太陽能熱水系統(tǒng)設計

1、課 程 設 計 報 告 書 專 用 紙1 項目設計原則太陽能集熱器設計項目應遵循以下幾方面的設計原則，科學設計太陽熱水系統(tǒng)，使其達到合理、可靠、先進。（1） 遵守國家相關法律、法規(guī)及太陽能、給排水、采暖和土建等專業(yè)的相關標準、規(guī)范。（2） 綜合考慮產(chǎn)品、系統(tǒng)的技術先進性、運行可靠性、經(jīng)濟性、使用便利性和使用壽命等各方面因素，選擇實用、經(jīng)濟的方案。（3） 系統(tǒng)設計應安全可靠，內(nèi)置加熱系統(tǒng)必須帶有保證使用安全的裝置，并根據(jù)不同地區(qū)采取防凍、防結露、防過熱、防雷、防雹、抗風、抗震等技術措施。 （4） 安裝在建筑上或直接構成建筑圍護結構的太陽能集熱器，應有防止熱水滲漏的安全保障措施；應設置防止太陽能集

2、熱器損壞后部件墜落傷人的安全防護設施；集熱器不應跨越建筑變形縫設置。 （5） 太陽能熱水系統(tǒng)的給水應對超過有關標準的原水做水質(zhì)軟化處理。 （6） 安裝在建筑上的太陽能熱水系統(tǒng)不得影響該部位的建筑功能，并應與建筑協(xié)調(diào)一致，保持建筑統(tǒng)一和諧的外觀；應避免集熱器的反射光對附近建筑物引起的光污染。 （7） 太陽能熱水系統(tǒng)的管線應有組織布置，做到安全、隱蔽、易于檢修；為減少熱損及循環(huán)阻力，循環(huán)管路尤其熱水循環(huán)管路應盡量短而少彎；為了達到流量平衡和減少管路熱損，繞行的管路應是冷水管或低溫水管；管路的通徑面積應與并聯(lián)的集熱器或集熱器組管路通徑面積的總和相適應。 （8） 太陽能熱水系統(tǒng)的結構設計應為太陽能熱水

3、系統(tǒng)安裝埋設預埋件或其他連接件；輕質(zhì)填充墻不應作為太陽能熱水系統(tǒng)的支承結構。儲水箱和集熱器的安裝位置應使其在滿載情況下分別滿足建筑物上其所處部位的承載要求，必要時應請建筑結構專業(yè)人員復核建筑載荷。 2 項目設計要求 鑒于該項目為連云港地區(qū)太陽能工程項目，并采用電輔助能源熱水系統(tǒng)用于日常生活使用的特點，我認為，該項目設計要求有以下幾點：（1） 根據(jù)圖紙的要求，在不影響樓房外觀的情況下，合理設計太陽能熱水系統(tǒng)， 太陽能集熱系統(tǒng)布置方式、色彩等應盡可能做到與建筑相協(xié)調(diào)。（2） 系統(tǒng)采用樓面太陽能集中集熱方式， 春、夏、秋、冬晴天以太陽能制熱為主，以電輔助加熱為輔。要求24小時熱水供應，打開龍頭既有熱

4、水。（3） 系統(tǒng)應備有超壓保護、低溫保護、過熱保護等功能。（4） 系統(tǒng)應保證全天供應熱水，并考慮在高峰用水情況下，確保熱水供應問題，循環(huán)供水方式打開淋浴頭進出熱水。（5） 系統(tǒng)設計應考慮優(yōu)先利用太陽能源加熱熱水；當太陽能不足時，再利用輔助能源補充熱能，以達到環(huán)保和節(jié)能降耗的目的。（6） 要綜合考慮建筑設計，合理選擇太陽能和其他主要設備的放置位置。（7） 太陽能系統(tǒng)和電輔助加熱系統(tǒng)應可靠、耐用、方便管理。（8） 在保證工程質(zhì)量的前提下，盡可能降低工程造價，提高工程的性價比。3. 項目設計依據(jù)（1） GB50015-2003建筑給水排水設計規(guī)范（2） GB/T50364-2005民用建筑太陽能熱水

5、系統(tǒng)應用技術規(guī)范（3） GB/T20095-2006太陽能熱水系統(tǒng)性能評價規(guī)范（4） GB/T4271-2007 太陽能集熱器性能實驗方法（5） GB/T18713-2002太陽能熱水系統(tǒng)設計、安裝及工程驗收技術規(guī)范（6） 0017-2003鋼結構設計規(guī)范（7） B5009-2001建筑結構載荷規(guī)范（8） B50207-2002屋面工程質(zhì)量驗收規(guī)范（9） 50205-2001鋼結構工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范（10）50242-2002建筑給水排水及采暖工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范（11）50303-2002建筑電氣安裝工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范（12）50300建筑工程施工質(zhì)量驗收統(tǒng)一標準（13） GB/T427

6、1-2007 太陽能集熱器性能實驗方法（14） GB/T17581-1998真空管太陽集熱器（15） NY/514-2002家用太陽熱水器儲水箱（16） GB/T18708-2002家用太陽熱水系統(tǒng)熱性能試驗方式（17） NY/T343-1998家用太陽熱水器技術條件（18） NY/T6510-2002家用太陽熱水系統(tǒng)安裝、運行維護技術規(guī)范（19） NY/T513-2002家用太陽熱水器電輔助熱源4項目基本設計 （1）根據(jù)連云港地區(qū)冬季寒冷結冰的特點，選用抗凍性強、熱效率高、安全可靠的熱管真空管型集熱器。（2）太陽能系統(tǒng)設計為定溫加溫差循環(huán)太陽熱水系統(tǒng)，達到充分利用太陽能，系統(tǒng)集熱效率高；電輔

7、助加熱采用溫控方式作為太陽能熱水系統(tǒng)輔助能源。（3）冬季采用自限溫伴熱帶防止管路結冰凍壞。（4）供水承壓供水，供水方式簡單、方便。（5）采用先進的中央快速熱水器作為太陽能的補充能源，當遇陰雨天氣太陽能不足時系統(tǒng)自動切換至電輔助加熱模式，客人的全天候用水需求。（6） 采用工業(yè)級可編程電腦控制器，實現(xiàn)太陽能和輔助加熱系統(tǒng)的全自動化、智能化，確保控制系統(tǒng)的可靠性，實現(xiàn)自動化運行，并具有可以根據(jù)用戶的實際需要，任意修改控制程序，使系統(tǒng)實現(xiàn)真正意義上的全自動控制和智能化管理。5項目具體設計5.1 連云港地區(qū)氣象參數(shù)、太陽能資源調(diào)查情況（1）太陽能資源情況：江蘇省連云港市處于暖溫帶南部，屬于太陽能資源較豐

8、富區(qū)，維度為北緯34.7度，年日照時數(shù)在2500小時左右；水平面上太陽能輻照量為42005400MJ/.a。（2）氣象參數(shù)：年平均溫度14.3。1月平均溫度-0.4，極端低溫-19.5：7月平均溫度26.5，極端高溫39.9。歷年平均降水量920多毫米，常年無霜期為220天，主導風向為東南風。氣象資料顯示：連云港四季分明，冬季寒冷干燥，夏季高溫多雨，每年大約緊有20-30天處于陽光不足狀況狀態(tài)。5.2 熱水系統(tǒng)負荷計算5.2.1系統(tǒng)日耗熱量、熱水量計算本項目設計對象為高級賓館，要求是全日供熱水，24小時熱水供應且即開即熱，并采用集中式熱水供應。實際客房12間，床位24個，人數(shù)24人。人均日用水

9、量取60L。日耗熱量可按此公式計算：Qd=qrc(tr-tL)m/86400式中：Qd為日耗熱量，單位W； qr為熱水用水定額，取60L/人； C為水的比熱容，C=4178J/(kg·）； 為熱水密度，60密度為0.982kg/L； tr-tL為溫升，設計溫升45（連云港地區(qū)tL取15）； m用水設計單位，為24。經(jīng)計算可得日耗熱量Qd=3077w設計日熱水量可按此公式計算：qrd=qr·m經(jīng)計算日熱水量qrd=1440L5.2.2 設計小時耗熱量、熱水量計算 小時耗熱量計算:式中:qr熱水用水定額，60L/單位。 Kh小時變化系數(shù)，查表得Kh=6.84。 tr-tl溫升，

10、設計溫升45。 m用水設計單位，取24床位。 熱水密度，60密度0.982kg/L。計算得小時耗熱量Qh=21000w小時熱水量計算：qrh=Qh/1.163(tr-tL)計算得小時熱水量qrh=408.6L/h5.3 太陽能集熱系統(tǒng)設計太陽能集熱系統(tǒng)主要包括太陽能集熱器、貯水箱及相應的閥門和控制系統(tǒng)，由于該項目為強制循環(huán)系統(tǒng)包括循環(huán)水泵。5.3.1 太陽能集熱系統(tǒng)選型太陽能集熱系統(tǒng)選型主要考慮以下因素：太陽能集熱器類型：本項目要求為采用全玻璃真空管集熱器；系統(tǒng)工作方式：本項目系統(tǒng)為強制循環(huán)；換熱方式：本項目系統(tǒng)為直接系統(tǒng)；備份熱源：本項目系統(tǒng)為電加熱器。本項目系統(tǒng)選用雙排直插式全玻璃真空管集

11、熱器，集中集熱集中供熱方式，系統(tǒng)為強制循環(huán)運行方式，換熱方式為直接系統(tǒng)，輔助能源為電加熱。5.3.2 太陽能集熱面積的確定根據(jù)我國現(xiàn)行標準，太陽能熱水系統(tǒng)根據(jù)貯水箱容積可分為家用太陽能熱水器（貯水箱容積小于600L）和太陽能熱水系統(tǒng)（貯水箱容積大于600L），本項目系統(tǒng)貯水箱容積明顯大于600L，所以屬于太陽能熱水系統(tǒng)。直接式太陽能熱水系統(tǒng)集熱的總面積可根據(jù)系統(tǒng)的日平均用水量和用水溫度確定，按以下公式計算： AC集熱器采光面積/ QW日均用熱水量，L CW水的定壓比熱容 4.18KJ/(KG·) T1 要求水溫 T0 初始水溫 f太陽能保證率 J平均日輻照量17540KJ/(m2&#

12、183;d) cd集熱器全日集熱效率 L熱損失率式中相關參數(shù)按以下方法確定：（1)日均用熱水量 QW由5.2.1計算結果日熱水量qrd=1440L，鑒于極端天氣情況，熱水供應設計為日均1500L。（2） T1 要求水溫，要求為60，T0 初始水溫，連云港地區(qū)年平均水溫為15。（3） 太陽能保證率是確定系統(tǒng)所需集熱器面積的一個關鍵因素，也是影響太陽能熱水系統(tǒng)經(jīng)濟性能的重要參數(shù)。實際選用的太陽能保證率與系統(tǒng)使用期內(nèi)的太陽輻射、氣候條件、系統(tǒng)熱性能、用戶使用熱水的規(guī)律和特點、熱水負荷、系統(tǒng)成本和投資者的預期投資規(guī)模等因素有關。通常在工程的方案設計階段，太陽能保證率可用經(jīng)驗法確定。表1是按我國的太陽輻

13、照資源區(qū)劃，給出的各區(qū)太陽能保證率的選擇范圍。資源區(qū)劃年太陽能輻照量MJ/(m2ga）太陽能保證率資源豐富區(qū)670060%資源較富區(qū)5400670050%60%資源一般區(qū)4200540040%50%資源貧乏區(qū)420040%表1 不同地區(qū)太陽能保證率的選值范圍用表1選取值時，全年使用的太陽能熱水系統(tǒng)取中間值，連云港地區(qū)屬于資源一般區(qū)，值取40%50%中間值，為45%。（4） cd集熱器全日集熱效率的確定當缺乏相關數(shù)據(jù)時，cd可按經(jīng)驗在0.250.5之間取值，取cd=0.48。（5） L熱損失率的確定當條件限制無法進行精確計算時，可取經(jīng)驗值0.20.3。保溫較差時取上限，反之取下限，本項目取0.2

14、。綜上所述：式中取值代入上面公式，可以得出集熱器采光面積AC=18.85 。5.3.3 太陽能集熱個數(shù)、類型的確定由5.3.2計算出的集熱器采光面積AC=18.85可以得出，若本工程采用47*1500型雙排直插式全玻璃真空管，單根集熱面積為3.14*（0.047-0.01）*（1500-40）/2=0.0848,所需真空管數(shù)目為18.85/0.0848=223，其中雙排直插式全玻璃真空管每組有50根全玻璃真空管，故需4.5組，鑒于工程需要，本項目需5組模塊。太陽能集熱系統(tǒng)采用串聯(lián)形式。5.3.4 太陽能集熱器的定位由于本工程太陽能集熱器類型為雙排直插式全玻璃真空管，在安裝時無需考慮集熱器安裝傾

15、角，水平安裝即可。安裝時，在建筑上或直接構成建筑圍護結構的太陽能集熱器，應有防止熱水滲漏的安全保障措施；應設置防止太陽能集熱器損壞后部件墜落傷人的安全防護設施；集熱器不應跨越建筑變形縫設置。另外，安裝時，在建筑上的太陽能熱水系統(tǒng)不得影響該部位的建筑功能，并應與建筑協(xié)調(diào)一致，保持建筑統(tǒng)一和諧的外觀；應避免集熱器的反射光對附近建筑物引起的光污染。5.4 貯水箱的設計 貯水箱設計應注意以下事項：1. 貯水箱選擇時，水箱容積按工程要求確定，水箱形狀根據(jù)安裝條件和水箱布置方式確定。2. 貯水箱結構設計合理，滿足太陽能熱水系統(tǒng)安全、穩(wěn)定供應的要求，應設溢流口、排污管、排氣管、溫度測點、水位顯示。3. 內(nèi)部

16、設置電加熱元器件的貯水箱，其內(nèi)箱應做接地處理。4. 太陽能集中式系統(tǒng)的貯水箱的水位控制應考慮保持一定的安全容積，高水位應低于溢水口不少于100mm，低水位應高于設計最低水位不小于200mm。本項目貯水箱根據(jù)5.2.1計算結果日熱水量qrd=1440L，可得，貯水箱實際容積應大于此數(shù)值，以防止極端情況，可取貯水箱容積為2000L。因為全玻璃真空管由于真空管與水箱連接處承壓后易泄露，不適合承壓，承壓式水箱一般適用于熱管真空管或平板集熱器，所以本工程采用開式水箱。5.5 輔助熱源為保證太陽能熱水系統(tǒng)可靠供應熱水，系統(tǒng)采用電能作為補給能源。惡劣天氣狀況下，不考慮太陽能提供的能源份額，依據(jù)熱水供應負荷計

17、算，電能應在設計時間內(nèi)向系統(tǒng)提供熱水所需的全部熱量。 輔助熱源控制：設定好電加熱保護水位，即水位低于該設定值，電加熱不啟動，終止加熱的水溫不宜超過60。溫控加熱：當水溫低于40（可自己做調(diào)整）時，電加熱啟動，水溫高于60時，電加熱關閉，這樣既節(jié)約能源且操作方便。手動加熱，在不需要設定溫控加熱的情況下，可設置手動加熱功能，按下加熱按鈕，電加熱啟動，到設定溫度時，電加熱自動停止。 輔助熱源的設計可用以下公式計算：P=24Qd/a（1-L）T式中：p為輔助熱源加熱功率，W； a為輔助熱源加熱設備熱效率； L為管道及貯水箱熱損率，一般取0.050.1； T為設計輔助熱源的每日加熱時間，h； Qd為日耗

18、熱量，W。 小時耗熱量計算:式中:qr熱水用水定額，60L/單位。 Kh小時變化系數(shù)，查表得Kh=6.84。 tr-tl溫升，設計溫升45。 m用水設計單位，取24床位。 熱水密度，60密度0.982kg/L。計算得：Qh=21kw。所以選用21kw的電輔加熱。5.6 管道設計管道采用國標熱鍍鋅管，及各類閘閥、截止閥、電磁閥等均采用國標銅，重質(zhì)管件。保溫層厚度的計算公式 式中保溫層厚度mm； 管道的外徑mm； 保溫層的導熱系數(shù)/（h·m·）；取0.035W/（m·）即0.126/（h· m·）； t未保溫的管道的外表面的溫度； q保溫后的允許熱

19、損失/（m·h）。結合建設部2003年頒布的全國民用建筑工程設計技術措施·給水排水中的規(guī)定，根據(jù)公式計算的保溫層厚度分別是：公稱管徑25mm，橡塑保溫層厚度為：24mm公稱管徑32mm，橡塑保溫層厚度為：24mm公稱管徑40mm，橡塑保溫層厚度為：25mm公稱管徑50mm，橡塑保溫層厚度為：25mm公稱管徑100mm，橡塑保溫層厚度為：27mm保溫層外包0.25mm厚鋁板，對管道及保溫層做進一步保護。5.7 水泵的設計所有水泵采用韓進水泵。具體如下： PHJ-550A型全自動管道增壓泵； HJ-180E熱水循環(huán)泵；HJ-180E介質(zhì)循環(huán)泵。韓進水泵特點：（1） 采用先進的結

20、構設計，電機本體帶有過電流、過熱保護，無本體機械故障不會燒電機，確保安全正常運行，效率高；（2） 采用高效葉輪，噪音小；（3） 采用高級的密封件，不漏水，壽命長。（4） 與電磁閥、單向閥配套運行,系統(tǒng)還裝有循環(huán)系統(tǒng)安全運行過濾保護器。5.8 附件的設計5.8.1排氣裝置本系統(tǒng)設為上行下給式系統(tǒng)，其配水干管最高處及向上抬高的管段應設自動排氣閥，閥下設檢修用閥門；當入戶支管有分戶計量表時，應在各供水立管頂安裝自動排氣閥；集熱系統(tǒng)中充注防凍液時，集熱系統(tǒng)管路和設備應采用手動排氣裝置，不宜使用自動排氣閥。5.8.2放空裝置在熱水管道系統(tǒng)的最低點及向下凹的管段應設放空裝置或利用最低配水點放空。5.8.3

21、 溫度計（1） 水加熱設備、貯水箱應裝溫度計；（2） 水加熱器的熱水供回水干管上應安裝溫度計；（3） 溫度計的刻度范圍應為工作溫度的2倍；（4） 溫度計安裝的位置應方便讀取數(shù)據(jù)。5.8.4 壓力表（1） 熱水加壓泵、循環(huán)水泵的出水管上應設壓力表；（2） 壓力表的精度不應低于2.5級，即允許誤差為表盤刻度極限值得1.5%；（3） 壓力表盤刻度極限值宜為工作壓力的2倍，表盤直徑不應小于100mm；（4） 裝設位置應便于操作人員觀察與清洗且應避免受輻射熱、凍結或振動的不利影響。5.9集熱系統(tǒng)的管路設計要求（1） 集熱器循環(huán)管路應有0.3%-0.5%的坡度；（2） 在有水回流的防凍系統(tǒng)中，管路的坡度應

22、使系統(tǒng)中的水自動回流，不應積存；（3） 在循環(huán)管路中，易發(fā)生氣塞的位置應安裝吸氣閥；在系統(tǒng)各回路及系統(tǒng)要防凍部分的管路的最低點及易積存的位置應設有排空閥。（4） 在本項目強制循環(huán)系統(tǒng)的管路上，易設有防止傳熱工質(zhì)夜間倒流的單向閥。6. 項目運行原理（1）恒溫自動進水（定溫進水）：當集熱器出水口溫度高于65度時，電磁閥(或水泵)打開，自動進水，將熱水頂入熱水箱；當集熱器出水口溫度下降至60度時，電磁閥(或水泵)停止工作，實現(xiàn)恒溫自動進水功能。（2）溫差循環(huán)：a.當熱水箱底部溫度低于60度（可以根據(jù)需要調(diào)整設置溫度）時，系統(tǒng)將運行于恒溫循環(huán)模式。采用溫差循環(huán)方式運行，即當集熱器出水口溫度高于熱水箱底

23、部溫度8度時，熱循環(huán)泵工作；將熱水箱下部水抽出送入集水器，將集熱器內(nèi)熱水頂出，當集熱器和熱水箱底部溫度差降至2度時熱循環(huán)泵停止，如此往復，實現(xiàn)恒溫循環(huán)；當熱水箱底部溫度高于60度（可以根據(jù)需要調(diào)整設置溫度）時退出恒溫循環(huán)模式。b.當熱水箱水滿后，系統(tǒng)將運行于溫差循環(huán)模式。即當集熱器出水口溫度比熱水箱底部溫高7度（可以根據(jù)需要調(diào)整設置溫度）時，熱循環(huán)泵工作；當集熱器出水口溫度比熱水箱底部溫度高2度時，循熱環(huán)泵停止，實現(xiàn)溫差循環(huán)功能。c.當管道溫度低于2度（可以根據(jù)需要調(diào)整設置溫度）時，熱循環(huán)泵工作，當管道溫度高于5度時，熱循環(huán)泵停止，實現(xiàn)防凍循環(huán)功能。（3）集熱器防空曬保護：當集熱器出水口溫度高

24、于96度時，所有循環(huán)停止運行，當集熱器出水口溫度低于90度時，所有循環(huán)恢復運行，實現(xiàn)集熱器防空曬保護功能。（4）智能自動輔助加熱:陰雨天氣或寒冷冬季，當熱水箱水量不足以保證供應時，自動啟動（或提示）輔助能源設備進行加熱。7. 項目主要設備、材料及部件項目系統(tǒng)設備、部件統(tǒng)計表規(guī)格/型號/數(shù)目規(guī)格/型號/數(shù)目集熱管型號雙排直插式47*1500型全玻璃真空管水箱款式圓柱形真空管長度1500mm水箱內(nèi)膽材料S30408真空管外徑47mm水箱內(nèi)膽厚度0.41 mm真空管支數(shù)50水箱外殼材料S35350不銹鋼集熱器傾角10°水箱外殼厚度0.31 mm有效集熱面積（單根）0.0848/根保溫層材料聚氨脂管間距75 mm保溫層厚度35 m