器 年平均日集热效率和管路及储水箱热损失率可按经验分别取
η cd = 0.50,η L = 0.20, 太 阳 能 保 证 率 按 表 3 （ 见 附 录 ） 取 值 为
f = 50 0 0 ， J T = 9840 kJ m 2 ,把以上各个参数代入公式计算得： 178 . 2 × 4 . 187 × ( 55 − 20 ) × 0 . 5 Ac = 9840 × 0 . 55 × ( 1 − 0 . 2 )
T = 55 � C , Ta = 25 � C , D0 = 0.3523 m, Di = 0.2523 m, λ = 0.03 w ( m 2 ⋅ k )
，把各个参数带入上述公式得：
2011-06-22
《新能源与节能技术》
太阳能热水系统设计
河南理工大学万方科技学院
q =
2 × π × ( 55 − 25 ) 1 0 . 3523 2 ln + 0 . 03 0 . 2523 11 . 63 × 0 . 3523
）
管型 可用
）
可用 可用 2
可用
1 )采取防冻措施后可用 2) 如不采用防冻措施， 应注意最低环境温度值及阴天持续时间
表 3 不同地区太阳能保证率的选值范围 资源区域划分 年 太 阳 辐 照 量 ／ [MJ 太阳能保证率 ／(m2·a)] I 资源丰富区 II 资源较富区 IlI 资源一般区 Ⅳ资源贫乏区 ≥6700 5400～6700 4200～5400 <4200 ≥60％ 50％～60％ 40％～50％ ≤40％
= 16.225 w m 2 .
该热流量还是比较小的，可以认为该系统的保温效果是合格的。 3 系统布局 3.1 储水箱定位 该用户住的是平顶房，屋顶有足够的承载能力，所以可以把储水 箱和集热器一同放在屋顶， 屋顶有足够大的面积还可以方便设备的安 装和维修。该系统循环为自然循环系统，为了促进热虹吸循环和防止 夜间倒流散热，水箱底部一般应比集热器顶部高 0 . 3m-0 . 5 m，系统 为全年都要运行，可以增加一个放在室内的储水箱，以利于储水箱保 温。储水箱要求与四周保持不小于 1 . 5 m 的距离，与顶面保持不小 于 0.5 m 的距离。 3.2 集热器定位、集热器定向以及集热器安装倾角 集热器可放置在屋顶，摆放面向正南或正南偏西 5 度方向。该系 统系统侧重在夏季使用，集热器安装倾角等于当地纬度减 10 度即 26 度; （注: 全玻璃真空管东西向放置的集热器安装倾角可适当减小） 3.3 集热器排间距 集热器离遮光物的最小距离可按式下计算:
η L — 管路及储水箱热损失率，无量纲;
JT
kJ m 2
;
— 当地春分或秋分所在月集热器受热面上月均日辐照量 ,
根据上述用户的基本情况确定式子中的各项参数，
Qc = 178.2kg , C w = 4.187 kJ (kg ⋅� C ) , tend = 55� C , ti = 20�C , 集 热
D = H × ctgαs
其中: D — 集热器离遮光物或集热器前后排间的最小距离 ;H —
遮光物最高点与集热器最低点间的垂直距离 ; as — 当地冬至日正
2011-06-22
《新能源与节能技术》
太阳能热水系统设计
河南理工大学万方科技学院
午 1 2 时的太阳高度角 。
D = 0 . 8767
× cot 88
= 3.02
2011-06-22
m.
2
《新能源与节能技术》
太阳能热水系统设计
河南理工大学万方科技学院
可取实际面积为 3.0 m ，可以计算出真空管的数目为 15，有效长度 为 2m,管径为 10cm。 2.3 储水箱的容量 该系统是为普通用户设计的，对技术要求不是很高，可以采用常 压水箱。其容积可根据用户的日用水量来确定，经计算，设计的水箱 为圆筒形，壁厚为 8mm，长为 1.8m，底面面积为 0.05 m 。 2.4 储水箱的工艺及其保温 在储水箱的适当位置应设有通气口、溢流口、排污口；储水箱应 具有防腐蚀性，保持水质清洁；为了减少热量损失，储水箱应设有保 温层，水箱保温层为 50mm 厚聚氨酯发泡。保温层热损失计算，计算 公式见下式：
Ta
Ht
Hb
Sm
月份
7 27.4 16.776 14.812 216.9
8 26.2 15.663 14.979 224.3
9 21.7 14.884 16.498 224.4
10 15.8 12.093 16.003 216.4
11 7.9 9.089 14.162 182.2
12 1.1 7.657 13.854 171.9
2011-06-22
《新能源与节能技术》
太阳能热水系统设计
河南理工大学万方科技学院
统的运行方式，确定的方式为自然循环；考虑到该系统全年都要运行
� 使用，运行期间的温度有低于 0 C 的情况，按表 2 （见附录）推荐
的方式选取的集热器类型为全玻璃真空管型的。 2.2 确定系统集热面积 集热器采光面积可按下式估算:
�
= 0 . 0307 m
4 系统使用说明及其功能介绍 系统工作原理流程图：
通气孔
溢流口
室外水箱
排污口 温控阀
散热器
室内水箱 用户使用
泵 水 源
2011-06-22
《新能源与节能技术》
太阳能热水系统设计
河南理工大学万方科技学院
该太阳能热水系统大致工作原理为：该系统的水源由自来水提供， 送 入室外水箱，经加热达到所需温度后可以供用户使用。当水温超过用 户所需温度时，温控阀开启，水箱的一部分水被引入室内水箱，途中 经散热器的散热作用，使水温降低，这部分水与来自室外水箱的高温 水混合，使高温水温度降下来并达到用户所需温度，供用户使用； 当 用户用水量减少时，室内水箱的冷却水由水泵送回室外水箱，与高温 水混合， 使室外水箱的水温控制在一定的范围内， 使其水温不致太高； 该系统还有防冻功能，在冬季，当外界温度很低时，可以把室外水箱 的水引进室内水箱，防止室外水箱的水结冰。 系统优点是可以有效控制室外水箱水温和防冻；缺点是系统额外 加了一个水泵，会增加电耗。
Ac =
式中： Ac
Q
w
( t end − t i ) f J T η cd ( 1 − η L )
w
C
— 直接系统集热器采光面积，m2; — 日均用水量，k g ; — 水的定压比热容， kJ
Qw Cw η cd
( kg ⋅ � C ) ;
Tend — 储水箱内水的终止温度， �C ；
— 集热器年平均日集热效率，无量纲;
《新能源与节能技术》
太阳能热水系统设计
河南理工大学万方科技学院
设计题目 济南市郊区某户人家一共六人，全年都需要热水供应。试设计该 家庭的太阳能供热水系统。 1 调查用户基本情况 1 . 1 环境条件 济南市太阳能资源情况 济南 月份 维度 36 度 41 分;经度 116 度 59 分；海拔高度 52 米 1 -1.4 8.376 13.630 175 2 1.1 10.930 15.225 177.3 3 7.6 14.423 16.634 217.7 4 15.2 16.679 16.523 248.8 5 21.8 20.770 18.716 280.3 6 26.3 21.05 18.21 263.1
2
2
q =
T − Ta = Ri + Ra
2 π (T − T a ) 1 D 0 2 ln + λ Di α D
0
D。——保温层外径，单位为米(m)； Di ——保温层内径，单位为米(m)； 在经济厚度及热损失计算中， 设备和管道的保温结构外表面换热系 数 α一般取 11.63 W／(m2·K)。 根 据 已 知 条 件 查 的 上 述 公 式 中 的 各 项 参 数 ，
2011-06-22
� 水方式为全年都要供应热水，用水温度为 55 C ，用水流速按 1m/s
来计算。 1 . 3 场地情况及水电情况 根据实地考察，该用户居住的平顶房，房顶面积及其承载能能力 足以安装太阳能集热器和水箱， 所以太阳能集热器和水箱可以放在屋 顶， 又有房屋周围没有高层建筑物的遮挡， 所以不影响集热器的采光。 当地的水压和电压都非常稳定。 2 系统的设计 2.1 确定系统运行方式和集热器类型 根据用户基本条件、用户的使用需求及集热器与储水箱的相对安 装位置等因素综合加以确定，可按表 1（见附录）推荐的方式选取系
� 热水的供水温度以控制在 55～60 C 。因为当水温大于 60 C 时，
�
将加速设备与管道的结垢和腐蚀，增大系统的热损，降低供热水的安
� 全；而当水温比 55 C 低时，不易杀死滋生在水中各种细菌. 目前使 � 用的太阳能集热产品都是太阳能低温热利用产品，产出 45 C 左右额
热水时的集热效率最高。 基于以上统计结果及经验初步确定该家庭的日用水量为 30L，用
可用可用可用源自可用采取防冻措施可用
1）在温控器控制泵的方式下可用 2 )在温控阀控制的方式下可用 3 ) 在光电池控制直流泵的方式下可用
2011-06-22
《新能源与节能技术》
太阳能热水系统设计
河南理工大学万方科技学院
表 2 集热器类型的选用 运行条件 集热器类型 平板型 全玻璃真空 热管式真空 管型 运行期内最 高于 0oC 低环境温度 低于 0oC 可用 不可用 1
2011-06-22
《新能源与节能技术》
太阳能热水系统设计
河南理工大学万方科技学院
附录：
表 1 太阳热水系统运行方式的选用
运行条件
运行方式 自然循环 直流式 不宜用 1 不宜用 2 可用 可用
）
强迫循环 可用 不宜用 3 不宜用 可用
）
水压不稳 供电不足 即时用热水