5.2 太阳能集热系统设计

5.2.1 本条是太阳能集热器设置和定位的基本规定。
    1 太阳能集热器采光面上能够接收到的太阳光照会受到集热器安装方位和安装倾角的影响，根据集热器安装地点的地理位置，对应有一个可接收最多的全年太阳光照辐射热量的最佳安装方位和倾角范围，该最佳范围的方位是正南，或南偏东、偏西10°，倾角为当地纬度±10°，但该范围太窄，对建筑规划设计的限制过于严格，不利于太阳能供热采暖的推广应用。为此，编制组利用Meteo Norm V4.0软件进行了不同方位、倾角表面接收太阳光照的模拟计算，结果显示：当安装方位偏离正南向的角度再扩大到南偏东、偏西20°时，适宜倾角集热器表面接收的全年太阳光照辐射热量只减少了不到5％，所以，本条将推荐的集热器最佳安装方位扩大至正南，或南偏东、偏西20°；倾角为当地纬度+10°，是因为太阳能供热采暖系统的主要功能是冬季采暖，倾角适当加大有利于提高冬季集热器的太阳能得热量。
    对于受实际条件限制，集热器的朝向不可能在正南，或南偏东、偏西20°的朝向范围内，安装倾角与当地纬度偏差较大时，本条也给出了解决方法，即按本标准附录B进行面积补偿，合理增加集热器面积，从而放宽了对应用太阳能供热釆暖系统建筑物朝向、屋面坡度的限制，使建筑师的设计有了更大的灵活性，同时又能保证太阳能供热釆暖系统设计的合理性。
    在根据本标准附录B进行面积补偿时，应针对不同的蓄热系统，选用不同的表格：表B.0.2-1根据12月的太阳辐照计算，适用于短期蓄热系统；表B.0.2-2根据全年的太阳辐照计算，适用于季节蓄热系统。
    2 如果系统中太阳能集热器的位置设置不当，受到前方障碍物或前排集热器的遮挡，不能保证太阳能集热器釆光面上的太阳光照的话，系统的实际运行效果和经济性都会大受影响，所以，需要对放置在建筑外围护结构上太阳能集热器釆光面上的日照时间作出规定。冬至日太阳高度角最低，接收太阳光照的条件最不利，规定此时集热器釆光面上的日照时数不少于6h，是综合考虑系统运行效果和围护结构实际条件而提出的；由于冬至前后在早上9点之前和下午3点之后的太阳高度角较低，对应照射到集热器采光面上的太阳辐照度也较低，即该时段系统能够接收到的太阳能热量较少，对系统全天运行的工作效果影响不大；如果增加对日照时数的要求，则安装集热器的屋面面积要加大，在很多情况下不可行，所以，取冬至日日照时间6h为最低要求。
    除了保证太阳能集热器釆光面上有足够的日照时间外，前、后排集热器之间还应留有足够的间距，以便于施工安装和维护操作；集热器应排列整齐有序，以免影响建筑立面的美观。
    3 本款给出了某一时刻太阳能集热器不被前方障碍物遮挡阳光的日照间距计算公式。公式中的计算时刻应选冬至日（此时赤纬角δ＝-23°57'）的10:00或14:00；公式中的角γ0和太阳方位角α及集热器的方位角γ（集热器表面法线在水平面上的投影线与正南方向线之间的夹角，偏东为负，偏西为正）的关系如图2所示。     4 建筑物的主体结构在伸缩缝、沉降缝、抗震缝等变形缝两侧会发生相对位移，太阳能集热器如跨越建筑变形缝易受到破坏。
5.2.2 太阳能是不稳定热源，为提高计算准确度，实现系统的优化设计，宜利用计算软件，以提高太阳能釆暖效益为目标，依据使用需求及系统的工作温度、流量、压力等参数，通过动态模拟计算，确定太阳能集热器总面积。此外，本条还规定了在釆用简化计算方法时确定太阳能集热器总面积的计算公式。
    1 本款规定了短期蓄热直接系统太阳能集热器总面积的计算公式。一般情况下，太阳能集热器的安装倾角是在当地纬度+10°的范围内，所以，公式中的JT可按本标准附录A选取，即表中的H_Lt：当地纬度倾角平面12月的月平均日辐照量。
    2 本款规定了季节蓄热直接系统太阳能集热器总面积的计算公式。公式中的Ja可按本标准附录A选取，即表中的H_La：当地纬度倾角平面年平均日辐照量；其原因是季节蓄热系统可蓄存全年的太阳能得热量用于冬季采暖。
    3 本款规定了间接系统太阳能集热器总面积的计算方法。由于间接系统换热器内外需保持一定的换热温差，与直接系统相比，间接系统的集热器工作温度较高，使得集热器效率稍有降低，所以，确定的间接系统集热器面积要大于直接系统。其中的计算参数A_c用公式(5.2.2-1)计算得出，U_L和U_hx可由生产企业提供的产品样本或产品检测报告得出，Ahx则用本标准附录E给出的方法计算。
5.2.3 管网水力平衡是保证系统稳定运行，以及系统运行参数能够满足设计要求的重要前提；因此，在设计过程中，应通过水力计算，合理确定管网的布置方式及管径等关键参数；在必要时，可设置平衡阀等水力平衡装置，特别是针对规模较大的系统。
5.2.4 本条规定了单块太阳能集热器工质设计流量的计算方法。
    在单块太阳能集热器工质设计流量的计算公式中，计算参数A是单块太阳能集热器的总面积，而优化系统设计流量的关键是要合理确定太阳能集热器的单位面积流量。
    太阳能集热器工质的单位面积流量g与太阳能集热器的特性和用途有关，对应集热器本身的热性能和不同的用途，单位面积流量g的取值是不同的。国外企业的普遍做法是根据其产品的不同用途——采暖、供热水或加热泳池等，委托相关的权威性检测机构给出与产品热性能相对应、在不同用途运行工况下单位面积流量的合理选值，并列入企业产品样本，供用户使用；而我国企业目前对产品优化和性能检测的认识水平还不高，大部分企业的产品都缺乏该项检测数据；因此，在表5.2.4中给出了推荐值。该表是在参考 《Solar Heating Systems for Houses，A Design Handbook for Solar Combisystems》等国外资料基础上总结的推荐值，并依据我国产品的相关性能和各地的资源、气候条件，通过模拟计算和实验验证给出的优化值。
5.2.5 太阳能集热系统的设计流量是影响系统热性能和安全性的重要参数，也是系统水泵或风机选型的基础数据。集热系统是由单块太阳能集热器通过串联和并联方式连接形成的若干阵列组成，而连接方式和每一阵列所包含的太阳能集热器数量、面积，太阳能集热器产品本身的热性能——以瞬时效率方程、曲线表征，以及当地的太阳辐照和气象条件，则是合理选择设计流量的关键影响因素。流量过大会增加水泵或风机功耗，不利于节能；流量过小可能导致系统过热、液体工质汽化，造成安全隐患。因此，系统设计流量应综合考虑上述因素，建立系统的热平衡方程，以太阳能集热系统的出口工质温度既符合设计要求，又不会造成液体工质汽化（其他工质过热）为目标，通过计算确定。在有逐时太阳辐照和气象数据的条件下，应釆用TRNSYS等软件进行动态模拟计算，以提高计算准确度。
5.2.6 本条规定了太阳能集热系统中水泵、风机等关键动力设备的选型原则和方法。由于在一定系统流量下，集热器进出口两端压力降是选型的重要影响参数，所以要求设计单位应依据企业提供的“集热器两端压降与质量流量的关系曲线”进行系统水力计算，该曲线应由第三方权威质检机构根据相关国家标准检测得出，从而使水泵等设备的选型更为合理。
5.2.7 本条规定是为防止选择水泵过大，提高输配效率。耗电输热比应按下式计算：

    式中：
    EHR——太阳能集热系统耗电输热比；
    G——每台运行水泵的设计流量(m³/h)；
    H——每台运行水泵对应的设计扬程(mH₂O)；
    η_b——每台运行水泵对应的设计工作点效率；
    Q——太阳能集热系统设计负荷(kW)；
    △T——集热系统进、出口设计温差(℃)，按设计要求选取；
    A——与水泵流量有关的计算系数；当设计水泵流量G≤60m³/h时，A＝0.004225；当60m³h＜G≤200m³/h 时，A＝0.003858；当G＞200m³/h时，A＝0.003749；
    B——与机房及系统阻力有关的计算系数，一级泵系统时B＝20.4，二级泵系统时B＝24.4；
    ΣL——集热系统循环管道的总长度(m)；
    α——ΣL与有关的计算系数；当ΣL≤400m时，α＝0.0115；当400m＜ΣL＜1000m时，α＝0.003833＋3.067/ΣL；当ΣL≥1000m时，α＝0.0069。
    计算公式系参考国家标准《民用建筑供暖通风及空气调节设计规范》GB 50736-2012第8.11.13条。其中，系数A是反映水泵效率影响的参数，B是反映除管道之外的设备阻力系数，α是反映系统管道长度的阻力系数。考虑到太阳能集热器系统的部件特性，同时参考国家现行标准《公共建筑节能设计标准》GB 50189、《严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准》JGJ 26，确定本条计算系数。
5.2.8 本条规定了太阳能集热系统运行自动控制的基本设计原则。
    根据集热系统工质出口和贮热装置底部介质的温差，控制太阳能集热系统的运行循环，是最常使用的系统运行控制方式。其依据的原理是：只有当集热系统工质出口温度高于贮热装置底部温度（贮热装置底部的工作介质通过管路被送回集热系统重新加热，该温度可视为是返回集热系统的工质温度）时，工作介质才可能在集热系统中获取有用热量；否则，由于太阳辐照过低，工质不能通过集热系统得到热量，如果此时系统仍然继续循环工作，则可能发生工质反而通过集热系统散热，使贮热装置内的工质温度降低。
    温差循环的运行控制方式是：在集热系统工质出口和贮热装置底部分别设置温度传感器S1和S2，当二者温差大于设定值时，通过控制器启动循环泵或风机，系统运行，将热量从集热系统传输到贮热装置；当二者温差小于设定值时，循环泵或风机关闭，系统停止运行。
    太阳能的特点之一是其不稳定性，太阳能集热崩采光面上接收的太阳辐照度随天气条件不同而发生变化，所以在投资条件许可时，提倡釆用自动控制变流量运行太阳能集热系统，以提高系统稳定运行的安全性、可靠性和整体节能效益。
    变流量运行能够保证系统运行的安全、稳定和可靠，同时提高系统的节能效益。尤其是针对大、中型季节蓄热太阳能集热系统，釆用变流量运行更为适宜，因为季节蓄热太阳能集热系统的规模较大。从发达国家该类大型系统得出的经验是：如果仅靠温差循环定流量运行，可能达不到设计要求，还极易造成系统过热等安全隐患。
    太阳能集热系统变流量运行自动控制的基本措施及具体的控制方式为：根据太阳辐照条件的变化直接改变系统流量，或因太阳辐照不同引起的集热系统出口温度变化间接改变系统流量，从而实现系统的优化运行。
5.2.9 本条规定了太阳能集热系统防冻设计的要求和防冻措施的选择。
    1 本条给出了太阳能集热系统可采用的防冻措施类型和根据集热系统类型、使用地区选择防冻措施的参照选择表。防冻措施包括：排空系统、排回系统、防冻液系统、循环防冻系统。严寒地区的防冻要求高，所以只能使用间接式太阳能集热系统和严格的防冻措施——排回系统和防冻液系统。鉴于我国目前的消费水平和投资能力较低，表5.2.9中将直接式太阳能集热系统和相应的排空和循环防冻系统列入了寒冷地区的推荐项，但如果从严要求，仅寒冷地区中冬季环境温度相对较高，如山东、河北南部、河南等省区，可以使用直接式太阳能集热系统和相应的排空和循环防冻系统。投资条件许可时，寒冷地区仍应优先选用间接式太阳能集热系统和相应的防冻措施。
    2 为保证太阳能集热系统的防冻措施能正常工作，规定防冻系统应釆用自动控制运行。
5.2.10 为保证太阳能供热釆暖系统的稳定运行，当太阳辐照较差，通过太阳能集热系统的工作介质不能获取相应的有用热量，使工质温度达到设计要求时，辅助热源加热设备应启动工作；而太阳辐照较好，工质通过太阳能集热系统可以被加热到设计温度时，辅助热源加热设备应立即停止工作，以实现优先使用太阳能，提高系统的太阳能保证率；所以，应釆用定温（工质温度是否达到设计温度）自动控制，来完成太阳能集热系统和辅助热源加热设备的相互切换。
5.2.11 本条规定了以水为工质系统防冻控制的基本设计原则。
    1 使用水为工作介质的直接和间接式太阳能集热系统，常釆用排空和排回措施，将全部工作介质排空或从安装在室外的太阳能集热系统排至设于室内的贮水箱内，以防止冻结现象；所以，当水温降低到某一定值一一防冻执行温度时，就应通过自动控制启动排空和排回措施，防止水温继续下降至0℃产生冻结，影响系统安全。防冻执行温度的范围通常取3℃～5℃，视当地的气候条件和系统大小确定具体取值，气温偏低地区取高值，反之取低值。
    2 系统循环防冻的技术相对简便，是目前较常使用的防冻措施，但因系统循环会有水泵能耗，设计时应结合当地条件作经济分析，考虑是否釆用；如水泵运行时间过长或频繁启停，则不适用。
5.2.12 本条规定了系统防过热控制的基本设计原则。贮热水箱中的水一般是直接供给釆暖末端系统或热水用户的，所以，防过热措施应更严格。过热防护系统的工作思路是：当发生水箱过热时，不允许集热系统采集的热量再进入水箱，避免供给末端系统或用户的水过热，此时多余的热量由集热系统承担；当集热系统也发生过热时，由于集热系统安装在户外，因集热系统中的工质沸腾造成人身伤害的危险稍小，而且容易釆取其他措施散热。
    因此，水箱防过热执行温度的设定更严格，应设在80℃以内，水箱顶部温度最高，防过热温度传感器应设置在贮热水箱顶部；而集热系统中的防过热执行参数则根据系统的常规工作压力，以及可能因设备故障而产生的非正常运行状态，设定一个合理范围，当参数超过了安全上限，可能发生危险时，用开启安全阀泄压的方式保证安全。
5.2.13 本条是强制性条文，目的是保障人民生命财产安全和工程安全。当发生系统过热安全阀需开启时，系统中的高温水或蒸汽会通过安全阀外泄。安全阀的设置位置不当，或没有配备相应措施，有可能会危及周围人员的人身安全，应在设计时着重考虑。例如，可将安全阀设置在已引入设备机房的系统管路上，并通过管路将外泄高温水或蒸汽排至机房地漏；安全阀只能在室外系统管路上设置时，通过管路将外泄高温水或蒸汽排至就近的雨水口等。
    如果安全阀的开启压力大于系统可耐受最高工作温度对应的饱和蒸汽压力，系统可能会因工作压力过高受到破坏；而开启压力小于系统可耐受最高工作温度对应的饱和蒸汽压力，则会使本来仍可正常运行的系统停止工作。所以，安全阀的开启压力应与系统可耐受的最高工作温度对应的饱和蒸汽压力一致，既保证系统的安全性，又保证系统的稳定正常运行。