一．引言
　　由于人类社会的不断发展，世界能源供应形势越来越严峻，地球的环境压力也越来越大，低排放的再生清洁能源在能源供应中占越来越重要的地位。太阳能具有以下优点：可直接开发和利用、无污染、用之不竭等。深圳市太阳能辐照量丰富，年均约为5225MJ/㎡。本文以某小学宿舍增加太阳能热水系统工程对太阳能热水系统设计进行研究与分析。

二．工程概况。
　　本项目地处深圳市南山区，性质为学生宿舍，地上6层，建筑高度21.6m，总建筑面积为2000㎡，屋面建筑面积为426㎡。

三．太阳能热水系统介绍。
　　本项目热水系统采用定时供水系统，每天16：00～20：30时段供应热水。
　　本项目屋顶设置太阳能热水系统供本栋宿舍的淋浴使用，辅助热源采用空气源热泵。系统设计原理为：冷水进入贮热水箱，当集热器进出口温差大于6℃(可调)时，开启集热系统循环泵使贮热水箱的水经过集热器被不断加热；如此循环往复，直至贮热水箱的水温达到设定值时，再由供热水箱补水泵将贮热水箱中达到设定温度的热水强制送入供热水箱；供热水箱在各个设定时段应该储存一定量的热水，若供热水箱水温小于60℃，热泵启动，直至供热水箱内水温达到60℃；在定时供水时段，用户再直接从供热水箱中获取满足要求的热水。

四．太阳能热水系统设计计算。
　　本项目设计用水规模按500人设计，全楼公共淋浴间共75个淋浴器。平均日用水量取40m³，最高日用水量取50m³。年平均太阳能辐射量取5225MJ/m，贮水箱和管路的热损失率不大于0.22。深圳市冬至日正午12时的太阳高度角为44°03’，则太阳能集热板安装方位角与屋面取30°角。
　　集热器前后排最小距离：D=H×cotaS=2×sin30°×1.04=1.04m。
　　日均用水量：500×40=20m³
　　根据日均用水量为20m³，设置2个有效容积为10m³的供热水箱，内直径为3.2m，最高水位为1.3m。1个有效容积为5m³的贮热水箱，内直径为2.3m，最高水位均为1.3m。
　　集热器总面积计算公式见（1）式：
　　（1）
　　——直接加热集热器总面积，㎡；
　　——日均用水量，kg；
　　——水的定压比热容，取4.187KJ/（Kg.℃）；
　　——贮热水箱内水的设计温度，取60℃；
　　——水的初始温度，取15℃；
　　——集热器正南朝向且倾角为当地维度时，单位面积集热器采光面上的年平均日太阳或月平均日辐照量，取14.3MJ/㎡；
　　f——太阳能保证率%，取50%；
　　——太阳能集热器年平均集热效率；取0.48；
　　——管路及贮水箱的热损失率；取0.22；
　　则本项目需要集热器的面积为：
　　根据建筑屋面面积大小，屋面可设置2×1m的平板集热器116块，故集热器的实际总面积为232㎡。
　　则太阳能实际保证率：0.5×（232÷352）×100%=32%
　　空气源热泵的设计小时供热量计算公式见（2）式：
　　（2）
　　式中：——热泵设计小时供热量，KJ/h；
　　——热水用水定额，L/人.d；
　　m——用水计算单位数，人；
　　——热水温度，；
　　——冷水温度，=15℃；
　　——热泵机组设计工作时间，取9.5h/d；
　　——安全系数，取1.10；
　　空气源热泵的热损失系数取0.7。
　　则本项目空气源热泵的设计小时供热量为：
　　由于本项目是已建成的项目，选设备时应考虑结构的承重受力，尽量避免选过重的设备。因此本项目选6台制热量为36KW的空气源热泵机组，每3台热泵为一组，采用并联的加热方式加热，6×36=216>213KW，满足设计要求。
　　本项目的计算简图见附图（1）:
　　（泵3）空气源热泵系统循环泵计算：
　　空气源热泵系统循环泵流量计算公式见（3）式：
　　（3）
　　式中：——热泵机组设计循环流量，m³/h；
　　——热泵机组的设计小时平均秒供热量，Kw；
　　——热泵机组的进出口温差（℃），取5℃；
　　——安全系数，可取1.10。
　　则空气源热泵系统循环泵流量为：
　　扬程计算为：
　　水泵选型：可根据流量大于7m³/h，扬程大于10m，选择2台一样的水泵，一用一备。
　　（泵1）集热系统循环泵计算：
　　集热系统循环泵流量计算公式见（4）式：
　　（4）
　　式中：——集热系统循环流量，L/s；
　　——单位采光面积集热器对应的工质流量L/(s.㎡)，本项目取0.02L/(s.㎡)。
　　则集热系统循环泵流量为：
　　水泵选型：可根据流量大于16.7m³/h，扬程约30m，选择2台一样的水泵，一用一备。
　　（泵2）热水过渡泵计算：
　　水泵选型：可根据本项目水箱容积大小及管路长度，按流量约20m³/h，扬程约15m，选择2台一样的水泵，一用一备。
　　（泵4）热水系统供水泵：
　　设计秒流量计算公式见（5）式：
　　（5）
　　式中：——设计秒流量，L/s；
　　——同类型的一个卫生器具给水额定流量，L/s；
　　——同类型卫生器具数；
　　——同类型卫生器具的同事给水百分数。
　　则热水系统供水泵设计秒流量为：
　　水泵选型：可根据流量大于27m³/h，扬程约220m，选择2台一样的水泵，一用一备。
　　隔膜式气压罐：φ800，PN1.6。

五．太阳能热水系统控制
　　在太阳能热水系统设计中，在供水时段不影响热水使用要求的前提下，何时启用辅助热源，使得太阳能利用率达到最大化，这与系统的控制有着密切的关联。在本项目中，采用分时段来控制，可以达到在一定程度上充分利用太阳能的目的。
　　贮热水箱冷水进水管上电磁阀M1控制原理：
　　a.当贮热水箱水位ha≥1.25m时，电磁阀M1关闭；
　　b.当泵2未运行且ha<1.2m时，电磁阀M1开启。
　　贮热水箱热水回水管上电磁阀M2控制原理：
　　a.当T4≥55℃（可调）时，电磁阀M2关闭；
　　b.当T4≤50℃（可调）时，电磁阀M2开启。
　　供水泵吸水总管上电磁阀M3控制原理：
　　a.20:30～16：00时段：电磁阀M3关闭；
　　b.16:00～20：30时段：电磁阀M3开启。
　　太阳能集热系统循环泵(泵1)控制原理：
　　a.当T1-T2≥6℃（可调）时，泵1启动；
　　b.当T1-T2<2℃（可调）时，泵1关闭。
　　热水过渡泵（泵2）控制原理：
　　a.当T2≥55℃（可调）时，泵2开启；当供热水箱水位h≥1.3m时，或贮热水箱达到低水位0.10m时，泵2关闭；
　　b.9:30时刻:当供热水箱水位hc.11:00时刻:当供热水箱水位hd.12:30时刻:当供热水箱水位h