太阳能热水系统建筑一体化设计技术导则DOC.docx
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太阳能热水系统建筑一体化设计技术导则DOC
《太阳能热水系统建筑一体化设计技术导则》
3安装设计与设备选用技术要求
3.1太阳能集热器阵列排布技术要求
3.1.1太阳能集热器定位
3.1.1.1太阳能集热器的安装位置不应有任何障碍物遮挡阳光，并宜选择在背风处，以减少热损失；
（1）设计为全年运行的系统，宜保证春分/秋分日阳光照射到集热器表面上的时间不低于6h；
（2）主要在春、夏、秋三季运行的系统，宜保证春分/秋分日阳光照射到集热器表面上的时间不低于8h；
（3）主要在冬季运行的系统，宜保证冬至日阳光照射到集热器表面上的时间不低于4h；
3.1.1.2方位：
太阳能集热器宜朝向正南，或南偏东、偏西30度的朝向范围内设置；
3.1.1.3集热器安装倾角
：
（1）全年应用的太阳能热水系统：
（2）侧重于冬季使用的太阳能热水系统：
（3）侧重于夏季使用的太阳能热水系统：
为集热器安装当地纬度。
注：
东西向放置的全玻璃真空管集热器，其安装倾角可适当减小；水平热管集热器可水平安装。
3.1.1.4与建筑结合的太阳能集热器设置在坡屋面上、墙面上和阳台上时，由于集热器被安装在建筑围护结构表面上，其定位受建筑物本身朝向和条件的限制。
此时的处理方案有两种：
（1）规划和建筑设计时，考虑使建筑物的朝向和坡屋面倾角符合太阳能集热器的安装要求；
（2）当规划和建筑设计条件不允许造成偏离安装方位和倾角的要求时，需用增加集热器面积的方式进行补偿。
3.1.1.5安装在平屋面上集热器，建筑物的周围环境对安装方位和倾角产生限定条件时（如在合理的方位角范围内，产生阳光遮挡问题；或建筑物的朝向非正南，集热器考虑安装外观，按建筑走向进行布置造成朝向偏离等），也应进行面积的补偿。
3.1.1.6集热器面积补偿计算：
当因条件限制，造成太阳能集热器的安装方位或安装倾角不合理，需要用增加集热器面积的方式来补偿。
具体步骤：
根据项目所对应的地区选择近似等于太阳能集热器安装方位角和倾角所对应的补偿面积比（
），求得进行补偿后的太阳能集热器面积：
—进行面积补偿后实际确定的太阳能集热器面积，m2；
—进行面积补偿前得出的太阳能集热器面积，m2；
—面积补偿比数值；
3.1.2集热器排间距
3.1.2.1集热器的遮挡分两类情况：
一是集热器前方有建筑物或其他物体；另一类是平行安装的集热器阵列，前排对后排的遮挡；
3.1.2.2避免遮挡要求的集热器最小安装间距离：
式中：
D——集热器离遮当物或集热器前后排间的最小距离；
H——遮光物最高点与集热器最低点间的垂直距离；
——计算时刻的太阳高度角；
——计算时刻太阳光线在水平面上的投影线与集热器表面法线在水平面上的投影线之间的夹角。
其中：
—计算时刻的太阳方位角；上午取负值，下午取正值；
—太阳能集热器的安装方位角；正南时
=0；南偏西取正值，南偏西取负值；
3.1.2.2计算时刻的选择：
根据导则3.1.1.1的日照时间要求，计算时刻选择如下：
（1）全年运行系统：
选春分/秋分日的9:
00或15：
00；
（2）主要在春、夏、秋三季运行的系统：
选春分/秋分日的8：
00或16：
00；
（3）主要在冬季运行的系统，选冬至日的10：
00或14：
00；
3.1.2.3典型城市的高度角及方位角数据
城市
太阳能高度角
太阳方位角
春分8：
00
春分9：
00
冬至10：
00
春分8：
00
春分9：
00
冬至10：
00
春分16：
00
春分15：
00
冬至14：
00
春分16：
00
春分15：
00
冬至14：
00
北京
22°32′
32°49′
20°42′
69°40′
57°18′
29°22′
呼和浩特
22°14′
32°21′
19°57′
69°19′
56°50′
29°12′
哈尔滨
20°25′
29°34′
15°38′
67°32′
54°23′
28°27′
济南
23°28′
34°33′
23°33′
70°58′
59°09′
30°01′
南京
25°04′
36°49′
27°31′
72°58′
62°02′
31°09′
长沙
26°08′
38°32′
30°46′
74°43′
64°40′
32°16′
广州
27°24′
40°37′
35°10′
77°17′
68°39′
34°08′
西安
23°40′
34°35′
23°37′
71°00′
59°12′
30°02′
兰州
23°51′
34°53′
24°07′
71°15′
59°33′
30°10′
乌鲁木齐
21°10′
30°42′
17°21′
68°13′
55°19′
28°43′
昆明
26°56′
39°51′
33°28′
76°16′
67°04′
33°22′
拉萨
25°44′
37°53′
29°31′
74°02′
63°38′
31°49′
3.1.3集热器阵列排布方案
3.1.3.1集热器的连接组合方式
太阳能集热器连接组合成为阵列的方式有三种：
串联、并联和混联；
（1）串联：
一台集热器的出口与另一台集热器的入口相连，如图示例。
（2）并联：
如图示例；
（3）混联：
若干集热器并联，各并联集热器组之间再串联，这种混联称为并串联；
若干集热器串联，各串联集热器组之间再并联，这种混联称为串并联；
说明：
在工程设计中，一般情况下，真空管集热器阵列多采用串-并联（i、k）的联接方式；平板太阳能集热器多采用并联（d）及串-并联（f、j）两种联接方式。
3.1.3.2数量的要求
（1）集热器组中集热器的连接应尽可能采用并联；
（2）串联的集热器数量应尽可能少，真空管集热器串联时，集热器的联箱总长度不宜超过20m；
（3）同一斜面上多层布置集热器采用串联方式（如j、k所示组内的连接）时，串联的总长度不宜超过6米；
3.1.3.3集热器组的接管方式
集热器组之间的连接方式分为同程连接与异程连接两种方式；
太阳能集热器组之间的管路连接，设计时应注意如下问题：
（1）为保证集热器组的水力平衡，各集热器组之间的连接推荐采用同程连接；
（2）当不得不采用异程连接时，在每个集热器组的支路上应增加平衡阀，用以调节流量平衡；
（3）当集热器组之间采用并联方式连接，各集热器组包含的集热器数量应相同，以保证平衡；当因条件限制造成集热器组之间数量相差较大时，应在集热器组支路上加装平衡阀，用以调节流量平衡。
3.2太阳能集热器安装设计技术要求
3.2.1坡屋面顺坡式太阳能集热器建筑一体化安装设计技术要求
3.2.1.1集热器的布置设计
根据选定的集热器类型及优化计算确定的太阳能集热器面积，确定集热器在屋面的安装阵列尺寸（长*宽）后，进行屋面集热器的布置设计。
在集热器的布置设计时，应综合考虑立面比例、系统的平面空间布局、施工条件等一系列因素进行位置的确定。
3.2.1.2坡屋面集热器的安装方式
为使太阳集热器与建筑坡屋面有机结合，协调一致，坡屋面上设置的太阳能集热器宜选用顺坡架空布置及镶嵌式设置两种方式。
3.2.1.3顺坡架空布置
（1）布置设计技术条件
a、顺坡架空设置的太阳能集热器支架应与埋设在屋面板上的预埋件可靠牢固连接，能承受风荷载和雪荷载。
b、预埋件及连接部位应按建筑相关规范做好防水处理。
c、埋设在屋面结构上的预埋件应在主体结构施工时埋入，同时要与设置的太阳能集热器支架有相对应的准确位置。
d、在坡屋面架空设置的太阳能集热器，设计需充分考太阳能集热器与屋面结合处的排水处理，集热器的架空空间应保证雨水排放通畅，并且不影响集热器的质量安全。
（2）顺坡架空布置设计方案示意
（3）顺坡架空布置设计工程图片（平板太阳能集热器）
3.2.1.4镶嵌式布置
（1）布置设计技术条件
a、顺坡镶嵌在坡屋面上的太阳能集热器与周围的屋面材料结合、连接部位需做好建筑构造处理，关键部位可做加强防水处理，使连接部位在保持立面效果的前提下其防、排水功能得到充分保障；
b、太阳能集热器顺坡镶嵌在屋面上，屋面整体保温、防水、排水应满足屋面的防护功能要求。
c、太阳能集热管路穿坡屋面时，应预埋相应的防水套管；
（2）镶嵌式布置设计方案示意（平板太阳能集热器）
a、集热器安装总图
图坡屋面集热器嵌入式安装总图
b、设计方案说明：
●平板太阳能集热器阵列采用并联（单排）或串并联的方式（多排）；
●平板太阳能集热器之间及集热器与屋面瓦之间采用结构性的防水设计方案。
集热器与屋面瓦之间设置排水板，起到防水、排水的功能；
●集热器与集热器之间、集热器与排水板之间联接处设置橡胶密封条，以保证连接处防水的可靠性。
●排水板应有可靠的固定方案，以保证其运行使用；一般可采用设置内部支架的方式；安装时可将排水板支架采用铆接方式固定在集热器外边框上，再利用铆钉将排水板固定在排水板支架上。
●排水板之间应有足够的搭接量（宜100mm以上），搭接处需进行固定及密封处理，以保证太阳能集热器及集热器与屋面瓦的连接处达到可靠的结构防水功能。
（3）镶嵌式布置设计工程图片（平板太阳能集热器）
3.2.2坡屋面支架式太阳能集热器建筑一体化安装设计技术要求
3.2.3阳台栏板构件式太阳能集热器建筑一体化安装设计技术要求
3.2.4阳台栏板支架式太阳能集热器建筑一体化安装设计技术要求
3.2.5平屋面支架式太阳能集热器建筑一体化安装设计技术要求
3.2.5.1安装设计技术要求
（1）放置在平屋面上的太阳集热器应互不遮挡、有足够间距（包括安装维护的操作距离）的基础上，排列整齐有序。
（2）太阳集热器在平屋面上安装需通过支架或基座固定在屋面上。
建筑设计为此需计算设计屋顶预埋件，用来安装固定太阳集热器，使集热器与建筑锚固牢靠，在风、雪荷载等自然因素影响下不被损坏。
（3）固定太阳集热器的预埋件（基座或金属构件）应与建筑结构层相连，防水层需包到支座的上部，地脚螺栓周围要加强密封处理。
（4）平屋面上设置太阳集热器，屋顶应设有屋面上人设施，用做安装检修之用。
太阳集热器周围和检修通道，以及屋面上人孔与太阳集热器之间的人行通道应敷设保护层，可铺设水泥砖等用来保护屋面防水层。
（5）太阳集热器与贮水箱相连的管线需穿过屋面时，应预埋相应的防水套道，对其做防水构造处理，并在屋面防水层施工之前埋设安装完毕。
避免在已做好防水保温的屋面上凿孔打洞。
3.2.5.2设计方案示意
3.3集热器基础和支架设计技术要求
3.3.1集热器的风荷载与屋面荷载计算
（1）风荷载
对于非镶嵌式的太阳能集热器安装形式，需要进行风荷载的计算。
集热器或集热器阵列总体要承受的风荷载W为：
式中，F——集热器或集热器阵列最高点的垂直面积，m2。
集热器南向布置，F即为集热器北立面的面积。
——基本风压，kg/m2；基本风压
是以一般空旷平坦地面，离地面10m高，统计30年一遇10min平均最大风还为标准。
在设计时，规定采用的基本风压应不小于25kg/m2.
——风压高度变化系数（见表）
——风载体型系数（一般取1.5）；
离地面或海面高度m
离地面或海面高度m
陆地
海上
陆地
海上
≤2
0.52
0.61
40
1.54
1.37
5
0.78
0.84
50
1.63
1.43
10
1.00
1.00
60
1.71
1.49
15
1.15
1.10
70
1.78
1.54
20
1.25
1.18
80
1.84
1.58
30
1.41
1.29
（2）屋面荷载
●自重：
太阳能集热器本身的材料重量；
●装载荷载：
按实际情况考虑，如太阳能集热器的装载荷载需要考虑其容水重量、支架及基础的重量等。
3.3.2集热器基础
3.3.3集热器支架
3.3.3.1太阳能集热器的支架应与基础有良好的固定，
3.3.3.2太阳能集热器支架的材料应选择
3.4辅助热源选用和安装技术要求
3.4.1辅助热源的类型及选择
3.4.1.1太阳能属于不稳定、低密度热源，因此无论是分户式热水还是集中热水供应均应设置辅助热源及其加热设施；
3.4.1.2辅助热源可因地制宜选择热力管网、油、然气、电、热泵、生物质等；
3.4.1.3热源的经济性可以用其热价（单位发热量的价格）来评价。
热价计算：
式中，
为辅助能源热价，元/kJ；
为单位辅助能源价格；
为辅助热源加热设备热效率；
为单位辅助能源的热值；
各种辅助能源的热价见表。
热源种类
单位
单位发热量/kJ
单位燃料价格/元
加热设备效率/%
热价/（元/kJ×10-3）
原煤
kg
20934
0.8
65
0.059
柴油
kg
42705
7.0
80
0.205
天然气
m3（标况）
35588
2.0
85
0.066
液化石油气
m3（标况）
46055
7.5
80
0.204
城市煤气
m3（标况）
14653
1.3
80
0.111
电
kW.h
3600
0.6
95
0.175
热泵
kW.h
3600
0.6
350
0.048
生物质颗粒
kg
18000
0.7
70
0.055
从上表可以看出，煤和热泵的热价最低，其次是天然气、煤气，电、柴油和液化石油气的热价较高。
3.4.1.4热源特点：
燃煤锅炉启停时间长，出力调整较困难，较难实现自控或无人值守，且有环境污染问题；
燃油、燃气锅炉控制方便，便于调节，可方便实现自控运行，但燃油的储存、燃气的输送都存在一定的困难，设备间需要满足消防要求；
热泵使用费用低，控制方便，但设备初投资高，土壤源或水源热泵存在打井难度、水质影响等多重因素；空气源热泵在北方地区还应考虑冬季的运行效果问题；
电加热设备安装简易，控制方便，但运行费用较高，大容量用电时电力增容会大大提高系统的整体投资。
3.4.1.5选择原则：
辅助能源选择时，应根据当地热源条件，优先选用热价低的辅助热源，同时还需要考虑辅助能源设备的操作便利性、自控水平、设备安装要求以及设备投资等因素。
3.4.2辅助热源的功率设计
3.4.2.1辅助热源加热量的计算按照太阳能热水系统最恶劣工况选用，一般不考虑太阳能提供份额，依据热水供应负荷计算。
3.4.2.2热水辅助加热量应根据GB50015《建筑给水排水设计规范》推荐依据系统设计小时耗热量等参数进行计算。
一般情况下，可按下式进行估算：
式中，
为辅助能源加热功率，W；
为日均热水负荷，W；
为辅助能源加热设备热效率，%；
为管道及蓄热水箱热损失率，一般取值为0.05-0.1；T—设计辅助热源的每日加热时间，h。
3.4.3辅助热源的加热方式
3.4.3.1分户式太阳能热水系统、小型集中热水供应系统及冷水总硬度（以CaCO3计）小于等于150mg/L的集中热水供应系统，可采用直接加热的方式；
3.4.3.2太阳能热水系统采用电能直接辅助加热时，电热元件的安装和加热控制方案应能保证较少的使用辅助热源；控制方案应尽量降低辅助热源的加热对太阳能集热系统效率的影响。
3.4.3.3冷水总硬度（以CaCO3计）大于150mg/L的集中热水供应系统，宜采用间接加热的方式；
3.4.3.4辅助热源应在保证太阳能集热量充分利用的条件下，根据热水供应的不同方式，采用合理的自动控制或手动控制方案。
3.4.3.5应根据太阳能集热系统的不同供热工况，控制辅助热源的运行，合理匹配使用辅助热源。
3.5蓄热水箱选用与安装设计技术要求
3.5.1集中式系统储热水箱
3.5.1.1容积的确定
（1）太阳能热水系统储热水箱的总容积与太阳能集热器面积、建筑物的热水负荷、太阳能保证率及用热规律等有关；
（2）工程设计时，一般按太阳能集热器面积进行储热水箱容积的匹配；太阳能热水系统储热水箱与集热器配比一般为40-100L/m2；
不同类型集热器直接式系统水箱配比：
序号
产品类型
每平米集热器配比的水箱容积L/m2（大型工程系统）L/m2
01
平板太阳能集热器
80-100
02
全玻璃真空管集热器
65-80
03
热管真空管集热器
70-90
a、直接式系统与间接式系统对配比的影响：
间接式系统与直接系统相比，由于换热器内存在传热温差，使得在获得相同温度热水的情况下，间接系统比直接系统的集热器运行温度高，造成集热效率降低。
⏹同等设计用水工况下，平板太阳能集热器间接式系统效率降低多，热管系统效率降低少；
⏹设计用水温度越高，间接式系统效率相比直接式系统效率降低越多；
⏹典型的户用间接式系统的水量配比：
阳台热水器：
50-60L/m2
户用别墅型热水器：
50-60L/m2
b、供水时间对配比的影响：
对于用水时间较平均的太阳能热水系统，水箱的容积可选取范围中的低值；
对于用水时间段集中在早、晚等非太阳能集热时间段的太阳能热水系统，水箱的容积应选取范围的高限；
（3）单水箱与双水箱：
太阳能热水系统中，太阳能集热系统的储热水箱称为集热水箱；热水供应系统中的储热水箱称为供热水箱；
太阳能热水系统中，采用单水箱方案（集热水箱与供热水箱为一个）时，储热水箱容积按3.5.1.1条进行计算；
太阳能系统中，双水箱方案（集热水箱与供热水箱分开设置，辅助热源设置对供热水箱进行加热）时，集热水箱和供热水箱容积之和应不低于3.5.1.1推荐值；
供热水箱的容积应根据日用热小时变化曲线及太阳能集热系统的供热能力和运行规律以及辅助热源的加热规律确定。
一般情况下，可按下表计算：
序号
加热设备
以≤95°热水为热媒
备注
1
容积式水加热器或加热水箱
工业企业淋浴室
其他建筑物
Qh-热水系统设计小时供热量
≥60minQh
≥90minQh
（4）在条件许可的情况下，太阳能热水系统的储热水箱容积应按上述推荐值的上限选取。
3.5.1.2水箱的形式
水箱按箱体形式分为方形、圆形水箱；按加工方式分类现场制作和工厂制作（成品）水箱；按结构分为装配式水箱和焊接水箱；按材质分为碳钢、不锈钢和玻璃钢水相；
水箱的设计选用：
（1）水箱的形状由设计根据安装条件及水箱的布置方式予以确定；
（2）水箱内胆宜选用不锈钢材质；
（3）水箱结构应设计合理，满足太阳能热水系统安全、稳定供应的要求，应设置溢流口、排污口、排气口、温度测点、水位检测或显示等；
3.5.2分户式系统储热水箱
3.5.2.1水箱参数的确定
（1）水箱容量：
水箱的容量一般为户内设计日用水量；在住宅热水系统中，水箱的容量可根据安装空间、条件及用水时间等因素，进行适当调整；
（2）水箱换热面积
水箱的换热面积应满足在设计的换热温差下，将太阳能集热系统的有效得热量均匀换热至各个水箱内。
水箱换热器的换热温差不宜过高，建议取5℃。
（3）水箱的承压能力：
水箱外胆承压要满足自来水的供水压力要求，一般应不低于0.6MPa；
内胆设计承压能力应根据系统的形式、建筑物的高度等条件，保证其能满足系统运行时的最大工作压力，且有一定的承压富裕系数；当水箱的内胆设计承压能力无法满足工作压力或由于建筑物过高导致循环立管设计压力过大造成管道运行存在一定安全隐患时，应在管路系统采取相应的减压措施。
3.5.2.2水箱的设计与选用
（1）水箱型式：
分户水箱分卧式或立式两种，根据其安装位置及系统运行要求进行选择；
（2）水箱安装位置：
●应选择承重墙或楼面板进行设备的固定；
●安装场所有足够的安装及维护空间（特别是电加热元件的维护），其安装高度宜满足用水的空间需求；
●水箱的位置尽量靠近主干循环立管。
3.6辅助设备及材料选用与安装技术要求
3.6.1太阳能集热系统流量设计
3.6.1.1太阳能集热系统流量
是选择集热循环泵及集热循环管路的基础。
3.6.1.2太阳能集热系统的设计流量应按下式计算：
式中：
——太阳能集热系统的设计流量，m3/h；
——太阳能集热器的单位面积流量，m3/（h・m2）；
——太阳能集热系统中的太阳能集热器总面积，m2；
3.6.1.3太阳能集热器的单位面积流量g与太阳能集热器的特性和用途有关，应根据太阳能集热器生产企业给出的数值确定。
在无具体技术参数的情况下，根据不同的系统，可参考下表的范围进行取值。
系统类型
太阳能集热器的单位面积流量,m3/（h・m2）
平板太阳能热水系统
0.072
全玻璃真空管热水系统
0.036-0.072
3.6.2太阳能集热循环泵的设计与选用
3.6.2.1流量：
3.6.2.2扬程：
●开式太阳能集热系统
式中：
H——水泵扬程（m）
HO——集热器与储水箱之间的几何高差（m）
Σhf——总沿程阻力损失（m）；
Σhj——总局部阻力损失（m）；
△H——为保证换热效果等的附加压力（m）
●闭式太阳能集热系统
式中：
H——水泵扬程（m）
Σhf——总沿程阻力损失（m）；
Σhj——总局部阻力损失（m）；
△H——为保证换热效果等的附加压力（m）
3.6.2.3水泵的选用
（1）循环泵应选用热水泵，水泵壳体承受的工作压力不得小于其承受的静水压力加水泵扬程；
（2）循环泵宜设备用泵，交替运行；
（3）循环泵宜靠近集热水箱设置；
（4）循环泵及其管道应设减振防噪装置；
（5）当集热系统采用防冻液作为工质时，需要根据所采用的防冻液特性应进行修正。
一般最常见的防冻液为25%-30%的乙二醇水溶液，25%的乙二醇水溶液在5℃时管道阻力修正系数为1.22，30%的乙二醇水溶液在5℃时管道阻力修正系数为1.257。
3.6.3换热器的设计与选用
3.6.3.1换热面积的计算
——间接系统热交换器换热面积，㎡；
——热交换器两侧管路的热损失率，一般可取0.02-0.05；
——结垢影响系数，0.6-0.8；
——热交换器传热系数，按热交换器技术参数确定；
——传热温差，℃；可按平均温差进行计算；对于太阳能集热系统，一般宜取5-10℃，集热器热性能好，温差取高值，否则取低值。
——热交换器换热量，W；根据热交换器的安装位置及功能确定。
辅助系统用换热器：
为辅助能源的供热功率；
供热系统用换热器：
为设计小时供热量，
按GB50015《建筑给水排水设计规范》的要求确定
集热系统用换热器：
为太阳能集热系统供热量；
——太阳辐照度时变系数，取1.5-1.8，取高限对太阳能利用有利，但会增加造价；
——太阳能保证率，%；
——日平均用热水量，kg；
——当地的年平均每日的日照小时数，h；
—储水箱内水的终止温度，℃；
—水的初始温度，℃；
3.6.3.2换热器的选择
（1）经换热器循环集热制备热媒热水时，宜选用板式换热器等快速高速换热设备；
（2）经换热器加热冷水制备生活热水供水时，换热设备应根据水质硬
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