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太阳能集中热水系统设计实例分析

摘要：随着太阳能应用水平和技术的不断提高，太阳能热水系统越来越受到

人们的重视。太阳能热水系统可提供近乎免费的生活热水，但其受天气影响难以

全天候运行，需要设置辅助加热装置，而空气源热泵是较易实现且自身就有节能

特点的热源形式。本文结合某工程实例，谈谈太阳能集中热水系统的设计过程。

关键词：太阳能；集中热水系统；原理；节能

目前我国大力提倡环境保护和建设节约型社会，动员和激励全社会节约和高

效利用各种资源。而太阳能以清洁、取之不竭、安全、经济效益好等显著优势，

已越来越受到社会各方面的关注。而在太阳能产业的发展中，太阳能热水器的热

利用转换技术无疑是最为成熟的。太阳能热水系统是吸收太阳辐射能为热源，将

太阳能转为热能以达到加热水的目的的整套装置，包括太阳能集热装置、储热装

置、循环管路装置等。本系统的最大优势在于，在日照充足条件下，整个系统运

行成本几乎为零，这也是在太阳能比较丰富的地区以太阳能作为生产热水主要能

源的重要原因。下文结合工程实例，对空气源热泵辅助加热的太阳能集中热水系

统（下文简称系统）的设计过程进行分析和探讨。

一、工程概况及设计原则

某工程位于深圳，由3栋18层的小高层住宅，每栋分A,B座，每座每层4

户，一层架空，每栋均设置独立的太阳能集中热水系统。以其中1栋为例，热水

用水定额80L/(人.d)，热水日最高用水量为38.08m3，最大时用水量为4.76m3/h，

冷水计算温度ti=15℃，热水计算温度tend=60℃，设计小时耗热量为210.5KJ/h。

采用集中太阳能热水系统，配以空气源热泵为辅助加热。在进行系统设计和产品

选择时主要考虑了以下几个原则：(1)保证用户热水供应的连续性和稳定性。平

常尽可能多利用太阳能，日照不充足时通过可靠的辅助加热措施，保证用户随时

使用热水；(2)采用成熟的太阳能热水技术，通过优化系统配置，控制初期建设

投资，并避免复杂的后期运行维护管理；(3)与建筑设计同步进行，解决好与建

筑一体化的问题，以及系统冬季防冻、漏电、防雷等安全问题；

二、系统原理分析

1、系统原理

深圳地区在全国的太阳能条件方面属于资源一般区中的较高水平，年日照时

数为1975h，水平面上年太阳辐照量5225MJ/(m2#8226;a)。由于可接收的太阳

能辐射的不稳定性，需要设置辅助加热进行补充。深圳地区室外温度较高，采用

空气源热泵进行辅助加热具有较高的能效比，可保证全天24h不间断热水供应。

将空气源热泵机组和太阳能集热系统两者恰当结合，既充分利用了太阳能，又保

证了不利气候条件下的热水持续供应，最大限度的降低运行成本，节能省费。

结合上述，整个热水系统可分为太阳能集热系统和空气源热泵辅助加热系统

两部分，具体包括太阳能集热板、太阳能承压热水罐、太阳能热水循环泵；空气

源热泵机组、生活热水箱、生活热水箱循环泵、生活热水系统循环泵以及控制器

等。系统原理见图1。

2、系统运行工况分析

系统的运行主要有以下四种工况:

(1)太阳能集热系统单独加热。在日照充足的白天，系统按此工况工作，加

热后的水进入闭式水罐。太阳能热水循环泵的工作由系统控制器根据太阳能集热

器和太阳能储热罐的水温进行控制。

(2)空气源热泵辅助太阳能集热系统加热。当阴雨天或光照不足，系统按此

工况工作。太阳能集热系统在设定的时间内不能使生活热水箱温度达到设计水温

时，热水箱内的感温元件检测水温，然后自动启动空气源热泵热水机组加热，当

水箱水温达到设定值时，空气源热泵热水机组自动关闭。

(3)太阳能和热泵机组同时加热。此种工况出现在生活热水供水系统耗热量

大于太阳能集热系统的有效供热量或太阳能集热器的数量较少，不能满足用热水

系统的用热需求的情况下。同时工作加热时，系统采用自动温差控制循环加热，

根据太阳能热水系统的运行情况、环境状况，结合空气源热泵的性能特点来自动

切换热泵机组的运行，最大限度少开机或不开机。从而确保热水在不低于55℃

供应下限的前提下，为太阳能的充分利用提供保障，同时也为机组的节能利用和

安全运行提供可靠的保证。

(4)空气源热泵机组单独加热。在连续的雨雪天气，热水系统所需热量完全

由空气源热泵机组提供。此时，太阳能系统处于待机状态，热泵机组单独工作对

热水箱加热。

三、系统设计

1、太阳能集热系统设