太阳能热水系统中涉及的热水管网设计.docx
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太阳能热水系统中涉及的热水管网设计
太阳能热水系统中的热水管网设计
作者：
范伟锋
（嘉普通太阳能有限公司技术部，深圳）
内容摘要：
能源是经济和社会发展的重要物质基础，世界煤炭、石油、天然气等常规能源短缺，开发利用再生能源成为解决全球能源问题的重要措施之一，其中太阳能是少有理想的绿色可再生能源，太阳能热水器在20世纪80年代在我国新起，到现在已有一定的发展，太阳能应用的范围也越来越广，如采暖，发电等，都是新兴诱人的课题。
在我国，太阳能在供热方面应用很广泛，在此前提下，一个太阳能工程必然会涉及热水管网的设计，一个好的热水系统的设计对太阳能行业也是一个极大的推进，对热水系统的分析研究在我国节能道路上会起到它应有的贡献。
本文参考相关参考书及在实践中获得的一些经验针对热水管网的设计方法及步骤做一些讨论。
关键词：
太阳能热水管网设计
正文：
太阳能供热在我国已有一定的发展，不论用来供热水还是房间采暖都一定会涉及热水管网的设计，一个太阳热水工程要成功的投入运行必须经历以下几个过程，工程信息的整合、初步设计阶段、深化设计阶段、施工阶段、验收阶段、投入运行试用阶段。
在设计阶段，热水管网设计必定是一个非常重要的环节，其成败好坏直接影响太阳能节能工程的好坏及公司的效益，以下对一般工程热水管网设计的一般方法、步骤和需要注意的问题作一些阐述。
1、热水设计参数：
最高日热水用水定额：
取100L/（人·d）
平均热水用水定额：
取最高日热水用水定额的50％，即50L（人·d）
设计热水温度：
根据用户一般需要取60℃
设计冷水温度：
根据深圳实际情况取20℃
2、热水系统负荷的计算
2.1热水人数的确定
总户数，每户人数，总用水人数
2.2系统日耗热量、热水量计算
2.2.1系统日耗热量
（Qd=Cm△T）
Qd——日耗热量，W；
qr——热水用水定额，L/（人·d）或L/（b·d）；
c——水的比热容，J/（Kg/℃）;
ρ——热水密度，Kg/L
tr——热水温度，℃
tL——冷水温度，℃
m——用水计算单位数，人数或床位数。
2.2.2系统设计日用水量
qrd＝qrm
qrd——设计日用水量，L/d
qr——热水用水定额，L/（人·d）或L/（b·d）
m——用水计算单位数，人数或床位数。
2.2.3系统平均日用水量
Qw＝qarm
Qw——设计日用水量，L/d
qar——热水用水定额，L/（人·d）
m——用水计算单位数，人数或床位数。
2.2.4设计小时耗热量
①全日供应热水的住宅、别墅、招待所等按下式计算：
Qd——设计小时耗热量，W；
qr——热水用水定额，L/（人·d）或L/（b·d）；
c——水的比热容，J/（Kg/℃）;
ρ——热水密度，Kg/L
tr——热水温度，℃
tL——冷水温度，℃
m——用水计算单位数，人数或床位数
Kh——小时变化系数。
②定时供应热水的住宅、旅馆等按下式计算：
式中Qh——设计小时耗热量，W
qh——卫生洁具小时热水定额，L/h,在表中选取;（集体宿舍210～300L/h）
tr——热水温度，℃
tL——冷水温度，℃
c——水的比热容，常为4187J/（Kg·℃）；
ρr——热水密度，kg/L
no——同类型卫生洁具数；
b——卫生洁具同时使用百分数，按下面表格选用。
建筑性质
卫生器具
b
定时连续供水时间
住宅、旅馆、医院、疗养院病房的卫生间
淋浴器与浴盆
70％～100％
2h
工企业生活间、学校、剧院及体育馆浴室
淋浴器与洗脸盆
100％
－
2.3设计小时热水量计算
建筑内集中热水供应系统中的设计小时热水量，按下式计算：
式中qrh——设计小时热水量，L/h
Qh——设计小时耗热量,W
tr——热水温度，℃
tL——冷水温度，℃
ρr——热水密度，kg/L
2.4热水循环流量、设计秒流量计算
全日供应热水系统的热水循环流量
式中，qx——全日供应热水的循环流量,L/h
Qs——配水管道的热损失，W；
ρ——热水密度，Kg/L；
△T——配水管道的热水温度差，℃
定时热水供应系统的热水的循环流量可按循环管中的水每小时2～4次计算，按系统大小取值，系统大去下限值，系统小取上限值。
qx＝（2～4）V
式中qx——全日供应热水的设计秒流量,L/h
V——热水循环管道系统的水容积，L。
2.5设计秒流量计算
①住宅建筑生活给水管道的设计秒流量按下列步骤与方法计算。
热水供水管的设计秒流量q（L/s）
计算最大用水时卫生器具给水当量平均出流概率
Uo——热水供应管道的最大用水时卫生器具给水当量平均出流概率，％
qo——最高用水日用水定额，L
m——每户用水人数
Kh——小时变化系数（可查P82）
Ng——每户设置的卫生器具给水当量数；
T——用水时数，h
0.2——一个卫生器具给水当量的额定流量，L/S。
然后查《建筑给水排水设计规范》（GB50015－2003）附录D，得系统热水供水管的设计秒流量。
也可以通过计算，计算管段的卫生器具给水当量的同时出流概率
式中U——计算管段的卫生器具给水当量同时出流概率，％
ac——对应于不同Uo的系数；
Ng——计算管段的卫生器具给水当量总量。
根据计算管段上的卫生器具给水当量Ng和同时出流概率U，按下式计算管段的设计秒流量：
qg＝0.2UNg
qg——计算管段的设计秒流量，L/s。
如果计算管段的卫生器具给水当量总数超过表中的最大值，其流量应取最大时平均秒流量，即
qg＝0.2UoNg
2集体宿舍、旅馆、宾馆、医院、疗养院、幼儿园等建筑应按下式计算：
建筑物名称
a值
建筑物名称
a值
幼儿所、托儿所、养老院
1.2
医院、疗养所、休养所
2.0
门诊部、诊疗所
1.4
集体宿舍、旅馆、招待所、宾馆
2.5
办公楼、商场
1.5
客运站、会展中心、公共厕所
3.0
学校
1.8
表二根据建筑物用途而定的系数值（a值）
采用式应注意以下几下几点：
1如果计算值小于该管道上最大一个卫生器具的给水额定流量时，应采用一个最大的卫生器具的给水额定流量作为设计秒流量。
2如果计算值大于该管段上所有卫生器具给水额定流量叠加时，应以叠加流量值作为设计秒流量。
3、热水管网中扬程、水泵、管径等的确定
循环水泵扬程的计算：
循环水泵扬程按下式确定：
式中
——循环水泵的扬程
——循环流量通过计算环路中配水管网的水头损失，Pa
——循环流量通过计算环路中回水管网的水头损失，Pa
——循环流量通过换热器、热泵管件等的局部水头损失，Pa
如不需精确计算局部水头损失按沿程水头损失的25％～30％计算；
通过换热器，热泵等的局部水头损失按实际情况确定；
配水管、回水管中的水头损失按下式计算；
——管段的沿程水头损失，Kpa；
L——管段计算长度，m
——管道单位长度的水头损失，Kpa/m；
——计算管段的设计流量，m3/s;
——管道计算内径，m；
Ch——海澄—威廉系数，根据管道材料（各种塑料管内衬塑管取140，铜管、不锈钢取130）。
循环水泵流量为：
Qb
qx
式中Qb——水泵流量；
qx——按管网热损失计算的总循环流量，L/s。
3.1集热系统循环泵
太阳能集热系统的流量与太阳能集热器特性有关，一般由太阳能集热器生产产家给出。
在没有相关技术参数的情况下，真空管太阳能集热器可以按照0.015~0.02L/（s·m2）进行估算。
平板集热器可以按照0.02L/（s·m2）进行估算。
根据太阳能面积就可以得到集热系统的流量Q。
我们的平板集热器是按0.014L/（s·m2）来考虑的，真空管按0.01L/（s·m2）来考虑的。
Q=Acq
Q——太阳能集热系统的总流量，m3/h
Ac——太阳能集热面积，m2
q——太阳能集热系统的流量，0.02L/（s·m2）
根据Q和H来选择太阳能循环泵。
3.2热水系统循环泵（加压回水泵）
热水系统的循环流量为qx，水泵扬程考虑循环水量通过配水管和回水管的水头损失，计算得H，根据qx、H来选择热水循环泵。
3.3热水增压水泵
系统热水供水的设计秒流量为q，扬程考虑系统供水管的水头损失以及配水最不利点所需的流出水头，计算得出H。
通过q，H考虑增压水泵。
3.4其他水泵
热泵：
当要考虑热泵循环泵时，选择流量Q
热泵水系统的水流量，其数值相当于热泵产水量的8~10倍。
保证热泵正常运行。
锅炉：
锅炉的循环泵考虑锅炉的产水量，其泵的流量Q
热泵水系统的水流量。
混水泵和进补冷水水泵需选择和热泵循环泵流量，锅炉的循环泵相当（扬程不一定，而且混水泵扬程要取得相对小），要保证流入流出代数和大于等于零，即“∑
0”，这样才可以保证热泵运行平稳，不出现重复启动关闭的情况。
3.5水箱的选择
定时用水：
按照人数、床位数或者房间数计算出总用水量，根据总用水量结合具体建筑特征等因素来确定水箱的数量和大小。
全天候用水：
水箱的数量和大小跟很多因素有关（例如最大时段用水量、热水系统的产水速率，用水速率等），但一般按照人数、床位数或者房间数计算出总用水量后，在此基础上视情况在确定水箱个数后可相应减小水箱的大小。
3.6管径的确定
根据管段的设计流量，按下式确定管径：
式中d——管段直径，m
qg——计算管段的设计流量，m3/s
v——管段设计流速。
以上可知道，管段流量确定后，管段的流速的大小取决于管径的大小，设计时应考虑技术和经济两方面因素恰当选用管内流速，管内流速过大，易产生噪声，因水锤现象毁坏管道和附件，并增加管道水头损失，加大供水所需压力；管内流速过小，将造成管材浪费。
热水管道内的流速宜按下表选用：
管径
15~20
25~40
50
流速（m/s）
≤0.8
≤1.0
≤1.2
在计算设计秒流量时，会用到给水当量总数Ng，一个当量为0.2L/s，在实际的工程中，常常碰到的花洒用水，水咀用水，花洒的额定流量为0.15~0.20L/s（0.14L/s），即0.75~1.00（0.7）个当量，连接管公称直径为15mm，水咀的额定流量为0.20L/s，即1个当量，连接管公称直径为15mm。
根据循环流量经水力计算确定回水管管径，简化计算可参考以下表格
热水供水管径
20～25
32
40
50
65
80
100
125
150
200
热水回水管径
20
20
25
32
40
40
50
65
80
100
为了保证各立管的循环效果，尽量减少干管的水头损失，热水供水管和热水回水管均不宜变径。
可按其最大管径确定。
4、工程案例
以北京某小区坡屋面多层住宅为例。
4.1设计设计依据：
⑴《建筑给水排水设计规范》GB50015－2003
⑵《民用热水系统设计、安装及工程验收技术规范》GB50364－2005
⑶《太阳热水系统设计、安装及工程验收技术规范》GB/T18713－2002
4.2设计参数
最高日热水用水定额：
取100L/（人·d）
平均热热水用水定额：
取最高日热水用水定额的50％，即50L（人·d）
设计热水温度：
根据用户一般需要取55℃
设计冷水温度：
根据北京实际情况取10℃
4.3工程概况
该工程位于北京，平屋面7层住宅，7层为跃层；建筑面积：
4800m2，分3个单元；每单元7户，总户数21户；每户以2.8人计算。
总人数59人。
太阳能热水集中式供水系统，直接式系统；24小时全天候供应热水；
4.4热水系统负荷计算
4.4.1热水人数的确定
总户数21，每户人数2.8，总用水人数59人
4.4.2系统日耗热量、热水量计算
⑴系统日耗热量计算
qr＝100L/（人·d）；c＝4187J/（Kg/℃）;ρ＝1Kg/L
tr＝60℃；tL＝10℃；m＝59人
代入公式
得：
＝14296W
⑵系统设计日用水量
qrd＝qrm
qrd＝5900L/d
⑶系统平均日用水量
qar＝50L/（人·d）
Qw＝qarm
得Qw＝2950L/d
4.4.3设计小时耗热量
qr＝100L/（人·d）；c＝4187J/（Kg/℃）;ρ＝1Kg/L
tr＝60℃；tL＝10℃；m＝59人；Kh＝5.12
得Qh＝73195W
4.4.4热水循环流量、设计秒流量计算
⑴全日供应热水系统的热水循环流量
Qs＝5％Qh；
=1Kg/L；△T=5℃
代入得qx=629L/h
⑵热水供水管的设计秒流量
计算最大用水时卫生器具给水当量平均出流概率
代入公式
取qo＝100L；m＝2.8人；Kh＝5.12；Ng＝2；T＝24h
代入得Uo＝4.15％
查《建筑给水排水设计规范》（GB50015－2003）附录D,得
q＝1.53L/s
4.5设备选型
经过计算得太阳能面积为52m2
⑴贮热水箱，按每平方对应75L贮热水箱容积确定；
有效容积Vr＝75Ac＝3.9m3
⑵集热系统循环泵
按每平方集热器流量为0.02kg/（m2·s）集热系统的流量为3744L/h，此流量为集热系统循环泵的流量。
扬程考虑沿程损失、局部损失，计算得：
H=35mH2O
⑶热水系统循环泵
热水系统的循环流量为629L/h，水泵扬程考虑循环水量通过配水管和回水管的水头损失，计算得：
H＝10mH2O。
⑷热水增压系统
泵的流量不能小于设计秒流量1.53L/s，扬程考虑通过容积式换热器的水头损失，系统供水管的水头损失以及配水最不利点所需的流出手头，计算得：
H=28mH2O。
5、热水系统中一般选用管材
室内热水管在《建筑给排水设计规范（GBJ15-88）》有明确的规定，热水供回水管可以采用镀锌钢管，宾馆、高档住宅、别墅等建筑宜采用铜管、铝塑复合管、聚丁烯管等塑料管材。
随着人们对水质要求的提高，镀锌钢管越来越被其他的管材所取代，而铜管、薄壁不锈钢管虽为热水系统的理想管材，但其价格较贵，且保温后所占空间较大，在住宅小区内使用不易被开发商接受。
而各种塑料管材的推广使用正好填补了这个空白。
根据塑料管的长期耐温性能，热水用铝塑复合管（XＰＡＰ）、交联聚乙烯管（PEX）和聚丙烯管（PPR），均可在建筑热水供应系统中应用。
下面具体介绍聚丙烯管的一些特点，这些特点是在热水系统中需要考虑的环节。
1管道公称压力的选择：
聚丙烯管的选择应根据连续工作水温、工作压力和使用年限来确定。
管道的承压由于随着输水温度的上升，其允许压力急剧下降，而且随着承压时间的增长，其允许压力则明显下降，因此在管道使用水温从20℃上升到60℃时，其压力等级会下降50%，从长期使用寿命考虑，热水经常使用温度则不宜超过60℃。
与此同时，所选用的管材压力等级必须满足寿命期内的承压能力。
2胀缩：
聚丙烯管的线胀系数是铜管的10倍，且热水系统温差大，其热胀性更加突出。
因此，对明设和暗敷管道，直线距离较长时，可采用折角自然补偿或用U形管补偿。
对于住宅内热水立管，管径较大（大于DN50），且每户均接出支管，直线距离较长又不能采用折角自由臂补偿，使用U型、L型、Z型弯曲补偿须占用较大空间，不利于住户装修，因而急需开发一种类似于排水UPVC管伸缩节的伸缩器。
对于嵌墙敷设的管道，由于墙槽最后是用水泥砂浆嵌实，管道受到水泥砂浆摩擦力，其良好的蠕变性，得以使轴向力伸缩转化成径向变化。
虽塑料管的胀缩率较大，但其胀缩力却较小，其胀缩绝不会使嵌实并固化的水泥砂浆崩裂。
3管的保温：
聚丙烯管的导热系数很小，约为钢的1/100，铜的1/1000因此室内热水系统除较大管径管道及立管须保温外，每户进户给水支管及以后管道嵌墙敷设一般不必保温。
立管的保温材料可采用玻璃纤维双合管、PVC/NBR闭孔型橡塑海绵、高发泡聚乙烯闭孔型保温等。
6、工程中需要注意的问题
6.1在连太阳能下循环管和上循环时，在考虑回水时要注意要保证同程，保证不出现死水区。
6.2在水泵的前面一般要加止回阀，消除水锤现象
6.3当不同块数集热板并联时，不忘在下循环入口安装流量调节阀。
6.4当储热水箱较大时，太阳能下循环管和太阳能上循环管夹角为90℃或者180℃度，加大冷热介质混合程度，提高加热效率。
6.5当集热板上循环口高过水箱顶部时，不忘在管道最高处安装排气阀，消除虹吸和气堵。
6.6当热胀冷缩比较严重时，需要安装补偿器。
7、附件
7.1集热器面积的确定
直接系统集热器面积计算
Ac——直接式系统集热器面积，m2；
Qw——日平均用水量，L；
C——水的定压比热容；KJ/（Kg·℃）
ρ——水的密度,Kg/L
tend——储热水箱内水的终止温度，℃；
tl——水的初始温度,℃；
Jt——太阳能集热器采光表面年平均日或月平均日太阳辐照量，KJ/m2；
f——太阳能保证率，%；
——管路及贮水箱的热损失率，%；
——集热器全日集热器效率，%；
归一化温差
X——归一化温差，℃·m2/w；
Ti——集热器入口温度，℃；
Ta——年平均日环境温度，℃
集热器入口温度
Ti——集热器入口温度
Tl——冷水温度
Tend——贮水箱内水的终止温度
年平均日辐照度计算公式
G——年平均日辐射照度
Jt——年平均集热器倾角表面上年平均日辐照量
Sy——平均日照小时数，h
间接系统集热器面积计算
Ain——间接系统的集热器面积
Ac——直接系统集热器面积
FRUL——集热器总热损
Uhx————换热器传热系数
Ahx——间接系统换热器换热面积
7.2水泵常用品牌简介
我公司常用品牌有
1、广州广一“冠力”牌，型号格式GD**-**
2、韩国LG循环泵（威乐泵），型号格式PH-**等
3、台湾东方泵，型号格式LPS**
4、丹麦格兰富泵,型号格式CPS**-**
5、台湾格兰富泵,型号格式CH**-**
8、结语
论文计算公式来源于有关资料，一些观点结论纯属本人在学习和实践中所得，不足和不对之处还请指出。
本着加强学习、共同交流、全面进步的宗旨，在技术部所有人员的帮助下完成了论文，由于能力有限，很多方面还不够完善。
在经提点、建议和自身经验增加、认识提高后将继续修改完善并深入细化。
感谢工程技术人员给予的帮助！
并期待大家能持之以恒！
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