田 暉

(太原市建筑設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)中，系統(tǒng)集熱器總面積的設(shè)計(jì)計(jì)算是整個系統(tǒng)設(shè)計(jì)中最重要的環(huán)節(jié)之一，因此集熱器總面積關(guān)系到系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性、經(jīng)濟(jì)性及節(jié)能性。而設(shè)計(jì)人員在依據(jù)GB50364-2005民用建筑太陽能熱水系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算時，往往由于其主要參數(shù)的選擇范圍太大，設(shè)計(jì)人員只能依據(jù)規(guī)范所規(guī)定的范圍及主觀意識進(jìn)行模糊的選擇，不能做到設(shè)計(jì)依據(jù)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(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和節(jié)能性。并且對同一城市中的同一民用建筑進(jìn)行設(shè)計(jì)時，其結(jié)果往往因?yàn)樵O(shè)計(jì)人員的不同而大不相同。因而本文將分析計(jì)算出不確定因素:年均日照太陽輻照量、貯水箱內(nèi)設(shè)計(jì)溫度、日均用水量及太陽能保證率，并以此計(jì)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(jù)實(shí)際的設(shè)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(jì)算進(jìn)行分析。

直接系統(tǒng)的太陽能集熱器總面積計(jì)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(jì)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(jù)經(jīng)驗(yàn)取值宜為0.25～0.5，其具體的取值應(yīng)根據(jù)太陽能集熱器產(chǎn)品的實(shí)際測試結(jié)果而定，但是在實(shí)際的設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)人員是無法確定其產(chǎn)品，因此一般都是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取值，一般取中間值0.375比較合理，以便產(chǎn)品的選擇。ηL為貯水箱和管路的熱損失率，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)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(rèn)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(yīng)根據(jù)太原地區(qū)的太陽輻照、系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性及用戶要求等因素綜合考慮;tend為貯水箱內(nèi)的設(shè)計(jì)溫度;JT為當(dāng)?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(jìn)行分析計(jì)算。

2 不確定因素的分析計(jì)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(jù)GB50364-2005民用建筑太陽能熱水系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)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(jì)算，年平均日太陽輻照量為14794.52kJ/m2～18 356.16 kJ/m2;而根據(jù)山西太陽能資源分布的統(tǒng)計(jì)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(shè)計(jì)規(guī)范，筆者認(rèn)為年平均日太陽輻照量按照中間值16575.34kJ/m2進(jìn)行設(shè)計(jì)就算比較合理。

2.2 貯水箱內(nèi)的設(shè)計(jì)溫度t end

根據(jù)GB50364-2005民用建筑太陽能熱水系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)規(guī)范中的熱水設(shè)計(jì)水溫的選擇:應(yīng)充分考慮太陽能熱水系統(tǒng)的特殊性，宜按現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)GB50015建筑給水排水設(shè)計(jì)規(guī)范中推薦溫度中選用下限溫度。

根據(jù)GB50015建筑給水排水設(shè)計(jì)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(jù)此綜合考慮水溫設(shè)計(jì)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(jù)季節(jié)、當(dāng)?shù)氐纳盍?xí)性的不同，熱水用量也不大相同。為了方便分析計(jì)算，上面五項(xiàng)數(shù)據(jù)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(jù)GB50015-2003建筑給水排水設(shè)計(jì)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(jù)季節(jié)的不同和太原地區(qū)的生活習(xí)性進(jìn)行分析比較，計(jì)算結(jié)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(jì)算

表2 沐浴最高日用熱水量在不同季節(jié)的對比計(jì)算

表3 盥洗最高日用熱水量在不同季節(jié)的對比計(jì)算

表4 最高日用熱水量根據(jù)季節(jié)、生活習(xí)性不同的對比計(jì)算 L

2.3.3 最高日用熱水定額的確定

根據(jù)上述分析的結(jié)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(jù)GB50015-2003建筑給水排水設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)時使用定額上限(110 L)，這樣會導(dǎo)致設(shè)計(jì)用熱水量過大，集熱器總設(shè)計(jì)面積也會隨之過大，最后導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)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(shè)計(jì)時使用定額下限，這樣會導(dǎo)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(fèi)，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(jù)GB50364-2005民用建筑太陽能熱水系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)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(jù)，讓設(shè)計(jì)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(rèn)為應(yīng)根據(jù)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(jù)歷年統(tǒng)計(jì)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(rèn)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(yīng)用面積已達(dá)到3萬m2。

并且由相關(guān)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(jì)算結(jié)果分析

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

根據(jù)GB50364-2005民用建筑太陽能熱水系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)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(jì)算結(jié)果與推薦值相差20.7%，經(jīng)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(jìn)行計(jì)算，則為1.5m2，這樣與推薦值比較吻合。

4 結(jié)語

根據(jù)現(xiàn)在太原地區(qū)的年太陽輻照量的實(shí)際值，筆者認(rèn)為按其上限值所計(jì)算的太陽能熱水系統(tǒng)的集熱器總面積值偏小，并根據(jù)山西省近50年的氣象統(tǒng)計(jì)，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(rèn)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(jìn)一步的研究。

在本文的分析計(jì)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(jìn)一步研究。因?yàn)橐?guī)范規(guī)定熱水設(shè)計(jì)溫度的選擇宜按照GB50015建筑給水排水設(shè)計(jì)規(guī)范中推薦溫度選用下限溫度。因此筆者認(rèn)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(jì)算所得。

但是根據(jù)GB50015建筑給水排水設(shè)計(jì)規(guī)范，當(dāng)溫度小于55℃時，不易殺死滋生在溫水中的各種細(xì)菌，尤其是軍團(tuán)菌之類的致病病菌。因此按安全性考慮筆者建議設(shè)計(jì)溫度取為60℃，此時生產(chǎn)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(fèi)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(jìn)行設(shè)計(jì)時，可以減少系統(tǒng)的初投資。但是若按60℃進(jìn)行設(shè)計(jì)，可以大大的提高使用人員的生命安全，因此建議熱水設(shè)計(jì)溫度宜使用60℃。

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

[2]GB50015-2003，建筑給水排水設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3]GB50336-2002，建筑中水設(shè)計(jì)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(xué)出版社，2007.