m2，每个模块由30根真空管组成，每根采光面积为0.179 3m2，取16个模块混联组合。因集热管竖排式全日效率比横排式高10%，所以采用竖排式。根据当地纬度，确定集热器安装倾角为50°。
（五）循环水泵选择计算
水泵流量： =0.02×=0.02×16×5.38=1.72L/s。
水泵扬程：应满足能克服循环系统阻力，集热器与水箱高程差及保证循环效果的附加水头50 kPa。循环泵流量为6.2m3/h，选择KQL50/110-1.1/2型管道泵2台，一用一备， 2台水泵交替运行其流量为6.2m3/h，扬程15m。
循环水泵由设在集热器出水干管与循环水泵吸水管上的温度传感器之温差控制，当其温差大于5℃时启泵，小于5℃时停泵。循环水泵每天早上开启，晚上关闭。
四、结语
本系统设计满足该工程工作要求，在满足同时洗浴人数的同时，亦能满足1个多小时的最大小时用水量，同时在洗浴时间上很自由，随着不同工种的作息时间不同，可基本保证随到随用。由于热水供水管始终处于电辅热的上面，这样有效防止了电辅热干烧的情况出现。本套系统运行可靠、稳定，自动化程度高，使用舒适性高，综合性价比好。
参考文献
[1]杨金良．高层住宅太阳能热水系统设计方案比较．建设科技，2008，（4）．
[2]谢空，白梅，等．太阳能与建筑一体化设计体会．工业建筑，2008，2（38）．
[3]段绪胜，徐延东，等．小城镇太阳能适宜技术研究．山东科技大学学报（自然科学版），2006，（1）．
[4]刘祥瑞，刘晓燕．从太阳能热水器与建筑一体化设计谈构件节能型住区．住宅科技，2007，（8）．
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词：太阳能热水系统；集热水箱；集热器
一、太阳能热水供应系统
太阳能热水器是利用光能—热能转换原理，让阳光经过集热装置，将冷水加热，通过循环管将热水储存起来，可随时取用。太阳能热水系统一般由集热器、储热水箱、管道系统和辅助部件四大部分组成。集热器：主要由集热管和联集器组成。根其形式、特点及使用范围，分为池式、袋式、筒式、管式、真空管式及热管真空管式，其中真空管式应用最泛。集热器间可以并联、串联或混联。整个集热器定在平屋顶的混凝土基础上。集热水箱：集热水箱是储存热水的蓄热设备，以保证热水供应的稳定。其要求与普通热水箱基本相同，并根据不同地区采用不同的保温处理。集热水箱根据系统要求设置于平屋顶上。连接管道：连接集热器与集热水箱以便形成一个完整的循环系统，管道布置分为等程式。连接管道应根据不同地区采用不同的保温处理。辅助部件：太阳能热水系统的辅助部件包括水位计、温控仪表阀门、过滤器、循环水泵及辅助加热器等，应根据不同情况选用。
二、工程概况
某工程的综合生产办公楼总共有4层楼，一层设有集中的淋浴间，淋浴喷头个数为12个。屋顶为可上人平屋顶，建筑属于南北朝向。综合这些特点，可设置小型太阳能集中热水供应系统来满足淋浴所需的热水要求。
三、系统设计选型
太阳能系统计算初始参数如下：太阳能系统喷头数12个，按《全国民用建筑工程设计技术措施（给水排水）》（2009版）建议，太阳能洗浴按每人1次用水40 L，水温60℃，每小时洗浴2人次计。按《建筑给水排水设计手册》，冷水计算温度取5℃，集热水箱水温60℃。
（一）服务人数选择
太阳能系统服务人数按《铁路房屋建筑设计标准》（TB10011—98）每个喷头服务10人，则总服务人数为12×10=120人。
（二）集热面积
根据《民用建筑太阳能热水系统应用技术规范》（GB50364-2005）中公式计算
式中———人均集热器采光面积，m2；
———人均日用水量， kg；
———储水箱内水的设计温度，取tend=60℃；
———水的初始温度， 5℃；
———太阳能保证率，取45%；
———当地集热器采光面上的年平均日太阳辐照量，取16 340 kJ/m2；
———集热器的年平均集热效率，取0.47；
———储水箱和管路的热损失率，取0.2；
———水的定压比热容，取4.187 kJ/（kg.℃）。
计算得=0.67m2。
（三）集热水箱及电辅热选择
一天中，太阳能系统收集的热量，将全部储存在集热水箱内，水箱容积的大小对集热系统的收集效率和使用非常重要。水箱容积较小时，箱内水温较高，太阳能集热效率降低；水箱容积较大时，箱内水温较低，其集热效率升高。现以=0.67 m2， =16 340 kJ/m2计算水箱容积和水温。计算方法有3种。
方法1：储存1倍最大小时热水量，水温40℃： =12×500=6 000 L
注：每个喷头小时最大流量为500 L，水温40℃。
方法2：储存1 d满足120人的热水量，水温60℃。= 120×40 = 4 800 L
方法3：储存1 d太阳能集热器生产的热水。
总参考《建筑给排水设计手册》（第2版）
×120 = 81m2
式中———太阳能集热器单位产热水量，取=40~100 L/m2。
计算得=3 240~8 100 L。
以上计算方法均为日照时间无用水的理想状态，如有用水，水箱内最终温度会相应降低。
另外，由于本系统服务于铁路系统的综合生产办公楼，根据铁路系统生产工作特点，太阳能淋浴不仅要满足洗浴人数的基本要求，同时在洗浴时间上多为分散式，根据工作生产性质不同亦会出现不同时间段的用水高峰；定点定量供应热水淋浴方式不能很好地满足生产工作需求。因此，就需要在集热水箱给水管上加装浮球阀，保证热水随用随补。同时电辅热在用水高峰的时间段开启，起到调峰的作用。冷水给水管设置常开型电磁阀，设定高峰时间段为其工作时间，该工作时间段可以自行设置，电磁阀根据温度传感器动作。非工作时间电磁阀属于常开状态。实现定时段温控补水。
综合以上几个因素，本系统设计水箱在用水高峰时的工作状态可分为以下2个阶段： （1）浮球阀根据设定水位，保证水箱热水随用随补；水箱内水温会逐渐降低，当温度降到45℃时，水箱给水管上的电磁阀自动关闭； （2）水箱水位开始降低直至水位低于热水供水管，此阶段水箱水温基本不变。根据《建筑给水排水设计规范》，单个淋浴喷头的最大小时水量为500 L/h，水温40℃。则12个淋浴喷头小时流量为6 000 L，在这个小时流量下，可以通过以下方法計算出本系统设计方法所能维持的用水高峰时间。
1．第一个阶段持续时间计算如下：
此时储水水量不变，水温由60℃降为45℃，所维持的时间。电辅热处于开启状态。
（3）
式中———任意时刻进入淋浴喷头的热水流量，L/h；
———任意时刻进入淋浴喷头的冷水流量，L/h；
———任意时刻集热水箱供热水管出口水温，℃；
———冷水计算水温， 5℃；
N———喷淋头个数， 12个；
G———水箱内水的质量， kg；
P———电加热功率，W，其中每个喷头配置4kW，共计48 kW。
由以上3式可求得。
2．此时水箱水温基本不变，储水水量开始降低直至用完的时间为。电辅热处于关闭状态。
式中———任意时刻进入淋浴喷头的热水流量，L/h；
———任意时刻进入淋浴喷头的冷水流量，L/h；
N———喷淋头个数， 12个；
G———水箱热水出水管以上部分水的质量， kg。
由以上3式可求得 （min）。
由（1）-（6）式可推得+是G的递增函数，即+=。
为了节约设备投资，在满足使用功能的前提下应选用尽量较小的水箱容积，分别将前面提到的3种计算方法中的水箱容积带入（1）-（6）式计算，结果显示，当取方法二的水箱计算容积时，系统持续时间+=28.99+41.14=70.13min，大于1h，满足使用要求。
由上述可选出集热水箱尺寸为2m×1.5m×1.9m（高）；储水容积为4.8m3，水温60℃。其内胆用≥0.6mmSUS304/2B食品级不锈钢，外皮用≥0.5mm不锈钢；尾托架用≥0.5mm不锈钢机制成型。水箱保温用聚氨酯，闭孔率≥96%。
根据水箱的配管特点，当水箱水位低于热水供水管后，水箱仍然剩有1 200 L的45℃热水。当将水箱补满水后，水箱内的混合水温为15℃。此时如果完全由48 kW的电辅热将水温从15℃加热到60℃，则需要的时间为5.23 h。由此设定电辅热工作时间段为每天12： 00至晚上20： 00，此时间段可根据实际需要调整设定，当水箱内水温低于50℃时开启。当处于用水高峰时段时，电辅热开启设定温度为60℃，关闭温度设定为62℃。
（四）集热器选择
全玻璃真空管太阳能集热器抗机械冲击性能差，但集热效率高，热损失小，防冻性能好。造价低，适合于平屋顶，适用于强制循环开式、直流式和自然循环式系统。根据集热器特点及集热面积计算本系统选择每个集热器模块采光面积为5.38m2，每个模块由30根真空管组成，每根采光面积为0.179 3m2，取16个模块混联组合。因集热管竖排式全日效率比横排式高10%，所以采用竖排式。根据当地纬度，确定集热器安装倾角为50°。
（五）循环水泵选择计算
水泵流量： =0.02×=0.02×16×5.38=1.72L/s。
水泵扬程：应满足能克服循环系统阻力，集热器与水箱高程差及保证循环效果的附加水头50 kPa。循环泵流量为6.2m3/h，选择KQL50/110-1.1/2型管道泵2台，一用一备， 2台水泵交替运行其流量为6.2m3/h，扬程15m。
循环水泵由设在集热器出水干管与循环水泵吸水管上的温度传感器之温差控制，当其温差大于5℃时启泵，小于5℃时停泵。循环水泵每天早上开启，晚上关闭。
四、结语
本系统设计满足该工程工作要求，在满足同时洗浴人数的同时，亦能满足1个多小时的最大小时用水量，同时在洗浴时间上很自由，随着不同工种的作息时间不同，可基本保证随到随用。由于热水供水管始终处于电辅热的上面，这样有效防止了电辅热干烧的情况出现。本套系统运行可靠、稳定，自动化程度高，使用舒适性高，综合性价比好。
参考文献
[1]杨金良．高层住宅太阳能热水系统设计方案比较．建设科技，2008，（4）．
[2]谢空，白梅，等．太阳能与建筑一体化设计体会．工业建筑，2008，2（38）．
[3]段绪胜，徐延东，等．小城镇太阳能适宜技术研究．山东科技大学学报（自然科学版），2006，（1）．
[4]刘祥瑞，刘晓燕．从太阳能热水器与建筑一体化设计谈构件节能型住区．住宅科技，2007，（8）．
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。