太原地區(qū)別墅太陽能熱水系統(tǒng)集熱器面積計算

田 暉

(太原市建筑設計研究院，山西太原 030002)

0 引言

在民用建筑太陽能熱水系統(tǒng)的設計中，系統(tǒng)集熱器總面積的設計計算是整個系統(tǒng)設計中最重要的環(huán)節(jié)之一，因此集熱器總面積關系到系統(tǒng)運行的可靠性、經濟性及節(jié)能性。而設計人員在依據GB50364-2005民用建筑太陽能熱水系統(tǒng)應用技術規(guī)范進行設計計算時，往往由于其主要參數(shù)的選擇范圍太大，設計人員只能依據規(guī)范所規(guī)定的范圍及主觀意識進行模糊的選擇，不能做到設計依據合理充分，這樣很容易使集熱器總面積選擇過大，影響系統(tǒng)運行的經濟性和節(jié)能性。并且對同一城市中的同一民用建筑進行設計時，其結果往往因為設計人員的不同而大不相同。因而本文將分析計算出不確定因素:年均日照太陽輻照量、貯水箱內設計溫度、日均用水量及太陽能保證率，并以此計算太原地區(qū)別墅建筑太陽能熱水系統(tǒng)集熱器的總面積。

1 不確定因素的確定

由于間接系統(tǒng)換熱器的傳熱系數(shù)和換熱面積只能根據實際的設備確定，無法分析確定其范圍。故本文主要是針對直接系統(tǒng)太陽能集熱器總面積的計算進行分析。

直接系統(tǒng)的太陽能集熱器總面積計算公式為:

其中，Cw為水的定壓比熱容，取4.187 kJ/(kg·℃)，為常數(shù)不予分析;ti為水的初始溫度，太原地區(qū)別墅用水水源為地表水，水的初始溫度為其冷水計算溫度4℃，此數(shù)為常數(shù)不予分析;ηcd為太陽能集熱器的年平均積熱效率，根據經驗取值宜為0.25～0.5，其具體的取值應根據太陽能集熱器產品的實際測試結果而定，但是在實際的設計過程中，設計人員是無法確定其產品，因此一般都是根據經驗取值，一般取中間值0.375比較合理，以便產品的選擇。ηL為貯水箱和管路的熱損失率，根據經驗取值宜為0.20～0.30，現(xiàn)在保溫材料的保溫性能較以前有了提高，筆者認為取中間值0.25比較合理;f為太陽能保證率，宜為30%～80%，取值應根據太原地區(qū)的太陽輻照、系統(tǒng)經濟性及用戶要求等因素綜合考慮;tend為貯水箱內的設計溫度;JT為當?shù)丶療崞鞑晒饷娣e上的年平均日太陽輻照量，kJ/m2;Qw為日均用水量，kg。

本文將對f，tend，JT，Qw這些不確定因素分別進行分析計算。

2 不確定因素的分析計算

2.1 太原地區(qū)太陽能集熱器采光面積上的年平均日太陽輻照量JT

根據GB50364-2005民用建筑太陽能熱水系統(tǒng)應用技術規(guī)范太原地區(qū)水平面上年太陽輻照量為5400mJ/(m2·年)～6 700mJ/(m2·年)，屬于資源較豐富區(qū)，每年按365d計算，年平均日太陽輻照量為14794.52kJ/m2～18 356.16 kJ/m2;而根據山西太陽能資源分布的統(tǒng)計情況，太原地區(qū)太陽年均輻射總量為5534.3mJ/(m2·年)，折算成每天為15162.47 kJ/m2。這樣所得數(shù)值相差不大。

因此通過以上的分析，并充分考慮設計規(guī)范，筆者認為年平均日太陽輻照量按照中間值16575.34kJ/m2進行設計就算比較合理。

2.2 貯水箱內的設計溫度t end

根據GB50364-2005民用建筑太陽能熱水系統(tǒng)應用技術規(guī)范中的熱水設計水溫的選擇:應充分考慮太陽能熱水系統(tǒng)的特殊性，宜按現(xiàn)行國家標準GB50015建筑給水排水設計規(guī)范中推薦溫度中選用下限溫度。

根據GB50015建筑給水排水設計規(guī)范中表5.1.1-2的水溫推薦值:帶有淋浴器的浴盆為40℃，無沐浴器的浴盆為40℃，淋浴器為37℃～40℃，洗臉盆、盥洗槽水嘴為30℃，洗滌盆(池)為50℃。據此綜合考慮水溫設計溫度宜為40℃。40℃熱水密度為0.99224kg/L。

2.3 日均用水量Qw

2.3.1 最高日用熱水量的分析比較

別墅的生活用水主要用于沖廁、廚房、沐浴、盥洗、洗衣。熱水主要用于廚房、盥洗及沐浴三方面。并且根據季節(jié)、當?shù)氐纳盍曅缘牟煌?，熱水用量也不大相同。為了方便分析計算，上面五項?shù)據選取為沖廁21.3%、廚房20%、沐浴 29.3%、盥洗6.7%、洗衣22.7%。其中在熱水使用的三個方面，其比例為20 ∶29.3 ∶6.7。

根據GB50015-2003建筑給水排水設計規(guī)范中的別墅熱水定額為每人每日為70 L～110 L(水溫按60℃)，如果按最高日用熱水量110 L算，則廚房熱水用量為39.3 L、沐浴熱水用量為57.6 L、盥洗熱水用量為13.1L。

2.3.2 不同季節(jié)熱水使用的分析對比

參照《可再生能源利用與建筑節(jié)能》(王榮光)，根據季節(jié)的不同和太原地區(qū)的生活習性進行分析比較，計算結果如表1～表4所示。

表1 廚房最高日用熱水量在不同季節(jié)的對比計算

表2 沐浴最高日用熱水量在不同季節(jié)的對比計算

表3 盥洗最高日用熱水量在不同季節(jié)的對比計算

表4 最高日用熱水量根據季節(jié)、生活習性不同的對比計算 L

2.3.3 最高日用熱水定額的確定

根據上述分析的結果，太原地區(qū)別墅每人最高日用熱水定額為71.6 L，再根據GB50015-2003建筑給水排水設計規(guī)范中的別墅熱水定額為每人每日為70 L～110 L，可以分析得出:如果設計時使用定額上限(110 L)，這樣會導致設計用熱水量過大，集熱器總設計面積也會隨之過大，最后導致系統(tǒng)運行費用大，用戶投資過多，并且不利于節(jié)能和節(jié)水的要求;如果設計時使用定額下限，這樣會導致系統(tǒng)不能滿足正常的生活熱水要求。因此每人每日90 L熱水(水溫按60℃比較合理)，一方面系統(tǒng)不會過于浪費，另一方面也能滿足正常的生活要求。

2.4 太陽能保證率f

根據GB50364-2005民用建筑太陽能熱水系統(tǒng)應用技術規(guī)范，f取值宜為30%～80%，這樣所給定的范圍太大，該規(guī)范也沒有說明取值的原則依據，讓設計人員無法給出較為合理的值，帶來了很大的不便。

因此，筆者認為應根據太陽能保證率的三個影響因素確定。采用影響系數(shù)法，規(guī)定中間值55%來判定三個影響因素對太陽能保證率的影響。

根據歷年統(tǒng)計資料，太原地區(qū)日照時數(shù)大于6 h的天數(shù)為222d，太陽能資源比較穩(wěn)定，且總輻射量較大，日照充足，年平均降雨量為456mm。因此，筆者認為太陽輻照對太陽能系統(tǒng)保證率的影響系數(shù)取為0.5。

近年來，太陽熱水系統(tǒng)在太原地區(qū)已大面積的推廣使用，截至2008年年底，太原太陽能光熱應用面積已達到3萬m2。

并且由相關手冊可知，在資源較富區(qū)，f宜大于50%。因此，太陽能系統(tǒng)保證率取為52.96%比較合理。

3 計算結果分析

將上述分析的結果代入公式(1)得:每生產100 L，40℃熱水時，太陽能集熱器總面積為:

根據GB50364-2005民用建筑太陽能熱水系統(tǒng)應用技術規(guī)范，太原地區(qū)每100 L熱水量的系統(tǒng)總面積推薦選用值為1.4m2，計算結果與推薦值相差20.7%，經過分析得知主要是集熱器采光面積上的年平均日太陽輻照量有些出入。如若按照年平均日太陽輻照量的上限值進行計算，則為1.5m2，這樣與推薦值比較吻合。

4 結語

根據現(xiàn)在太原地區(qū)的年太陽輻照量的實際值，筆者認為按其上限值所計算的太陽能熱水系統(tǒng)的集熱器總面積值偏小，并根據山西省近50年的氣象統(tǒng)計，年平均總輻射量以238.920 4mJ/m2/10年的幅度在減少。因此筆者認為年太陽輻照量按照中間值來取是較合理的，同時建議規(guī)范作進一步的研究。

在本文的分析計算過程中，筆者發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)太陽能集熱器總面積的推薦選用值是不是按60℃熱水水溫而得來的有待進一步研究。因為規(guī)范規(guī)定熱水設計溫度的選擇宜按照GB50015建筑給水排水設計規(guī)范中推薦溫度選用下限溫度。因此筆者認為太原地區(qū)系統(tǒng)集熱器總面積推薦選用1.4m2是按40℃的熱水水溫計算所得。

但是根據GB50015建筑給水排水設計規(guī)范，當溫度小于55℃時，不易殺死滋生在溫水中的各種細菌，尤其是軍團菌之類的致病病菌。因此按安全性考慮筆者建議設計溫度取為60℃，此時生產100 L的熱水時集熱器總面積為2.6m2。

在太陽能熱水系統(tǒng)中，集熱器的費用占了這個系統(tǒng)初投資的多半，因此若按照40℃熱水水溫進行設計時，可以減少系統(tǒng)的初投資。但是若按60℃進行設計，可以大大的提高使用人員的生命安全，因此建議熱水設計溫度宜使用60℃。

[1]GB50364-2005，民用建筑太陽能熱水系統(tǒng)應用技術規(guī)范[S].

[2]GB50015-2003，建筑給水排水設計規(guī)范[S].

[3]GB50336-2002，建筑中水設計規(guī)范[S].

[4]楊 丁，任健美，方鳳滿.山西省近50年氣候變化特征分析[Z].

[5]田 琦.太陽能噴射式制冷[M].北京:科學出版社，2007.