住宅建筑太陽能熱水系統(tǒng)設計及研究

1、住宅建筑太陽能熱水系統(tǒng)設計及研究 -3 a -,能源作為經(jīng)濟和社會開展的重要物質(zhì)根底, 隨著我國經(jīng)濟的開展, 能源需求出現(xiàn)了一個持續(xù)增長的態(tài)勢,尤其是近年來伴隨著我國迅速 開展的建筑業(yè)同時也帶來了建筑能源的迅猛增長.日前,建筑能耗已接近全國總能耗的30%并將持續(xù)增加,隨著人們生活水平的提升和 小康社會的建設,人們對生活熱水的需求量越來越大, 在我國興旺地 區(qū)的住宅中其生活熱水能耗已占到建筑總能耗的 15-20%而我國既 是一個煤炭、石油以及天然氣等常規(guī)能源消耗的大國,又是常規(guī)能源 資源短缺的國家,以常規(guī)能源為主的能源結構產(chǎn)生大量的污染物,給我國整體環(huán)境造成了巨大的污染,一次性能源為主的能源開發(fā)

2、利用模 式與生態(tài)環(huán)境矛盾的日益激化,使人類社會的可持續(xù)開展受到嚴峻挑 戰(zhàn).因此,大力開發(fā)利用清潔可再生能源-太陽能,是優(yōu)化能源結 構,改善環(huán)境,促進經(jīng)濟社會可持續(xù)開展的戰(zhàn)略之一.1系統(tǒng)選擇我國城市住宅大多以多層、小高層、高層住宅為主,興旺國家的 太陽能熱水系統(tǒng)的技術在我國并不適用,盡管我國是太陽能熱水器生 產(chǎn)的第一大國,也是民用建筑開展最快,規(guī)模最大的國家,但人均集 熱面積僅為日本,以色列等國的1/20 ,況且目前大多為一家一戶的 分散熱水供給,及事后安裝,無序安裝狀態(tài),太陽能熱水器的設計, 生產(chǎn)與建筑存在著嚴重脫節(jié)狀態(tài),太陽能資源的利用率極低,當務之第1頁共14頁急是如何綜合考慮地區(qū)資源條件

3、,住宅類型,居民的經(jīng)濟水平,平面 布局,建筑外觀,熱水用量及使用工況,集熱器形式與性能,系統(tǒng)配 置,運行方式,安裝方法,接口形式與大小,平安性,維修以及經(jīng)濟 技術等因素,優(yōu)先充分利用太陽能這一原那么,及提供穩(wěn)定熱水供給的 使用原那么,經(jīng)技術經(jīng)濟比擬設計出合理的住宅太陽能熱水供給系統(tǒng),及相應的配套產(chǎn)品,使住宅太陽能熱水系統(tǒng)平安可靠,性能穩(wěn)定,與 建筑和周圍環(huán)境協(xié)調(diào)統(tǒng)一.一、太陽能目前現(xiàn)狀在太陽能利用領域,包括光電與光熱二大局部,其中光熱技術是 最成熟,應用范圍最廣泛,產(chǎn)業(yè)化開展最興旺的領域之一,其可靠的 技術性能以及明顯的經(jīng)濟性能,正日益為大家所接受.在世界范圍內(nèi) 我國已是太陽能熱水器生產(chǎn)的第一

4、大國, 但與興旺國家相比,人均集 熱面積不到0.06急需在太陽能熱水器與建筑一體化的整合開展中尋求突破.二、太陽能熱水器在住宅中的現(xiàn)狀隨著太陽能熱水器在城市普及率的不斷提升,由事后安裝,無序安裝這種使用方式所帶來的一系列問題與矛盾也逐漸顯現(xiàn). 例如影響 建筑物外觀和城市景觀,破壞了房屋的使用功能,無序不標準的安裝 也產(chǎn)生了一些平安隱患,最大的制約因素是由于大多數(shù)住宅小區(qū)容積 率偏高,住宅間的間距偏小,按日照分析得到的數(shù)據(jù),分散的太陽能 熱水系統(tǒng),僅住宅高區(qū)極少數(shù)的樓層能滿足冬至日太陽能熱水器日照 4小時的要求,目前狀況是住宅僅僅頂層住戶在安裝使用太陽能熱水第2頁共14頁 器,人均太陽能利用率極

5、低,讓每家每戶都能享受及充分利用太陽能 資源,這正是住宅太陽能熱水器系統(tǒng)整合設計所面臨與解決的重大問 題.三、太陽能熱水器在住宅中的設置位置從住宅建筑與太陽能一體化的角度考慮,太陽能集熱器結合建筑 可布置在屋面,墻面,每家每戶的朝南的陽臺圍欄,空調(diào)外機板上等 位置,從理論上來講,太陽能集熱器設置在上述位置對低密度獨立式 或聯(lián)排式底層住宅都是不錯的選擇, 而分散布置太陽能集熱器,依據(jù) 目前的小區(qū)住宅標準、住宅的朝向、日照標準、房屋間距等來看對于 上海及至全國實際情況來講,開發(fā)商要到達其最大的經(jīng)濟效益, 一般 住宅的容積率相對偏高,多層住宅間的間距僅為住宅建筑高度的1.2倍,小高層間距在40米左右

6、.太陽能集熱器設置在陽臺,空調(diào)室外 機挑板上,外墻上等位置,多層及高層住宅中低區(qū)住戶都不能滿足 ?民 用建筑太陽能熱水系統(tǒng)應用技術標準?中每家每戶集熱器年均每天日 照時數(shù)不少于4小時的標準要求,即使是住宅高區(qū)住戶,滿足了日照 4小時的光照,但由于集熱器安裝角度的限制,設置在外墻面、檐口、 陽臺以及建筑雨蓬、遮陽板等位置,從理論上來講,需補償一定數(shù)量 的集熱面積,造成一次性投資增加,熱利用率降低,另外如何保證集 熱器的平安防護及住戶的平安也是一大難題.分散布置太陽能集熱器,除住宅上部能滿足上述要求外,多層住 宅的下部,高層住宅的中下部大多很難滿足要求, 太陽能資源的利用 率極低.而集中放置在屋面

7、,雖然能滿足日照時數(shù)的要求,但實際操第3頁共14頁 作中分散式太陽能熱水系統(tǒng)每戶上下二根管道要增加管道井的位置, 尤其是住宅下部至屋面管線過長,要散發(fā)大量的熱量,并且在使用過 程中要放掉大量的管道中的冷水,與節(jié)水節(jié)能相違背,如何最大限度 的充分利用太陽能資源,讓每家每戶都能享受綠色清潔可再生能源,唯一實際實用的位置就是將太陽能集熱器布置在屋面上,采用集中集熱的形式.四、太陽能集中集熱系統(tǒng)的設置原那么(1)太陽能熱水系統(tǒng)設計與建筑設計同步進行,集熱器應作為 建筑的組成元素,與建筑有機結合,做到造型美觀,構件耐用,安裝、 維護方便.(2)充分利用太陽能資源,24小時為住宅每家每戶提供生活熱 水,采

8、用成熟的太陽能熱水技術,限制本錢,預防復雜的后期運行維 護治理.(3)進行經(jīng)濟技術分析,到達節(jié)地、節(jié)水、節(jié)能、平安、衛(wèi)生、 環(huán)保的要求.(4)集熱器及其部件標準化,模式化便于維修更新.2太陽能集中熱水系統(tǒng)集熱面積計算一、用水量(1)熱水用水量標準：50升/人-天(60C)住宅每戶面積小于90 ttf按2.5人考慮住宅每戶面積大于90 nf按3.0人考慮Qmaxday1=50-2.5=125L/d第4頁共14頁Qmaxday2=50-3.0=150L/d每戶小于90 nf住宅設120升水箱每戶大于90 nf住宅設150升水箱二、太陽能集熱系統(tǒng)面積確實定(1)每戶 120L/d式中：Ac直接系統(tǒng)集

9、熱器采光面積,itf；Qw日均用水量,120kg;tend 儲水箱內(nèi)水的終止溫度 60 C ；Cw-水的定壓比熱容,4.187KJ/ (kg - C)；P 熱水密度,(kg/l );tishy; 水的初始溫度10C；JT當?shù)厍锓炙谠录療崞魇軣崦嫔锨绾锰鞖獾娜湛傒椪樟?上海：12220KJ/m2；f 太陽能保證率；50%集熱器全日集熱效率,取值為 50%管路及儲水箱熱損失率,此處取 20%那么太陽能集熱面積(2)每戶 150L/d3太陽能集中熱水系統(tǒng)原理說明一、以往集中太陽能熱水系統(tǒng)存在的弊端過去集中式太陽能熱水系統(tǒng)大多采用的是集中集熱,分戶計量的第5頁共14頁 模式,采用熱水表計量,這其中涉

10、及到水量與水溫兩個問題,由于太 陽能熱水系統(tǒng)出水溫度不穩(wěn)定,要滿足水溫要求又需要配置輔助熱源, 常規(guī)的是采用電加熱,這又涉及到電費的分攤問題,諸多的計量與很 難精確的分攤,往往導致用戶的不接受.二、本系統(tǒng)的特點設計思路：一是要充分利用太陽能資源,讓每家每戶充分享受可 清潔再生能源,讓住戶受惠.二是系統(tǒng)要簡單合理,尤其是不增加用 戶的麻煩.三是保證水質(zhì)與平安,唯有如此,節(jié)能環(huán)保的太陽能熱水 系統(tǒng)才是有推廣與應用價值.三、系統(tǒng)集熱器設計(1)集熱器朝向與傾角：正南擺放,使集熱器得到更多的太陽 輻射能；全年使用太陽能系統(tǒng)集熱器傾角應當與當?shù)氐木暥纫恢?(2)集熱器連接：集熱器數(shù)量較多,為減少阻力,所

11、以采用并聯(lián)連接.集熱器數(shù)量較少,采用串聯(lián)連接.(3)基座：混凝土基座.支架采用熱鍍鋅4號角鋼、抗風設計,與基座牢固連接、抗臺風 水平強.(4)集熱器前后排間距的計算：前后排集熱器之間應留有一定 的距離,以預防前排集熱器影響后排集熱器的采光,當全年使用時, 只要保證冬至日前后排不遮擋,其它時間就不會遮擋.L=H-Ctga=1.4HL=前后排間距H=集熱器高度a=當?shù)囟寥照缣柛叨冉堑?頁共14頁采用單排前后布置,不影響樓體外觀整體效果.四、系統(tǒng)簡介本系統(tǒng)采用集中集熱,每戶按戶型大小設置不同容積的交換水箱, 將太陽能集熱器產(chǎn)生的熱水供交換水箱換熱后回到太陽能儲熱水箱, 交換水箱出水溫度設置在6

12、0度,如遇陰天,出水溫度低于 60度時, 由住戶自行(手動或自動)啟用交換水箱的電加熱裝置或交換水箱出 水后接燃氣熱水器,本系統(tǒng)最大特點,不涉及水,點,煤計量問題, 系統(tǒng)簡單合理,采用兩次換熱,水質(zhì)衛(wèi)生,平安.下列圖為某住宅小區(qū)多層、小高層集中太陽能熱水系統(tǒng)平面與系統(tǒng) 原理圖四、系統(tǒng)限制、運行說明T1集熱器出水口溫度T2熱水箱底部的出水溫度T3交換水箱內(nèi)熱水溫度(1)溫差集熱循環(huán)當T1-T25C時,循環(huán)泵1啟動,集熱水箱內(nèi)水與集熱器不斷 進行熱交換,當兩者溫度小于 5 c時循環(huán)泵停止工作；(2)熱交換循環(huán)當T2-T35C且T3V 60c時,交換水箱前電磁閥處于開啟狀態(tài), 此時循環(huán)泵2啟動,循環(huán)

13、泵2為恒壓變頻出水,與每戶交換水箱進行 熱交換,當T2-T3 V 5c或T3A60c時,交換水箱前電磁閥關閉,當 所有住戶的T2-T3 V 5c或T3A60c時,循環(huán)泵2停止工作.第7頁共14頁(3)防凍循環(huán)當T1W3c時,循環(huán)泵1啟動,將集熱水箱中的水打入集熱器, 進行防凍循環(huán),直至Tin3c時,循環(huán)泵1停止工作.(4)過熱保護當集熱水箱T2A80c時,關閉循環(huán)泵1停止集熱(5)真空集熱管炸管漏水限制及報警由水位傳感器監(jiān)控系統(tǒng)工作狀態(tài),當集熱器真空管發(fā)生炸管,管 道內(nèi)水位迅速下降,由水位傳感器獲取非正常水位,關閉循環(huán)泵 1, 同時,限制遠程監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)出報警信號,告訴物業(yè)及時通知廠家更換 真空

14、管.(6)集熱水箱水位限制由水位傳感器限制進水電磁閥,當集熱水箱水位低于設定水位時, 進水電磁閥開啟,當水位高于設定水位時,進水電磁閥關閉.(7)防腐空氣中含有氯離子,會對金屬結構造成比擬嚴重的腐蝕, 對系統(tǒng) 中所用金屬材料均采取防腐舉措.(8)防雷為預防雷電傷人,系統(tǒng)中鋼結構支架與建筑物接地系統(tǒng)可靠連接(9)防風集熱器與支架的安裝按圖集標準安裝.集熱水箱為保證平安,防 止滑脫,其與底座應固定可靠.(10)接地第8頁共14頁所有電器設備及電氣設備相連接的金屬部件應做接地處理.(11)保溫所有明露管道及集熱水箱均作保溫處理.4經(jīng)濟節(jié)能效益分析一、太陽能,電,燃氣熱水器每次淋浴的加熱耗能：以每人每

15、天熱水定額為50L (60C)熱水,自來水水溫按10c計 算每人每天耗熱量：10.5MJ如果每天洗浴一次,那么每人每年耗熱量約3820.6MJ.太陽能(人均配1 ttf集熱器)太陽能平均的集熱效率以50%十以上海地區(qū)太陽能年輻照量4200MJ/m2 a為例年平均計算太陽能熱水系統(tǒng)最少保熱量 2100MJ/m2年太陽能熱水系統(tǒng)節(jié)能率約(扣除系統(tǒng)運行中的熱損失20%為44%二、各種熱水器的淋浴費用比擬一次淋浴的熱耗量設定洗浴水溫40C,冷水溫度10C, 一次淋浴需要50L,那么耗 熱量=50-(40-10) -4187-1=6.28MJ= 1.74KWh第9頁共14頁1、使用太陽能熱水器每次淋浴的

16、加熱費用:(1) 150L的太陽能熱水器配3.0 nf集熱器,以上海為例,上海 地區(qū)緯度傾角平面年總輻照量 4200MJ/m2 a.集熱效率為50%+算, 那么每1 itf集熱器每年得熱量為2100MJ約等于582KWh那么該熱水器一 年的得熱量為：582-3.0=1745Kwh一年可以淋浴的次數(shù)為：1745Kwh /1.74Kwh =1003 次推算一年淋浴1003次,根據(jù)每次淋浴用水50L計算,該套產(chǎn)品 可以提供3 口之家每人每周淋浴6.43次,所以,以每戶每年淋浴1003 次作為設計條件,進行電、燃氣熱水器淋浴費用的計算比擬.(2)設一套太陽能熱水器的平均使用壽命為 15年,在使用周期

17、內(nèi)共可以淋浴1003-15=15045次(3)設一套集中太陽能熱水系統(tǒng)分攤到每戶的投資為7000元,那么每次淋浴的加熱費用為設備的折舊費用7000+ 15045=0.47 元2、使用燃氣熱水器每次淋浴的加熱費用(1)每次淋浴的耗氣量：燃氣熱水器白熱效率取80%天然氣熱值取35MJ/ m3那么每次淋浴的耗氣量為：6.28/35-80%=0.22m3第10頁共14頁(2)每次淋浴的燃料費上海天然氣的費用2.50元/ m2每次淋浴的燃料費0.22-2.50=0.55 元(3)設一套燃氣容積式熱水器的投資為 3000元在其使用周期內(nèi),以十年試用壽命計,住戶共淋浴10030次每次淋浴的設備折舊費3000

18、+ 10030=0.30 元每次淋浴的加熱費用0.55 0.30=0.85 元3、使用電加熱器每次淋浴的加熱費用(1)每次淋浴的耗電量,電熱水器的熱效率取 90%那么每次淋浴的耗電量為1.74 +90%=1.93Kwh(2)每次淋浴的電費,上海的電費為 0.61元/KWH每次淋浴的電費0.61-1.93=1.18 元(3)每次淋浴的設備折舊費設一套儲水式電熱器的投資為2000元,在其使用周期內(nèi)以十年使用壽命計住戶淋浴10030次每次淋浴的設備折舊費2000+ 10030=0.20 元第11頁共14頁每次淋浴的加熱費用1.18 0.20=1.38 元三、太陽能熱水器投資回收年限計算1、太陽能熱水

19、器每戶年節(jié)約能源量(1)每戶3 口之家,配3 M集熱器,在上海該集熱器一年的得 熱量為6300MJ折合電量1745KWH當居民充分使用太陽能時,該值 就是太陽能熱水器年節(jié)約能源量.(2)電熱水器的熱效率取90%以提供6300MJ熱量供居民淋浴,那么需耗電：1745+ 90%=1939KWH(3)燃氣熱水器的熱效率取80%以提供6300MJ熱量供居民淋 浴,那么需消耗熱量：6300+ 80%=7875MJ天然氣低發(fā)熱量值為35MJ/ m3耗氣量為：7875+ 35=225 m32、太陽能熱水器年節(jié)約運行費上海天然氣的費用2.1元/ m3,電費為0.61元/Kwh(1)相對于電熱水器,太陽能熱水器年節(jié)約運行費：1