选择热水加热和贮热设备的计算方法

2023-08-30 理论教育版权反馈

【摘要】：太阳能热水供应系统应设辅助热源及其加热设施。③辅助热源及其水加热设施应结合热源条件、系统形式及太阳能供热的不稳定状态等因素，经技术经济比较后合理选择、配置。④辅助热源加热设备应根据热源种类及其供水水质、冷热水系统形式等选用直接加热或间接加热设备。

水加热设备应根据使用特点、耗热量、热源、维护管理及卫生防菌等因素选择，并应符合下列要求：①热效率高，换热效果好、节能、节省设备用房。②生活热水侧阻力损失小，有利于整个系统冷、热水压力的平衡。③安全可靠、构造简单、操作维修方便。

选用水加热设备还应遵循下列原则：①当采用自备热源时，宜采用直接供应热水的燃油（气）热水机组，亦可采用间接供应热水的自带换热器的燃油（气）热水机组或外配容积式、半容积式水加热器的燃油（气）热水机组。②燃油（气）热水机组还应具备燃料燃烧完全、消烟除尘、机组水套通大气、自动控制水温、火焰传感、自动报警等功能。③当采用蒸汽、高温水为热媒时，应结合用水的均匀性、给水水质硬度、热媒的供应能力、系统对冷热水压力平衡稳定的要求及设备所带温控安全装置的灵敏度、可靠性等经综合技术经济比较后选择间接水加热设备。④当热源为太阳能时，其水加热系统应根据冷水水质硬度、气候条件、冷热水压力平衡要求、节能、节水、维护管理等经技术经济比较确定。⑤在电源供应充沛的地方可采用电热水器。

1.太阳能加热系统的设计

太阳能集热器的设置应和建筑专业统一规划协调，并在满足水加热系统要求的同时不得影响结构安全和建筑美观；集热器的安装方位、朝向、倾角和间距等应符合现行国家标准《民用建筑太阳能热水系统应用技术规范》（GB 50364—2005）的要求；集热器总面积应根据日用水量、当地年平均日太阳辐射量和集热器集热效率等因素计算。

直接加热供水系统的集热器总面积可按式（3-4-8）计算

式中，A_jz为直接加热集热器总面积（m²）；q_r为设计日用水量（L/d），按不高于表3-4-1中下限取值；m为用水单位数；t_r为热水温度（℃），t_r=60℃；t_l为冷水温度（℃），按表3-4-3采用；Jt为集热器采光面上年平均日太阳辐照量（kJ/m²·d）；f为太阳能保证率，根据系统使用期内的太阳辐照量、系统经济性和用户要求等因素综合考虑后确定，取30%～80%；η_j为集热器年平均集热效率，按集热器产品实测数据确定，经验值为45%～50%；η_l为贮水箱和管路的热损失率，取15%～30%。

间接加热供水系统的集热器总面积可按式（3-4-9）计算

式中，A_jj为间接加热集热器总面积（m²）；F_RU_L为集热器热损失系数[kJ/（m²·℃·h）]，平板型可取14.4～21.6；真空管型可取3.6～7.2，具体数值根据集热器产品的实测结果确定；K为水加热器传热系数[kJ/（m²·℃·h）]；F_jr为水加热器加热面积（m²）。

太阳能集热系统贮热水箱有效容积可按式（3-4-10）计算

V_rx═q_rjdA_j （3-4-10）

式中，V_rx为贮热水箱有效容积（L）；A_j为集热器总面积（m²）；q_rjd为集热器单位采光面积平均每日产热水量[L/（m²·d）]，根据集热器产品的实测结果确定。无条件时，根据当地太阳辐照量、集热器集热性能、集热面积的大小等因素按下列原则确定：直接供水系统q_rjd=40～100[L/（m²·d）]，间接供水系统q_rjd=30～70[L/（m²·d）]。

强制循环的太阳能集热系统应设循环泵。循环泵的流量可按式（3-4-11）计算

q_x═q_gzA_j （3-4-11）

式中，q_x为集热系统循环流量（L/d）；q_gz为单位采光面积集热器对应的工质流量[L/（s·m²）]，按集热器产品实测数据确定。无条件时，可取0.015～0.020[L/（s·m²）]。

开式直接加热太阳能集热系统循环泵的扬程按式（3-4-12）计算

H_x═h_jx+h_j+h_z+h_f （3-4-12）

式中，H_x为循环泵扬程（kPa）；h_jx为集热系统循环管道的沿程与局部阻力损失（kPa）；h_j为循环流量流经集热器的阻力损失（kPa）；h_z为集热器顶与贮热水箱最低水位之间的几何高差（kPa）；h_f为附加压力（kPa），取20～50kPa。

闭式间接加热太阳能集热系统循环泵的扬程按式（3-4-13）计算

H_x═h_jx+h_e+h_j+h_f （3-4-13）

式中，h_e为循环流量经集热水器的阻力损失（MPa）。

太阳能热水供应系统应设辅助热源及其加热设施。其设计计算应符合下列要求：①辅助能源宜因地制宜地选择热力管网、燃气、燃油、电、热泵等。②辅助热源的供热量按式（3-4-4）设计计算。③辅助热源及其水加热设施应结合热源条件、系统形式及太阳能供热的不稳定状态等因素，经技术经济比较后合理选择、配置。④辅助热源加热设备应根据热源种类及其供水水质、冷热水系统形式等选用直接加热或间接加热设备。⑤辅助热源的控制应在保证充分利用太阳能集热量的条件下，根据不同的热水供水方式采用手动控制、全日自动控制或定时自动控制。

2.水源热泵热水供应系统的设计

水源热泵宜优先考虑以空调冷却水等水质较好、水温较高且水量、水温稳定的废水为热源；水源总水量应按供热量、水源温度和热泵机组性能等综合因素确定；水源热泵的设计小时供热量应按式（3-4-14）计算

式中，Q_g为水源热泵设计小时供热量（kJ/h）；q_r为热水用水定额[L/（人·d）或L/（人·床）]，按不按高于表3-4-1和表3-4-2中用水定额中下限取值；m为用水单位数（人数或床位数）；t_r为热水温度，t_r=60℃；t_l为冷水温度，按表3-4-3采用；T₁为热泵机组设计工作时间（h/d），取12～20h；k₁为安全系数，k₁=1.05～1.10。

水源水质应满足热泵机组或换热器的水质要求，当期不满足时，应采取有效的过滤、沉淀、灭藻、阻垢、缓蚀等处理措施。当以污废水为水源时，应作相应污水、废水处理。水源热泵制备热水可根据水质硬度、冷水和热水供应系统的形式等经技术经济比较后采用直接供水或作热媒间接换热供水。水源热泵热水供应系统应设置贮热水箱（罐），其总贮热水容积为全日制集中热水供应系统贮热水箱（罐）总容积，应根据日耗热量、热泵持续工作时间及热泵工作时间内耗热量等因素确定，当其因素不确定时宜按式（3-4-15）计算

式中，Q_h为设计小时耗热量（kJ/h）；Q_g为设计小时供热量（kJ/h）；V_r为贮热水箱（罐）总容积（L）；T为设计小时耗热量持续时间（h）；η为有效贮热容积系数，贮热水箱、卧式贮热水罐η=0.80～0.85，立式贮热水罐η=0.85～0.90；k₂为安全系数，k₂=1.10～1.20。定时热水供应系统的贮热水箱（罐）的有效容积宜为定时供应最大时段的全部热水量。

水源热泵换热系统设计应符合现行国家标准《地源热泵系统工程技术规范》（GB 50366—2009）的相关规定。空气源热水供应系统设计应符合下列要求：①空气热源泵热水供应系统设置辅助热源的原则是最冷月平均气温不小于10℃的地区，可不设辅助热源；最冷月平均气温小于10℃且不小于0℃时，宜设置辅助热源。②空气源热泵辅助热源应就地获取，经过经济技术比较，选用投资省、低能耗的热源。③空气热源泵的供热量可按式（3-4-13）计算确定；当设辅助热源时，宜按当地农历春分、秋分所在月的平均气温和冷水供应温度计算；当不设辅助热源时，应按当地最冷月平均气温和冷水供水温度计算。④空气源热泵水加热器贮水设备的有效容积，可根据制备热水的方式按式（3-4-14）确定。

3.水加热器系统设计

常用加热设备种类有：容积式水加热器、快速水加热器、燃气热水器和电热水器等。其中，燃气热水器、电热水器必须带有保证使用安全的装置。严禁在浴室内安装直接排气式燃气热水器等在使用空间内积聚有害气体的加热设备。水加热器的加热面积应按式（3-4-16）计算

式中，F_jr为水加热器的加热面积（m²）；Q_g为设计小时供热量（kJ/h）；K为传热系数[kJ/（m²·℃·h）]；ε为由于水垢和热媒分布不均匀影响传热效率的系数，采用0.6～0.8；C_r为热水供应系统的热损失系数，取1.10～1.15；Δt_j为热媒与被加热水的计算温度差（℃），可按下述规定确定：

1）容积式水加热器、导流型容积式水加热器、半容积式水加热器

式中，Δt_j为计算温度差（℃）；t_mc、t_mz分别为热媒的初温和终温（℃）；t_c、t_z分别为被加热水的初温和终温（℃）。

2）快速式水加热器、半即热式水加热器

式中，Δt_j为计算温度差（℃）；Δt_max为热媒与被加热水在水加热器一端的最大温度差（℃）；Δt_min为热媒与被加热水在水加热器另一端的最小温度差（℃）。

热媒的计算温度应符合以下规定：①热媒为饱和蒸汽时的热媒初温、终温的计算。热媒的初温t_mc，当热媒压力大于70kPa的饱和蒸汽时，t_mc按饱和蒸汽温度计算；压力小于等于70kPa时，tmc按饱和蒸汽温度计算；热媒的终温t_mz应由经热工性能测定的产品提供，可按容积式水加热器的t_mz=t_mc计算；导流型容积式水加热器、半容积式水加热器、半即热式水加热器的t_mz=50～90℃。②热媒为热水时，热媒的初温应按热媒供水的最低温度计算；热媒的终温应由经热工性能测定的产品提供；当热媒初温t_mz=70～100℃时，其终温可按容积式水加热器的t_mz=60～85℃；导流型容积式水加热器、半容积式水加热器、半即热式水加热器的t_mz=50～80℃。③热媒为热力管网的热水时，热媒的计算温度应按热力管网供回水的最低温度计算，但热媒的初温与被加热水终温的温度差，不得小于10℃。

容积式水加热器或加热水箱的容积附加系数应符合：①容积式水加热器、导流型容积式水加热器、贮热水箱的计算附加系数按式（3-4-4）中的有效贮热容积系数η计算。②当采用半容积式水加热器或带有强制罐内水循环装置的容积式水加热器时，其计算容积可不附加。

集中热水供应系统的贮水器容积应根据日用热水小时变化曲线及锅炉、水加热器的工作制度和供热能力以及自动温度控制装置等因素按积分曲线计算确定。容积式水加热器或加热水箱、半容积式水加热器的贮热量不得小于表3-4-5的要求。

表3-4-5 水加热器的贮热量

注：1.燃油（气）热水机组所配贮热器，其贮热量宜根据热媒供应情况按导流型容积式水加热器或半容积式水加热器确定。

2.表中Q_h为设计小时耗热量（kJ/h）。

3.半即热式、快速式水加热器，当热媒按设计秒流量供应且有完善可靠的温度自动控制装置时，可不设贮水器；当其不具备上述条件时，应设贮水器；贮热量宜根据热媒供应情况按导流型容积式水加热器或半容积式水加热器确定。

4.热水供应系统的安全设施

在设有膨胀管的开式热水供应系统中，膨胀管的设置应符合如下要求：

1）当热水系统由生活饮用高位水箱补水时，可将膨胀管引至同一建筑物的非生活饮用水箱的上空，其高度应按式（3-4-19）计算

式中，h为膨胀管高出生活饮用水高位水箱水面的垂直高度（m）；H为锅炉、水加热器底部至生活饮用高位水箱水面的高度（m）；ρ₁为冷水密度（kg/m³）；ρ₂为热水密度（kg/m³）。膨胀管出口距接入水箱水面的高度不应少于100mm。

2）当热水供水系统上设置膨胀水箱时，膨胀水箱水面高出系统冷水补给水箱的容积应按式（3-4-20）计算

V_P═0.0006ΔtV_S （3-4-20）

式中，V_P为膨胀水箱有效容积（L）；Δt为系统内水的最大温差（℃）；V_S为系统内的水容量（L）。

当膨胀管有冻结可能时，应采取保温措施。膨胀管上严禁装设阀门。膨胀管的最小管径应按表3-4-6确定。

表3-4-6 膨胀管的最小管径

在闭式热水供应系统中，应设置压力式膨胀罐、泄压阀，并应符合下列规定：日用水量小于等于30m³的热水供应系统可采用安全阀等泄压措施；日用水量大于30m³的热水供应系统应设置压力式膨胀罐；膨胀罐的总容积可按式（3-4-21）计算

式中，V_e为膨胀罐的总容积（m³）；ρ_f为加热前加热、贮热设备内水的密度（kg/m³），定时供应热水的系统宜按冷水温度确定，全日集中热水供应系统宜按热水回水温度确定；ρ_r为热水密度（kg/m³）；P₁为膨胀罐处管内水压力（MPa，绝对压力），为管内工作压力加0.1（MPa）；P₂为膨胀罐处管内最大允许压力（MPa，绝对压力），其数值可取1.10P₁；V_S为系统内热水总容积（m³）。

膨胀罐宜设置在加热设备的热水循环回水管上。太阳能集中热水供应系统，应采取可靠的防止集热器和贮热水箱（罐）贮水过热的措施。在闭式系统中，应设置膨胀罐、安全阀，有冰冻可能的系统还应采取可靠的集热系统防冻措施。

选择热水加热和贮热设备的计算方法

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