太陽(yáng)能集熱器面積計(jì)算說(shuō)明

1、太陽(yáng)能集熱器面積計(jì)算1、前言2005年筆者參與了由廈門市建設(shè)與管理局組織的 廈門市太陽(yáng)能熱利用 與建筑一體化實(shí)施可行性報(bào)告 的課題研究，經(jīng)過(guò)近一年的努力，調(diào)研、 學(xué)習(xí)總結(jié)太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)運(yùn)用較好的云南、山東省份的工程經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)廈門太陽(yáng)能資源及氣候條件的實(shí)際情況， 提出了在廈門地區(qū)太陽(yáng)能熱利 用與建筑一體化的可行實(shí)施方案， 課題針對(duì)不同的建筑形式提出了在廈 門市太陽(yáng)能利用推薦方案，對(duì)今后廈門市實(shí)施太陽(yáng)能熱利用與建筑一體 化具有科學(xué)、實(shí)際的指導(dǎo)意義。近幾年筆者多次參與廈門市太陽(yáng)能試點(diǎn) 工程的設(shè)計(jì)及專家論證會(huì)，并對(duì)工程進(jìn)行跟蹤調(diào)研，積累了一些經(jīng)驗(yàn)。下面筆者就太陽(yáng)能在民用建筑應(yīng)用技術(shù)方面的設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行闡

2、述，供同行參考。中華太陽(yáng)能2、我國(guó)目前太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)現(xiàn)狀太陽(yáng)能作為一種可持續(xù)使用的綠色能源，在我國(guó)已廣泛開(kāi)發(fā)使用，建設(shè)部根據(jù)國(guó)家可持續(xù)發(fā)展規(guī)律戰(zhàn)略要求，已在民用建筑中積極推廣使用太 陽(yáng)能熱水器，并在全國(guó)范圍內(nèi)推廣實(shí)施"陽(yáng)光計(jì)劃"。近年來(lái)，我國(guó)太陽(yáng) 能利用雖然取得了很好的節(jié)能效益， 但在民用建筑中太陽(yáng)能利用往往自 成系統(tǒng)，作為建筑的后置設(shè)備安裝和使用，即使是新建筑，也是簡(jiǎn)單的 安裝在屋面上。因?yàn)樵缙跊](méi)有可執(zhí)行的相關(guān)國(guó)家規(guī)范，太陽(yáng)能熱水器在建筑上布置極為隨意，未預(yù)留管井，無(wú)位置隨意占用煙道，集熱器、熱 水箱的承載、防風(fēng)、避雷等安全措施不健全，給城市景觀、建筑的安全 帶來(lái)

3、及不利的影響。筆者在參觀昆明太陽(yáng)能利用情況時(shí)，看到許多類似的情況，已大大影響了市容市貌和建筑安全，致使國(guó)內(nèi)有些城市禁止在建筑上安裝太陽(yáng)能熱水器，并要求拆除已安裝的太陽(yáng)能熱水器，這些都 將制約太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)在建筑中的利用。 為使太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)安全可靠、 性能穩(wěn)定，與建筑和周邊環(huán)境協(xié)調(diào)統(tǒng)一，并規(guī)范太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、 安裝和驗(yàn)收，推動(dòng)太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)在建筑中的利用，近年來(lái)國(guó)家先后出 臺(tái)了一系列相關(guān)規(guī)范和國(guó)標(biāo)圖集， 有GB/T18713-2002太陽(yáng)能熱水系統(tǒng) 設(shè)計(jì)、安裝及工程驗(yàn)收技術(shù)規(guī)范、GB50364-2005民用建筑太陽(yáng)能熱 水系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)規(guī)范、GB/T20095-2006太陽(yáng)熱水系統(tǒng)性能評(píng)定

4、規(guī)范、 國(guó)標(biāo)圖集06J908-6太陽(yáng)能熱水器選用與安裝06SS128太陽(yáng)能集中 熱水系統(tǒng)選用與安裝….及省標(biāo)J10807-2006 «居住建筑與太陽(yáng) 能熱水系統(tǒng)一體化設(shè)計(jì)、安裝及驗(yàn)收規(guī)程（以下簡(jiǎn)稱省標(biāo)J10807-2006）,以上標(biāo)準(zhǔn)都各具特色，特別是國(guó)標(biāo)GB50364-2005是我國(guó)第一項(xiàng)有關(guān)太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)在建筑中應(yīng)用的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，為我國(guó)太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)在建筑中推廣應(yīng)用提供了技術(shù)依據(jù)。3、民用建筑太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)及主要設(shè)計(jì)步驟民用建筑太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)規(guī)范中（以下簡(jiǎn)稱GB50364-2005）首先強(qiáng)調(diào)民用建筑太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)納入建筑給排水設(shè)計(jì)中， 建

5、筑給排水專業(yè)人員在太陽(yáng)能企業(yè)技術(shù)人員的配合下，依據(jù)規(guī)范GB50364-2005的要求，對(duì)太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，同時(shí)并應(yīng)符合國(guó)家現(xiàn)行 有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。3.1、民用建筑太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本條件:根據(jù)我國(guó)太陽(yáng)能資源分布情況，福建南部屬于太陽(yáng)能資源較豐富地區(qū)，福建北部屬于太陽(yáng)能資源一般地區(qū)。參照省標(biāo)J10807-2006表3.1.2 :福建省又可分為I類地區(qū)和II類地區(qū)，福州、廈門等城市屬I類地區(qū)，太陽(yáng)能資源較豐富，民用建筑宜設(shè)計(jì)選用太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)。3.2、民用建筑主要基本情況調(diào)查：周圍環(huán)境：建筑所處地點(diǎn)緯度、年日照時(shí)間、年太陽(yáng)輻射強(qiáng)度、年環(huán)境溫度等；建筑功能：最高日熱水景、供水方式、用水溫度、

6、用水點(diǎn)位置等；安裝條件：場(chǎng)地面積、形狀、建筑結(jié)構(gòu)承載力、遮擋情況等；輔助熱源情況：電價(jià)、氣價(jià)3.3、太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)類型的確定：設(shè)計(jì)人員應(yīng)根據(jù)建筑物以上綜合因素，依據(jù)規(guī)范GB50364-2005表4.2.6選擇系統(tǒng)類型，選擇其類型、色澤和安裝位置，應(yīng)與建筑物整體及周圍環(huán)境相協(xié)調(diào)。系統(tǒng)選型舉例：圖（1）太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)對(duì)照表 4.2.6選擇系統(tǒng)類型即為：集中供熱水系統(tǒng)、強(qiáng)制循環(huán)系統(tǒng)、間接系統(tǒng)、內(nèi)置加熱系統(tǒng)、全日自動(dòng)啟動(dòng)系統(tǒng)。3.4、太陽(yáng)能集熱器類型的確定：太陽(yáng)能集熱器的類型有平板型集熱器和真空管集熱器，真空管集熱器又分全玻璃真空管和熱管式真空管。真空管集熱器具有保溫性能好，低溫 熱效率高，其吸收系數(shù)

7、可達(dá)到 9496%輻射系數(shù)小于6%適合在北方地區(qū)使用，國(guó)內(nèi)應(yīng)用約80%而平板型集熱器在高溫時(shí)熱效率高，低溫時(shí)熱效率較低，具有承壓高、熱傳遞性能好等優(yōu)點(diǎn)，適合在南方地區(qū)使用，在國(guó)內(nèi)應(yīng)用約占20%在國(guó)外平板型集熱器應(yīng)用約占 90%太陽(yáng)能集熱器類型的確定應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)的特征、運(yùn)行時(shí)間，運(yùn)行環(huán)境及用戶需求 等綜合因素來(lái)確定。3.5、太陽(yáng)能集熱器面積的確定：3.5.1直接系統(tǒng)集熱器面積：（根據(jù)規(guī)范GB50364-2005公式4.4.2-1 ）=Jt%（1 和）式中A c -直接系統(tǒng)集熱器總面積，m2Q w -日均用水H, kg；C w -水的定壓比熱容，kJ / （kg C）；tend -貯水箱內(nèi)水的設(shè)計(jì)溫

8、度，C；ti - 水的初始溫度，C；JT -當(dāng)?shù)丶療崞鞑晒饷嫔系哪昶骄仗?yáng)輻照景，kJ/m2 ；f- 太陽(yáng)能保證率，根據(jù)系統(tǒng)使用期內(nèi)的太陽(yáng)輻照、系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性及用戶要求等因素綜合考慮后確定，宜為30阮80%n cd -集熱器的年平均集熱效率；根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取值宜為0.250.50 ,具 體取值應(yīng)根據(jù)集熱器產(chǎn)品的實(shí)際測(cè)試結(jié)果而定；n L-貯水箱和管路的熱損失率；根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取值宜為0.200.30。3.5.2間接系統(tǒng)集熱器面積：（規(guī)范GB50364-2005公式4.4.2-2 ）式中AIN -間接系統(tǒng)集熱器總面積,AC -直接系統(tǒng)集熱器總面積，m2FRUL -集熱器總熱損系數(shù)，W/ (m2C)；對(duì)平板型集熱

9、器，F(xiàn)RU色取46 W/ (m2C)；對(duì)真空管集熱器，F(xiàn)RU色取12W/ (m2C)；具體數(shù)值應(yīng)根據(jù)集熱器產(chǎn)品實(shí)際測(cè)試結(jié)果而定；Uhx -換熱器傳熱系數(shù)，W/ (m2C)；(該性能參數(shù)可由所選產(chǎn)品 廠家提供)Ahx -換熱器換熱面積，m2(該性能參數(shù)可由所選產(chǎn)品廠家提供)3.5.3集熱器面積的簡(jiǎn)化計(jì)算：(適用于方案設(shè)計(jì)階段) 式中As -太陽(yáng)能集熱器集熱面積，m2;Qrd-設(shè)計(jì)最大日用水景，L/d ;qt -太陽(yáng)能集熱器單位面積每天產(chǎn)熱水景，L/m2.d (該性能參數(shù)由所選產(chǎn)品廠家提供，福建南部地區(qū)可按5070L/m2.d選用)3.5.4根據(jù)筆者經(jīng)驗(yàn)廈門地區(qū)集熱器的面積也可按：2.53.5 m

10、 2 /戶進(jìn)行估算。3.6、太陽(yáng)能集熱器的設(shè)置：太陽(yáng)能集熱器是太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的集熱部件，也是太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的核心部件。太陽(yáng)能集熱器位置的設(shè)置，不僅影響系統(tǒng)的有效運(yùn)行，還直接 影響到建筑的外觀，如何正確選定太陽(yáng)能集熱器在建筑中的位置，是太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要步驟。3.6.1太陽(yáng)能集熱器的主要設(shè)置方式有： 1、在建筑的平屋面、坡屋面上2、在建筑的外墻面上3、在建筑的陽(yáng)臺(tái)上3.6.2太陽(yáng)能集熱器的安全性能：太陽(yáng)能集熱器的設(shè)置首先應(yīng)確保建筑的安全性能，設(shè)計(jì)應(yīng)注意規(guī)范GB50364-2005中以下幾點(diǎn)：1、架空在建筑屋面和附著在陽(yáng)臺(tái)或墻面上的太陽(yáng)能集熱器，應(yīng)具有相應(yīng)的承載能力、剛度、穩(wěn)定性和相對(duì)于主體

11、結(jié)構(gòu)的位移能力（第 4.4.12條）；2、當(dāng)集熱器做為建筑構(gòu)件時(shí)，如嵌入建筑屋面、陽(yáng)臺(tái)、墻面或建筑其他部位的太陽(yáng)能集熱器，應(yīng)滿足建筑維護(hù)結(jié)構(gòu)的承載、保溫、隔熱、隔聲、防水、防護(hù)等功能（第 4.4.11條）；3、安裝在建筑上或直接構(gòu)成建筑維護(hù)結(jié)構(gòu)的太陽(yáng)能集熱器，應(yīng)有防止熱水滲漏的安全保障設(shè)施（第 4.4.13條）；4、 太陽(yáng)能集熱器不應(yīng)跨越建筑變形縫設(shè)置。3.6.3太陽(yáng)能集熱器的安裝 方位和傾角：1、集熱器的安裝方位：根據(jù)規(guī)范 GB50364-2005第4.4.7條，集熱器的安裝方位應(yīng)朝向正南，如受建筑物條件的制約，也可選擇偏東南或偏西南方向。2、集熱器的安裝傾角可按下式確定：使集熱器全年得熱景

12、最大時(shí)，9 =式中：。：集熱安裝傾角 ：安裝地的緯度當(dāng)使集熱器的集熱效率在夏季最高，安裝傾角可由當(dāng)?shù)鼐暥葴p10°來(lái)確 定。即9 =O-10°去確定集熱器安裝傾角。當(dāng)使集熱器的集熱效率在冬季最高，安裝傾角可由當(dāng)?shù)鼐暥燃?0°來(lái)確定。即9 =O +10°去確定集熱器安裝傾角。福建省主要代表城市安裝傾角的選擇參見(jiàn)省規(guī)J10807-2006附錄表A （冬季使用查考）例如：福州的集熱器安裝傾角：9 =C）+ 10= 26.05+10 = 36.05,設(shè)計(jì)可按36°取值。廈門的集熱器安裝傾角：9 =C）+ 10= 24.56+10 = 34.56，設(shè)計(jì)可按

13、35° 取值。3.6.4太陽(yáng)能集熱器前后排間距：集熱器的布置應(yīng)避免受遮擋，與遮光物或集熱器前后排的最小間距應(yīng)按規(guī) GB50364-2005 公式 4.4.7 計(jì)算：D = H x ctg a s式中D -集熱器與遮光物或集熱器前后排間的最小距離，m nH -遮光物最高點(diǎn)與集熱器最低點(diǎn)的垂直距離，mma S -太陽(yáng)高度角；當(dāng)?shù)卮呵锓终?2時(shí)的太陽(yáng)高度角（季節(jié)性使用）； 當(dāng)?shù)囟寥照?2時(shí)的太陽(yáng)高度角（全年性使用）。3.6.5太陽(yáng)能集熱器的連接：太陽(yáng)能集熱器連接成集熱器組的方式主要分三種：串聯(lián)、并聯(lián)、串并聯(lián)上述例題圖（1）太陽(yáng)能集熱器的連接即為串并聯(lián)連接方式，集熱器的布置原則應(yīng)依據(jù)規(guī)

14、范 GB50364-2005第4.4.7條第7、第8款設(shè)計(jì)。3.7、太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)貯水箱的設(shè)計(jì)：1、貯水箱的有效容積可按下式確定：V=（50100）AS式中：V:貯水箱的有效容積（L） Aa :集熱器的集熱面積（m22、貯水箱分開(kāi)式或閉式，大面積太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的貯水箱宜設(shè)計(jì)成開(kāi)式水箱；中華太陽(yáng)能3、貯水箱應(yīng)具有良好的保溫措施，水箱的材質(zhì)、管道布置等設(shè)計(jì)應(yīng)符合建筑給水排水設(shè)計(jì)規(guī)范 GB50015中有關(guān)規(guī)定。中華太陽(yáng)能3.8、太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)輔助熱源的選擇：太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)目前常用的輔助熱源有空氣源熱泵、電加熱、燃油和燃?xì)忮仩t加熱等方式，太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)都有一個(gè)貯水箱，各種輔助熱源都是通過(guò)貯水箱發(fā)揮作用的，常用的輔助補(bǔ)熱方式有以下幾種：1、空氣源熱泵輔助方式在貯水箱和空氣源熱泵之間設(shè)置循環(huán)管道，通過(guò)循環(huán)泵、控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)熱泵與水箱之間換熱，使貯水箱內(nèi)的水升溫。2、直接電加熱方式在貯水箱的底部設(shè)置電加熱裝置，通過(guò)控制系統(tǒng)對(duì)電加熱實(shí)現(xiàn)定時(shí)、定溫等控制。3、熱水型電、燃油、燃?xì)忮仩t方式在貯水箱內(nèi)設(shè)置換熱器（銅盤管），通過(guò)循環(huán)泵、控制系統(tǒng)、換熱器