太阳能热水系统常用换热器选型计算
来源：中国太阳能产业联盟网
一、换热设备简介
换热器是这样一种设备，温度不同的两种流体（气体或者液体）在换热器内流过时，为了防止它们之间的彼此混杂而用固体壁隔开，这样从进口到出口热量从热流体传至冷流体，热流体将被冷却，而冷流体将被加热。
适用于不同介质、不同工况、不同温度、不同压力的换热器，结构型式也不同，换热器按换热器的结构可分为：浮头式换热器、固定管板式换热器、U形管板换热器、板式换热器等。
换热器通常用在间接太阳能系统和辅助能源加热设备与太阳能系统辅助加热的系统中。在太阳能热水系统，尤其是间接式系统中应用比较多的是板式换热器和容积式换热器。
二、换热设备的选型计算
（一）基本方程
1、传热方程式
式中：
是换热器的换热量，W;
是换热器的传热系数，W/(㎡·℃)；
是换热器的换热面积,㎡；
是热媒与被加热水的计算温度差，即换热器换热表面的平均换热温度，℃；
2、热平衡方程式
式中：
C1是热媒的定压比热容;KJ/（㎏·℃）
C2是水的定压比热容;4.187KJ/（㎏·℃）
（二）换热器选型计算
换热设备计算主要是根据集热系统的换热量求得换热设备的换热面积。
太阳能热水系统中的换热器一般用在间接系统和辅助能源系统中。间接太阳能热水系统的换热设备涉及到换热器面积计算和二次侧水泵选型计算。首先须知集热系统换热量。
1、集热系统的换热量
式中
QZ指集热系统的换热量（W）；
Kt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指太阳能保证率。
qrd指用水定额,L/d;
C指水的定压比热容，4.18KJ/（㎏·℃）；
pr指热水的密度，通常取1㎏/L；
te、ti分别是热水终止和冷水水温，℃。
sy指年平均日日照小时数，可由图集《太阳能热水系统的设计与安装》06SS128上附表查取。
2、换热设备的换热面积计算
式中
F指换热设备的换热面积（㎡）；
Cr指集热系统的热损系数，一般取1.1~1.2；
注：当设备厂家提供经测试的K值时，应以厂家提供的值为准。
对不同的水加热器，热媒与被加热水的计算温度差计算方法不同。涉及到不同的换热器，单独计算温度差时，可按下式计算：
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；
2）快速式水加热器、半即热式水加热器
三、举例计算
1、间接系统换热量的计算
3、容积式换热器一般是作为辅助能源形式出现在太阳能系统中，它的选型应该按照太阳能系统在阴雨天完全不起作用时的情况计算。是按照容积式换热器所采用的常规能源方式来计算的。
举例：某酒店设有集中太阳能热水供应系统，采用立式半容积式水加热器做辅助能源，最大小时使用60℃的热水10600L/h，冷水温度为10℃，水加热器热水出水温度为60℃，密度为0.983kg/1，热媒蒸汽的压力为0.4MPa（表压），饱和蒸汽温度为151.1℃，热媒凝结水温度为75℃，热水供应系统的热损失系数采用1.1，水垢和热媒分布不均匀影响传热效率系数采用0.6，应选用容积为1.0m3、传热系数为1500W／（m2·℃）、盘管传热面积为5.lm2的热交换器几个。
解：1、求设计小时耗热量已知60℃的热水最大小时用水量为10600L/h，由《建筑给水排水设计规范》5.3.2式，计算设计小时耗热量
qrh——设计小时热水量（L/h）；
Qh——设计小时耗热量（W）；
tr——设计热水温度℃
tl——设计冷水温度℃
ρr——热水密度（kg/L）
Qh＝1.163(tr tl)ρr·qrh＝1.163（60－10）×0.983×10600＝605911W
2、求换热面积采用《建筑给水排水设计规范》5.4.6公式：
Fjr——表面式水加热器的加热面积（m2）；
Cr——热水供应系统的热损失系数采用1.1～1.15
Qz——制备热水所需的热量（W）；
ε——由于水垢和热媒分布不均匀影响传热效率的系数，一般采用0.6～0.8；
K——传热系数（W／（m2·℃））
Δtj——热媒与被加热水的计算温度差（℃）按《建筑给水排水设计规范》5.4.7水加热器热媒与被加热水的计算温度差，应按下式计算：
①容积式水加热器、半容积式水加热器（算术平均温度差，对流传热）：
tmc、tmz——热媒的初温和终温（℃）
tc、tz——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（平均对数温度差，传导传热）：
Δtmax——热媒与被加热水在水加热器一端的最大温度差（℃）
Δtmin——热媒与被加热水在水加热器另一端的最小温度差（℃）
（1）先求计算温差
（2）求换热面积为
4、求贮热容积
（l）该建筑为酒店，选用半容积式水加热器，热媒为蒸汽，查《建筑给水排水设计规范》表5.4.10，贮热时间为不小于15min。
V——计算贮热容积，m3Qh T——水加热器的贮热量：（T——贮热时间，min；Qh——设计小时耗热量，W）
tr——设计热水温度℃
tl——设计冷水温度℃
C——水的比热（J/kg·℃）
ρr——供应的热水密度（kg/L）
5、确定加热器个数
（1）按换热面积，需要的立式半容积式水加热器数量为
n＝9.49/5.1=1.86取2个
（2）按贮热容积，需要的立式半容积式水加热器数量为查《建筑给水排水设计规范》5.4.9-3，当采用半容积式水加热器时，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。故本题中的半容积式水加热器的容积附加系数为零，所以，
Vr＝（1+α）V=（1+0）×2.65＝2.65
Vr——贮热总容积，m3
V——计算贮热容积，m3
α——容积附加系数，《建筑给水排水设计规范》5.4.9确定
按贮热容积计算需要的立式半容积式水加热器数量为
n＝2.65/1.0=2.65取3个
（3）同时考虑换热面积和贮热体积需要3个。
