摘要 随着国家对绿色建筑的不断的推广，太阳能热水系统作为绿色建筑评价的重要得分项逐渐成为宿舍、公寓及住宅设计的标配，本文主要对宿舍类集中式太阳能热水系统进行总结，依据有关规范规程，提出了宿舍太阳能加热系统设计计算的步骤和公式，并给出实例加以说明，供同行在工程设计中参考。
关键词 绿色建筑；太阳能热水系统；设计计算
引言
太阳能是永不枯竭的清洁可在生能源，是21世纪以后人类可期待的、最有希望的能源之一。用太阳能加热低温热水（小于100℃）的太阳能热水系统，是当前太阳能利用中技术最成熟、经济上最具竞争力、应用最广泛、产业化发展最快的领域。根据2015年实行的《绿色建筑评价标准》（GB50378-2014）第5.2.16条，由可再生能源提供的生活热水比例Rhw≥80%时，在节能与能源利用项中可得10分，而该项在总得分中的权重也是占到了最大的0.28，可见太阳能热水系统在绿色建筑评价中的重要地位。
笔者根据《民用建筑太阳能热水系统应用技术规范》（GB50364-2018）和《建筑给水排水设计规范》GB50015-2003（2009版）,整理出宿舍太阳能加热系统的设计计算方法和步骤，供工程设计参考。
强制循环单水箱太阳能设计原理
太阳能热水系统的加热方式分直接加热式（图1）和间接加热式系统（图2），直接加热式系统即为水通过太阳能集热器直接加热后送入贮热水箱中备用；而间接加热式系统在太阳能集热系统中循环进行加热的不是供应给用户的生活热水，而是传热工质(即热媒），热媒通过热交换器再加热供给用户的生活热水系统。由上图比较可以看出，两者之间的差别在与间接加热系统中贮热水箱中的水不参与太阳能加热系统的循环，由防冻液介质间接加热水箱中的水，因此间接加热系统可用于冬季温度小于0℃地区，抗冻性能较好。如图2所示，太阳能间接加热系统由两个循环系统和一个辅热系统组成。循环1是由太阳能集热器、集热系统循环泵、定压膨胀罐、和相应管道阀门组成。循环介质为传热工质，温度控制器S1和S2分别设置在水箱底部和集热系统出水口，温度传感器的信号传送到控制器T1中。当二者温差大于某数值时（一般设定为5～10℃），控制器控制循环泵1开启，经太阳能集热器加热的传热工质将集热系统的热量传输到水箱，当二者温度差小于设定时（一般为2～5℃），循环泵停止工作。循环二是热水供应系统循环，以保证用水温度的均衡。辅热系统由电加热器及相应管道阀门组成，当冬天或阴雨天气，太阳能热水系统效能差时才使用。在采用辅助热源加热时，当储热水箱内的水温已达到设定水温时，水温通过控制器使电加热器停止，待储热水箱水温降到设定的低水温时再开启电加热器。
设计计算步骤和方法
1总耗热量
计算公式 Q总=qrmCρr (tr-tL) （2-3）
qr——设计日用热水量，按不高于建水规范中表5.1.1-1热水定额下限取值。
m——用水单位数
这里需要说明的是，设计小时耗热量与高日高时热水用量有关，但与太阳能热水系统供热量并无直接联系，由于太阳能热水系统的工作时间只能在有日照的时间，工作时间通常在4～8个小时（以武汉为例，其他气候区可查当地气象资料）。但需核实具体日照时间）。因此太阳能集热板在日间工作，将制备的热水储存在贮热水箱内，热水是由水箱供给，则系统在工作时长内的供热量不小于总耗热量即可，考虑到气象变化因素，为了提高保障性，可乘1.1～1.2的保险系数。
2 设计秒流量、热水循环流量：
（1）设计秒流量公式 qg= 0.2α（2-5）
（2）热水系统的热水循环流量计算，全天供应热水系统的循环流量按下式计算：
qx= QS/C
(L/h) （2-6）
式中：qx——循环流量，L/h；
C——水的比热，4.187KJ/(kg·℃)；
QS——配水管道系统的热损失KJ/h,可按设计小时耗热量的3%~5%采用；
——配水管道的热水温差，℃，一般取5~10℃；
3太阳能集热器总面积的确定
（1）直接式系统集热器总面积:
Ac= [QWcρr(tr-tL)ƒ]/[JTηj(1-ηL)] （2-7）
式中：
Ac——直接式系统集热器总面积，m2 ;
QW——日平均用热水量，L/d ;
ρr——热水密度，kg/L
;
tr——贮水箱内水的终止设计温度，60℃ ;
tL——水初始温度，按建水规范5.1.4采用 ;
ƒ——太阳能保证率，无量纲，根据系统使用期内的太阳辐照、系统经济性能及用户要求等因素综合考虑后确定，一般在0.30～0.80范围内。;
ηj——集热器年或月平均集热效率，无量纲，根据经验取0.45～0.50，具体取值根据集热产品的时间测试结果而定；
ηL——管路及贮水箱热损失率，无量纲，根据经验值取0.15～0.30。;
JT——集热器采光面上年平均太阳辐照量。
（2）间接式系统集热器总面积:
间接系统与直接系统相比，由于换热器内外存在传热温差，有部分热损失，因此间接系统的集热器面积需要补偿换算。 间接系统的集热器总面积AIN可按式（2-8）换算：
AIN=
Ac·[1+(FRULAc/KFjr)] （2-8）
式中：
Ac——直接式系统集热器总面积，m2 ;
FRUL——集热器总热损系数，KJ/ (m2·℃·h),平板型集热器取14.4～21.6,真空管集热器取3.6～7.2，具体数值根据集热器产品实际测试结果而定。;
K——换热器传热系数，KJ/ (m2·℃·h);
Fjr——换热器换热面积， m2;
4贮热水箱容积的确定
集中式太阳能热水系统白天工作将水加热储存至贮热水箱，夜间不工作，而晚上或早上为用水高峰期，则水箱容积可按最高日热水用量的100%来计，例如某II类宿舍为100人，最高日热水定额为55L/人·天，则水箱容积可设定为100×55=5500L。
案例举例
该项目位于湖南省长沙市，建筑类型为一栋10层宿舍，共计217间双人间，每间配有淋浴器及台上盆的独立卫生间，考虑采用直接加热式太阳能系统对生活用水进行加热，仅供洗漱和淋浴使用，现进行计算和选用太阳能系统设备。
热水设计参数：
a.
日最高热水用水定额：55L/（人.d）；
b. 设计热水温度：60oC
c.设计冷水温度：5 oC
1热水系统负荷计算
（1）设计小时供热量：取qr=55L/（人·d）；m=434人；c=4.187kJ/(kg·℃)；
tr
=60℃；tL
=5℃；ρr =0.9832
代入公式得总耗热量为： Q总=[mqrc(tr-tL)ρr]=5404555KJ
（2）系统设计日用水量：qrd=qrm=23870L/d
（3）设计小时耗热量：取Kh
=4.8得 Qh=Kh·Q总/24=1080911 KJ/h
2热水循环流量、设计秒流量计算
（1）全日供应热水系统的热水循环流量
取Qs=5%Qh；Δt=5℃(Qs为配水管道系统的热损失)
代入公式得 qx=Qs/
C
=2625L/h
（2）热水供水管的设计秒流量q（L/s）,
热水用水器具及给水当量计算可知：Ng=217，取α=2.5，
根据《建筑给排水设计规范》3.6.5条，按公式计算：
给水设计秒流量 q=0.2αNg0.5=0.2×2.5×1210.5=7.36 L/s eq\\r(2,x) \\*
MERGEFORMAT
3估算太阳能集热器面积
本系统为设定为直接式系统，若采用间接加热系统则需考虑换热损失，按间接系统集热器面积公式计算。
a.确定太阳能保证率f，取长沙地区太阳能保证率为f=0.40
b.确定管路及贮热水箱热损失率ηL太阳集热系统的集热器管路、换热器及水箱等主要部件均在室外，相对室内情况环境温度较低，故ηL取值0.25；
c.集热器年平均集热效率ηj确定
取Sy=5.5h；JT=10500kJ/m2
带入公式 G= JT /3600Sy=530.3w/
㎡（G为年均日辐照度）
归一化温差
X=(ti-ta)/G=0.0113 ㎡.℃/W
(ti = tL/3+2[f(tend-tL)+tL]/3=23.3℃; ta =16.5℃)
根据归一化温差查集热器生产厂家提供的集热器效率曲线图，
得ηj=0.4
取Qw =23870L/d；c=4.187KJ/kg.℃；ρr =0.9832kg/L；tend =60℃；
tL
=10℃；f=0.4;
JT=10500kJ/m2; ηL=0.25；ηj=0.4；
带入公式：Ac=[QWcρr(tr-tL)ƒ]/[JTηj(1-ηL)]
得 Ac=634.6 ㎡ 取整为 635㎡
小结
由以上计算步骤可知，决定太阳能集热器面积的主要因素为平均日热水总用量和各地太阳能辐照量，和设计小时耗热量无关。由于贮热水箱容积很大，因此辅助热源的供热量可按平均小时耗热量再乘以一个安全系数来确定。而管网的设计要根据热水的设计秒流量来定管径。由于研究深度和篇幅所限，笔者本身也还有没有弄清楚的地方，恳请各位同行进行交流斧正。愿与各位同行进一步的学习交流。”