宋金标，徐培，张波，姜浩

（兖矿东华重工有限公司，山东 济宁 273500）

东华重工工业园区设有油缸车间、结构件车间和装配车间，生产一线职工人数约1200 人，生产班次安排为两班制或三班制，作业现场有抛丸、焊接、喷漆等工序，处于粉尘及高温环境中。为改善职工的工作环境，满足职工洗浴要求，本着安全第一、优选节能的原则，在工业园区内设计并安装一套太阳能热水系统，利用太阳辐射能对用户用水进行加热，且只有在太阳光特别不足时才需要少量其他能源进行辅助加热，它的设计使用，对节约能源有特别重大的意义。

为集中管理，减少管路及电缆长度，降低温度及能量损耗，系统安装地点选择在结构件车间辅房。该辅房为二层建筑，东西长180m，南北宽10m，屋面高度约8m，南侧为结构件车间主厂房，建筑层数为一层，高度约14.6m(建筑室外地面到檐口与屋脊的平均高度)。

1 设计标准及要求

整套太阳能热水系统包括集热水箱、恒温水箱、平板集热器、水泵、换热器、辅助加热装置、控制系统及管路构成。太阳能平板集热器安装于结构件辅房楼顶，水箱放在楼面承重基础之上，系统设计主要遵循国家和地方的建筑节能和可再生能源应用设计标准，并满足或高于相关建筑节能设计标准。

鉴于冬季阳光照射时间短，厂房对照射到辅房屋顶的阳光有所遮挡，影响太阳能平板集热器加热效果，需考虑增加辅助加热装置。系统设计遵循优先使用太阳能加热、配套辅助加热装置的原则，分别对男女浴室进行热水供应。优先使用太阳能平板集热器进行加热，当太阳能集热器无法满足升温要求时，系统自动开启辅助加热装置进行加热。整套系统采用自动化、智能化控制方式，无须人员操作，出水恒温恒压，运行稳定可靠。

2 气象资料

项目地点位于济宁邹城市，暖温带半湿润大陆性季风气候，四季分明，雨热同季，属国家太阳辐照资源三类地区，选择太阳能保证率为50%。极端最低气温-16℃，极端最高气温40℃，以当地最冷月平均水温资料确定，选择地面水温4℃，地下水温10～15℃，全年太阳能日均辐照量为13.24KJ/（m2·d），全年有效光照时间为1971.3h/年，集热面积辐照量补偿比为100%。

3 水箱、太阳能平板集热器及换热器设计

按照洗浴热水温度55℃，每人每次洗浴热水用量确定为50m³，1200 名职工每天洗浴需要的热水量为60m³，男女洗澡间共设计120 个淋浴喷头。为降低能耗，选择1 个30m³的集热水箱和1 个30m³ 的恒温水箱。两水箱均采用优质SUS304 食品级不锈钢，厚度不低于2mm，方形拼装水箱现场焊接，密封性能优越，表面抛光，外形美观大气。

集热系统的换热量：

式中，QZ为指集热系统的换热量（W）；Kt为指太阳辐照度变化系数，一般取1.5～1.8,取高限时对太阳能利用有利；f 为指太阳能保证率；qrd为水使用量,60000L/d；C为指水的定压比热容，4.18KJ/（kg·℃）；pr为指水的密度，通常取1 kg/L；te.tr为分别是设计终止和初始温度，分别为55℃和15℃。

Sy为指年平均日日照小时数，取5.47h/d。代入数据计算得：

换热设备的换热面积计算：

式中，F 为指换热设备的换热面积（m2）；Cr为指集热系统的热损系数，一般取1.1～1.2；ε为指由于水垢和热媒分布不均影响热效率的系数，一般为0.6～0.8；Δtj为指热媒与被加热水的计算温度差，可按5～10℃取值,取8℃；k 为指传热系数,W/(m2·℃)，取3000W/(m2·℃)。

本项目要求每天产生60m³的热水，可选择太阳能平板集热器将太阳能收集利用，把太阳的辐射热量转化为介质的热量。根据太阳能厂家提供的参数，集热面积至少为480 m2，选择PFC1200M 型平板型集热器，单组集热面积为2 m2，共配置240 件平板集热器。

4 循环系统设计

太阳能热水系统中集热循环管路为闭合回路，管道计算流量为循环流量，按下列公式计算：

式中，Q 为循环流量，L/h；QS为集热循环流量，由于太阳辐照量的不确定性，联集管热水系统的集热循环流量无法准确计算，山东地区一般采用每平方米集热器的流量为50L/(h·m2)。

A 为太阳能集热器的总集热面积。

代入数据可得出Q=A.Qs=24000L/h

式中，d 为管径，m；Q 为流量，m3/s；V 为流速，1m/s。

代入公式可得出d=0.09m，本项目中取d=100mm，即集热水箱与换热器之间的热水循环管路直径均为100mm。

所有管道均选用薄壁不锈钢管，具有卓越的力学性能、超强的耐磨损性能、良好的耐温性能、内壁光滑水阻小，100%可回收再利用，使用寿命长，综合成本低，长期使用内壁不结垢，其保温性能是铜管的24 倍，外表面保温采用25mm 橡塑保温+铝皮保护，可大幅降低热水输送过程中的热量损耗。所有水泵均选用德国威乐品牌，兼顾安全与节能要求，全部为一用一备。

由于各地的水质情况不同，对于水质较差的地区，使用太阳热水系统时，将严重影响使用效果。鉴于公司所在地区水质较差，需要提前对自来水进行预处理，本设计中选用硅磷晶对供水进行软化处理，以确保系统工作稳定性，延长使用寿命。

5 控制系统及辅助加热装置设计

控制系统采用全自动智能控制控制系统，具有高温断续循环防炸管、防冻循环、防冻保护、故障自动报警、定时加热、定温加热、开机自检、高温防烫、恒温供水、水箱低水位保护、短路、过流、漏电保护等功能，控制柜具有防雷击、防漏水、远程监控等功能。

当水箱内的水温低于设定值时，相应的燃气热水器或集热器自动启动，当该水箱内水温升至55℃时停运。当恒温热水箱内的水位降至临界值H1 时系统自动报警，系统自动打开补水电磁阀，向恒温水箱供水；当恒温水箱内水位低于临界值H2 时热水供水泵停止运转；当热水箱水位补充至临界值H3 时，系统自动报警并并停止向热水箱供水，H1、H2、H3 数值均可根据实际需求进行调整。

当检测集热器温度探头检测到平板集热器防冻液和水箱水温温差≥10℃时，集热循环泵启动；当检测集热器温度探头检测温差≤5℃时，集热循环泵同时停止。

系统设有4G 网络数据传输模块，具有智能化控制与监测功能，能够通过手机APP 或电脑客户端实时监控整套太阳能系统的运行状态，如水泵的启停，流量、水温、水位、防冻等参数监测，集热水箱热媒管能够实现远程关停，确保管理人员能够准确了解太阳能系统运行状态。

辅助加热装置可选空气能、电加热、燃气锅炉、燃气热水器等方式，经实地调研北宿煤矿、济三煤矿等单位，考虑到冬季室外温度较低，本设计中选用12 台日本林内燃气热水器，并联使用，热效率≥88%，额定出水量不低于10m³/h（温升40℃时），可承受-25℃低温，最低动作水压10kPa,天然气供气压力2000kPa,能效等级符合GB20665 中2 级或2 级以上标准。最高出水温度≥75℃，防水等级不低于IPX6，采用正压排风，烟管直径Φ120×Φ80mm，设有CO 超标防止装置，自动调整风机转速，调节供氧量。并联后的燃气机组自带控制单元，可根据用水量、温差、加热时间自动开启相应的燃气热水器数量，也可通过表面的按键进行手动启动，有效延长燃气热水器使用寿命。

6 结语

本设计从实际洗浴需求出发，结合当地气候条件、热水温度要求和集热器参数计算出相应的平板集热器数量，并设置集热水箱、恒温水箱，增加燃气热水器机组作为辅助加热装置。

控制系统中增加4G 网络数据传输模块，实时监控各部分水温温度和系统运行情况，根据生产班次设定多个加热时间段、加热水温，最大限度地达到节能节水效果。设备安装过程中，选择合适的管道和水箱保温材料，保温性能提高40%以上。整套系统投入使用后，运行稳定，自动化、智能化程度非常高，较好地解决了职工热水需求，对于公司其他厂区热水系统的设计及安装起到了一定的指导作用。