6.6 太阳能、热泵热水供应系统

6.6.1 太阳能热水系统的选择应遵循下列原则：
    1 公共建筑宜采用集中集热、集中供热太阳能热水系统；
    2 住宅类建筑宜采用集中集热、分散供热太阳能热水系统或分散集热、分散供热太阳能热水系统；
    3 小区设集中集热、集中供热太阳能热水系统或集中集热、分散供热太阳能热水系统时应符合本标准第6.3.6条的规定；太阳能集热系统宜按分栋建筑设置，当需合建系统时，宜控制集热器阵列总出口至集热水箱的距离不大于300m；
    4 太阳能热水系统应根据集热器构造、冷水水质硬度及冷热水压力平衡要求等经比较确定采用直接太阳能热水系统或间接太阳能热水系统；
    5 太阳能热水系统应根据集热器类型及其承压能力、集热系统布置方式、运行管理条件等经比较采用闭式太阳能集热系统或开式太阳能集热系统；开式太阳能集热系统宜采用集热、贮热、换热一体间接预热承压冷水供应热水的组合系统；
    6 集中集热、分散供热太阳能热水系统采用由集热水箱或由集热、贮热、换热一体间接预热承压冷水供应热水的组合系统直接向分散带温控的热水器供水，且至最远热水器热水管总长不大于20m时，热水供水系统可不设循环管道；
    7 除上款规定外的其他集中集热、集中供热太阳能热水系统和集中集热、分散供热太阳能热水系统的循环管道设置应按本标准第6.3.14条执行。
6.6.2 太阳能集热系统集热器总面积的计算应符合下列规定：
    1 直接太阳能热水系统的集热器总面积应按下式计算：     式中：A_jz——直接太阳能热水系统集热器总面积(㎡)；
              Q_md——平均日耗热量(kJ/d)，按本标准式(6.6.3)计算；
              f——太阳能保证率，按本标准第6.6.3条第3款确定；
              b_j——集热器面积补偿系数，按本标准第6.6.3条第4款确定；
              J_t——集热器总面积的平均日太阳辐照量[kJ/(㎡·d)]，可按本标准附录H确定；
              η_j——集热器总面积的年平均集热效率，按本标准第6.6.3条第5款确定；
              η₁——集热系统的热损失，按本标准第6.6.3条第6款确定。
    2 间接太阳能热水系统的集热器总面积应按下式计算：    式中：A_jj——间接太阳能热水系统集热器总面积(㎡)；
              UL——集热器热损失系数[kJ/(㎡·℃·h)]应根据集热器产品的实测值确定，平板型可取14.4[kJ/(㎡·℃·h)]～21.6[kJ/(㎡·℃·h)]；真空管型可取3.6[kJ/(㎡·℃·h)]～7.2[kJ/(㎡·℃·h)]；
              K——水加热器传热系数[kJ/(㎡·℃·h)]；
              F_jr——水加热器加热面积(㎡)。
6.6.3 太阳能热水系统主要设计参数的选择应符合下列规定：
    1 太阳能热水系统的设计热水用水定额应按本标准表6.2.1-1平均日热水用水定额确定。
    2 平均日耗热量应按下式计算：    式中：q_mr——平均日热水用水定额[L/（人·d），L/（床·d）]见表6.2.1-1；
              m——用水计算单位数（人数或床位数）；
              b₁——同日使用率（住宅建筑为入住率）的平均值应按实际使用工况确定，当无条件时可按表6.6.3-1取值。
              ——年平均冷水温度(℃)，可参照城市当地自来水厂年平均水温值计算。    注：分散供热、分散集热太阳能热水系统的b₁＝1。
    3 太阳能保证率f应根据当地的太阳能辐照量、系统耗热量的稳定性、经济性及用户要求等因素综合确定。太阳能保证率f应按表6.6.3-2取值。    注：1 宿舍、医院、疗养院、幼儿园、托儿所、养老院等系统负荷较稳定的建筑取表中上限值，其他类建筑取下限值。
           2 分散集热、分散供热太阳能热水系统可按表中上限取值。
    4 集热器总面积补偿系数b_j应根据集热器的布置方位及安装倾角确定。当集热器朝南布置的偏离角小于或等于15℃，安装倾角为当地纬度ψ±10℃时，b_j取1；当集热器布置不符合上述规定时，应按照现行的国家标准《民用建筑太阳能热水系统应用技术标准》GB 50364的规定进行集热器面积的补偿计算。
    5 集热器总面积的平均集热效率η_j应根据经过测定的基于集热器总面积的瞬时效率方程在归一化温差为0.03时的效率值确定。分散集热、分散供热系统的η_j经验值为40％～70％；集中集热系统的η_j应考虑系统型式、集热器类型等因素的影响，经验值为30％～45％。
    6 集热系统的热损失η₁应根据集热器类型、集热管路长短、集热水箱（罐）大小及当地气候条件、集热系统保温性能等因素综合确定，当集热器或集热器组紧靠集热水箱（罐）时，η₁取15％～20％；当集热器或集热器组与集热水箱（罐）分别布置在两处时，η₁取20％～30％。
6.6.4 集热系统的设置应符合现行国家标准《民用建筑太阳能热水系统应用技术标准》GB 50364的规定。
6.6.5 集热系统附属设施的设计计算应符合下列规定：
    1 集中集热、集中供热太阳能热水系统的集热水加热器或集热水箱（罐）宜与供热水加热器或供热水箱（罐）分开设置，串联连接，辅热热源设在供热设施内，其有效容积应按下列计算：
        1)集热水加热器或集热水箱（罐）的有效容积应按下式计算：    式中：V_rx——集热水加热器或集热水箱（罐）有效容积(L)；
              A_j——集热器总面积(㎡)，A_j＝A_jz或A_j＝A_jj；
              q_rjd——集热器单位轮廓面积平均日产60℃热水量[L/(㎡·d)]，根据集热器产品的实测结果确定。当无条件时，根据当地太阳能辐照量、集热面积大小等选用下列参数：直接太阳能热水系统q_rjd＝40L/(㎡·d)～80L/(㎡·d)；间接太阳能热水系统q_rjd＝30L/(㎡·d)～55L/(㎡·d)。
        2)供热水加热器或供热水箱（罐）的有效容积应按本标准第6.5.11条确定。
    2 分散集热、分散供热太阳能热水系统采用集热、供热共用热水箱（罐）时，其有效容积应按本标准式(6.6.5-1)计算。热水箱（罐）中设置辅热元件时，应符合本标准第6.6.6条的规定，其控制应保证有利于太阳能热源的充分利用。
    3 集中集热、分散供热太阳能热水系统，当分散供热用户采用容积式热水器间接换热冷水时，其集热水箱的有效容积宜按下式计算：    式中：V_rx1——集热水箱的有效容积(L)；
              m₁——分散供热用户的个数（户数）；
              V_rx2——分散供热用户设置的分户容积式热水器的有效容积(L)，应按每户实际用水人数确定，一般V_rx2取60L～120L。
    V_rx1除按上式计算外，还宜留有调节集热系统超温排回的一定容积。其最小有效容积不应小于3min热媒循环泵的设计流量且不宜小于800L。
    4 集中集热、分散供热太阳能热水系统，当分散供热用户采用热水器辅热直接供水时，其集热水箱的有效容积应按本标准式(6.6.5-1)计算。
    5 强制循环的太阳能集热系统应设循环水泵，其流量和扬程的计算应符合下列规定：
        1)集热循环水泵的流量等同集热系统循环流量可按下式计算：     式中：q_x——集热系统循环流量(L/s)；
              q_gz——单位轮廓面积集热器对应的工质流量[L/(㎡·s)]，按集热器产品实测数据确定。当无条件时，可取0.015L/(㎡·s)～0.020L/(㎡·s)。
        2)开式太阳能集热系统循环水泵的扬程应按下式计算：    式中：H_b——循环水泵扬程(kPa)；
              h_jx——集热系统循环流量通过循环管道的沿程与局部阻力损失(kPa)；
              h_j——集热系统循环流量通过集热器的阻力损失(kPa)；
              h_z——集热器顶与集热水箱最低水位之间的几何高差(kPa)；
              h_f——附加压力(kPa)，取20kPa～50kPa。
        3)闭式太阳能集热系统循环水泵的扬程应按下式计算：    式中：h_e——循环流量通过集热水加热器的阻力损失(kPa)。
    6 集中集热、集中供热的间接太阳能热水系统的集热系统附属集热设施的设计计算宜符合下列规定：
        1)当集热器总面积A_j小于500㎡时，宜选用板式快速水加热器配集热水箱（罐），或选用导流型容积式或半容积式水加热器集热；
        2)当集热器总面积A_j大于或等于500㎡时，宜选用板式水加热器配集热水箱集热；
        3)集热系统的水加热器的水加热面积应按本标准式(6.5.7)计算确定；
        4)热媒与被加热水的计算温度差△t_j可按5℃～10℃取值。
    7 太阳能集热系统应设防过热、防爆、防冰冻、防倒热循环及防雷击等安全设施，并应符合下列规定：
        1)太阳能集热系统应设放气阀、泄水阀、集热介质充装系统；
        2)闭式太阳能热水系统应设安全阀、膨胀罐、空气散热器等防过热、防爆的安全设施；
        3)严寒和寒冷地区的太阳能集热系统应采用集热系统倒循环、添加防冻液等防冻措施；集中集热、分散供热的间接太阳能热水系统应设置电磁阀等防倒热循环阀件。
    8 集热系统的管道、集热水箱等应作保温层，并应按当地年平均气温与系统内最高集热温度或贮水温度计算保温层厚度。
    9 开式太阳能集热系统应采用耐温不小于100℃的金属管材、管件、附件及阀件；闭式太阳能集热系统应采用耐温不小于200℃的金属管材、管件、附件及阀件。直接太阳能集热系统宜采用不锈钢管材。
6.6.6 太阳能热水系统应设辅助热源及加热设施，并应符合下列规定：
    1 辅助热源宜因地制宜选择，分散集热、分散供热太阳能热水系统和集中集热、分散供热太阳能热水系统宜采用燃气、电；集中集热、集中供热太阳能热水系统宜采用城市热力管网、燃气、燃油、热泵等。集热、辅热设施宜按本标准第6.6.5条第1款和第2款的规定设置；
    2 辅助热源的供热量宜按无太阳能时参照本标准第6.4.3条设计计算；
    3 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；
    4 辅助热源的水加热设备应根据热源种类及其供水水质、冷热水系统型式采用直接加热或间接加热设备。
6.6.7 当采用热泵机组供应热水时，其设计应符合下列规定：
    1 水源热泵热水供应系统设计应符合下列规定：
        1)水源热泵应选择水量充足、水质较好、水温较高且稳定的地下水、地表水、废水为热源；
        2)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；
        3)水源热泵的设计小时供热量应按下式计算：    式中：Q_g——水源热泵设计小时供热量(kJ/h)；
              q_r——热水用水定额[L/（人·d）或L/（床·d）]，按不高于本标准表6.2.1-1的最高日用水定额或表6.2.1-2中用水定额中下限取值；
              T₅——热泵机组设计工作时间(h/d)，取8h～16h。
        4)水源水质应满足热泵机组或水加热器的水质要求，当其不满足时，应采取有效的过滤、沉淀、灭藻、阻垢、缓蚀等处理措施。当以污水、废水为水源时，尚应先对污水、废水进行预处理。
    2 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的相关规定。
    3 水源热泵宜采用快速水加热器配贮热水箱（罐）间接换热制备热水，设计应符合下列规定：
        1)全日集中热水供应系统的贮热水箱（罐）的有效容积应按下式计算：     式中：V_r——贮热水箱（罐）总容积(L)；
              k₁——用水均匀性的安全系数，按用水均匀性选值，k₁＝1.25～1.50。
        2)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热水的全部热水量；
        3)快速水加热器的加热面积应按本标准式(6.5.7)计算，板式快速水加热器K值应为3000[kJ/(㎡·℃·h)]～4000[kJ/(㎡·℃·h)]，管束式快速水加热器K值应为1500[kJ/(㎡·℃·h)]～3000[kJ/(㎡·℃·h)]，△t_j应为3℃～6℃。
       4)快速水加热器两侧与热泵、贮热水箱（罐）连接的循环水泵的流量和扬程应按下列公式计算：     式中：q_xh——循环水泵流量(L/s)；
              k₂——考虑水温差因素的附加系数， k₂＝1.2～1.5；
              △t——快速水加热器两侧的热媒进水、出水温差或热水进水、出水温差，可按△t＝5℃～10℃取值；
              H_b——循环水泵扬程(kPa)；
              h_xh——循环流量通过循环管道的沿程与局部阻力损失(kPa)：
              h_e1——循环流量通过热泵冷凝器、快速水加热器的阻力损失(kPa)，冷凝器阻力由产品提供，板式水加热器阻力为40kPa～60kPa。
    4 水源热泵机组布置应符合下列规定：
        1)热泵机房应合理布置设备和运输通道，并预留安装孔、洞；
        2)机组距墙的净距不宜小于1.0m，机组之间及机组与其他设备之间的净距不宜小于1.2m，机组与配电柜之间净距不宜小于1.5m；
        3)机组与其上方管道、烟道或电缆桥架的净距不宜小于1.0m；
        4)机组应按产品要求在其一端留有不小于蒸发器、冷凝器中换热管束长度的检修位置。
    5 空气源热泵热水供应系统设计应符合下列规定：
        1)最冷月平均气温不小于10℃的地区，空气源热泵热水供应系统可不设辅助热源；
        2)最冷月平均气温小于10℃且不小于0℃的地区，空气源热泵热水供应系统宜采取设置辅助热源，或采取延长空气源热泵的工作时间等满足使用要求的措施；
        3)最冷月平均气温小于0℃的地区，不宜采用空气源热泵热水供应系统；
        4)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、低能耗热源；
        5)辅助热源应只在最冷月平均气温小于10℃的季节运行，供热量可按补充在该季节空气源热泵产热量不满足系统耗热量的部分计算；
        6)空气源热泵的供热量可按本标准式(6.6.7-1)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水温度计算；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。
        7)空气源热泵采取直接加热系统时，直接加热系统要求冷水进水总硬度（以碳酸钙计）不应大于120mg/L，其贮热水箱（罐）的总容积应按本标准式(6.6.7-2)计算。
    6 空气源热泵机组布置应符合下列规定：
        1)机组不得布置在通风条件差、环境噪声控制严及人员密集的场所；
        2)机组进风面距遮挡物宜大于1.5m，控制面距墙宜大于1.2m，顶部出风的机组，其上部净空宜大干4.5m；
        3)机组进风面相对布置时，其间距宜大于3.0m。
条文说明6.6.1 本条编制的总原则为：太阳能热水系统应适用，规模宜小。
    旅馆、医院等公建因使用要求较高，且管理水平较好宜采用集中集热、集中供热太阳能热水系统。而普通住宅因存在管理困难，收费矛盾等众多难题宜采用集中集热、分散供热太阳能热水系统或分散集热、分散供热太阳能热水系统。
    根据奥运村、亚运城等国内大、中型集中太阳能热水系统的设计、运行经验，采用闭式太阳能集热系统、系统承压高温运行是引起系统爆管、集热失效、气堵低效、运行能耗大、故障多的原因。
    5 本款新增了“开式太阳能热水系统宜采用集热、贮热、换热一体间接预热承压冷水供应热水的组合系统”的规定。这是国内有关科研设计企业经过多年的科研、设计、研发的一种新系统，其核心部件是集热、贮热、换热一体的贮筒式组合集热器，这种新型集热系统因不需采用机械循环而使系统大大简化，较好地解决了上述现有太阳能集热系统存在的问题。其系统图示如图9、图10所示，图9为不设循环系统的图式，图10为设干管和立管循环的图式。 
图9 不设循环系统的集中集热分散供热太阳能热水系统示意图
1-集热、贮热、换热组合集热器；2-冷水管；3-恒温混合阀；
4-灭菌消毒装置；5-水表；6-带温控的热水器  
图10 带干管和立管循环的集中集热分散供热太阳能热水系统示意图
1-集热、贮热、换热组合集热器；2-冷水管；3-恒温混合阀；
4-灭菌消毒装置；5-水表；6-带温控的热水器；7-循环水泵    6 本款规定了集中集热、分散供热太阳能热水系统，在满足条款规定的条件下，供热水管道部分可不设循环管道。理由是用户终端均设有带温控的热水器辅热供水，用水时先由热水器加热供水，由于太阳能热水箱(图9中组合集热器)至辅热设施连管短，随着供热水管中的冷水放尽后，太阳能热水立即补水。这样不浪费水，又节能，且系统大大简化，有利于解决目前住宅集中太阳能热水系统的设计、施工和使用存在的问题。当不满足以上条件时，宜按图10设干管和立管循环系统。
6.6.3 太阳能是一种低密度、不稳定、不可控的热源，其热水系统不能按常规热源热水系统设计。因此，太阳能热水系统尤其是集中太阳能热水系统的集热器总面积计算等参数的合理选择是整个系统是否节能、经济，是否能正常运行的重要因素。
    平均日耗热量Q_md的计算公式中引入了常规热源热水系统不同或没有的参数，平均日热水用水定额q_mr、同日使用率b₁是反映实际用热水量的参数，因为在常规热源热水系统的设计计算时，往往是按满负荷即按设计用水人数计算，如住宅100户，每户3.5人，则设计用水人数为350人。而住宅实际入住率按相关统计资料得知b₁≈0.7，实际用水人数只有245人，这样仅此一项，集热器总面积的计算就相差约30％。同理，冷水温度选用年平均值也是为了合理选用集热器总面积。尤其是以地表水为源水的冷水年平均温度与表6.2.5所列冷水计算温度相差较大，如南京市二者相差约15℃，相应计算所得的集热器总面积相差约26％。按上两例计算的集热器总面积即可少选约60％。
    年平均冷水温度可向当地自来水公司查询，也可按相关设计手册中提供的水温月平均最高值和最低值的平均值计算，如当地无此参数时，可参照临近城市的参数取值。
    太阳能保证率f取值表源于《民用建筑太阳能热水系统工程技术手册》。设计时可按表6.6.3-2及注选值。
    集热器总面积补偿系数b_j是考虑集热器布置偏离正南方向和安装角度偏离太阳光直射角度较大，即集热器得到的实际太阳光热能小于太阳能辐照量较大时，应增加集热器总面积。其具体计算参见现行国家标准《民用建筑太阳能热水系统应用技术规范》GB 50364或《民用建筑太阳能热水系统工程技术手册》。
    集热器总面积的平均集热效率ηj，分散集热、分散供热系统因集热器只有单组或几组组成，连接简单，引起集热系统短路循环、气堵等运行故障概率少，因此其η_j可按单组集热器经正规实测并经计算确定，也可按条文的经验数据取值。集中集热系统因集热器多组串、并联布置，连接管路复杂，尤其是采用真空管集热器的闭式承压系统，存在短路循环、气堵、集热效率衰退等多种运行不利因素，因此η_j是很难用计算得出，只有通过参照已有的集中集热系统的实测数据选取。
    条文中给出经验值30％～45％，源于北京奥运村、广州亚运城的集中集热、集中供热太阳能热水系统，其实测平均值分别为：η_j＝0.40～0.48，η_j＝0.32～0.36。
    此外，式中J_t取年平均日太阳能辐照量，设计宜按当地7月(最热月)的月平均日太阳能辐照量、地表水冷水温度复核太阳能集热系统的热量，以防系统过热。
6.6.5 本条是集热系统附属设施的设计规定。
    6 本款选用板式快速水加热器配集热水罐或导流型容积式水加热器、半容积式水加热器集热时可利用系统冷水压力，不需另加热水增压供水泵，且有利于系统冷热水压力平衡。但当系统较大时，设备占地大，一次投资大，宜采用板式快速水加热器配集热水箱集热。因此，提出以A_j≈500㎡为界分别选取。
    9 本款对集热系统选用管材，按开式系统、闭式系统分别作了规定。因开式系统不承压、集热温度小于或等于100℃。闭式系统根据工程实测，最高集热温度约为200℃，因此对其管材及附件等分别提出了耐温要求。
6.6.7 本条是热泵机组供热的规定。
    1 本款计算水源热泵的设计小时供热量的式(6.6.7-1)中T5取8h～16h，设计时，可根据系统是否设置辅助热源来取值。不设辅助热源时，T5宜取8h～12h；设辅助热源的空气源热泵系统T5宜取16h，这样既可使无辅助热源系统通过延长热泵工作时间保证高峰日用水，又可使设辅助热源系统选择热泵机组经济合理。
    3 本款系根据现有采用水源热泵制备生活热水的工程常用系统形式作出的规定，由于热泵制热的冷凝器的换热管束管径很小，如用直接加热供水系统，易受热水水质影响结垢腐蚀热泵效率衰减，使用寿命缩短，因此宜采用间接换热供水系统。另外，热泵热媒水温度一般小于或等于60℃，经一次换热很难交换出大于或等于50℃的热水，工程中一般采用板式水加热器配贮热水箱(罐)循环换热，获得大于或等于50℃的热水。
    最冷月平均气温小于0℃的地区，空气源热泵冬季运行COP值一般低于1.5，达不到商用空气源热泵COP≥1.8的要求，使用不经济、不合理，故此类地区不推荐采用空气源热泵系统。