太陽能熱水系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)計(jì)算書

1、太陽能應(yīng)用技術(shù)課程設(shè)計(jì)計(jì)算書 題 目：杭州市現(xiàn)代賓館（公寓）太陽能熱水系統(tǒng)設(shè)計(jì) 姓名： 楊超 學(xué) 院： 建筑工程學(xué)院 專業(yè)： 建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程 班級： 建環(huán)142 學(xué) 號： 201451385236 指導(dǎo)教師： 候景鑫 2017年12月25日目錄1.設(shè)計(jì)參數(shù)21.1 氣象參數(shù)21.2 熱水設(shè)計(jì)參數(shù)22.太陽集熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)22.1集熱器面積確定22.2太陽集熱器的定位32.3太陽集熱器模塊總數(shù)確定32.4太陽集熱器間距33.貯熱水箱選型44.集熱循環(huán)管路水力計(jì)算54.1集熱循環(huán)管路流量54.2集熱循環(huán)管網(wǎng)熱水流速及管徑的確定54.3集熱循環(huán)最不利環(huán)路管道阻力的確定64.4集熱系統(tǒng)循環(huán)水泵選型

2、75.熱水供應(yīng)系統(tǒng)管路水力計(jì)算85.1熱水供應(yīng)系統(tǒng)管路流量的確定105.2熱水供應(yīng)系統(tǒng)最不利環(huán)路管道阻力的確定115.3熱水供應(yīng)系統(tǒng)循環(huán)水泵的選型126.輔助熱源137.自動控制系統(tǒng)147.1運(yùn)行控制147.2防凍控制157.3過熱防護(hù)158.阻垢除垢159.參考文獻(xiàn)161.設(shè)計(jì)參數(shù)1.1 氣象參數(shù)本工程為杭州市現(xiàn)代賓館的太陽能系統(tǒng)設(shè)計(jì)。杭州地區(qū)緯度為北緯30°14，根據(jù)民用建筑太陽能熱水系統(tǒng)工程技術(shù)手冊表1-10，查得該地區(qū)的水平面年總輻照量為4068.653 MJ/（a），水平面年平均日輻照量為11.117 MJ/（d），當(dāng)?shù)鼐暥葍A角平面年總輻照量為4252.141 MJ/（a）

3、，當(dāng)?shù)鼐暥葍A角平面年平均日輻照量11.621 MJ/（d）。1.2 熱水設(shè)計(jì)參數(shù)根據(jù)民用建筑節(jié)水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)表3.1.7，酒店的熱水平均日用水定額取110140 L/（床d），本設(shè)計(jì)取120 L/（床d），熱水溫度按60 計(jì)。根據(jù)民用建筑太陽能熱水系統(tǒng)工程技術(shù)手冊表116，杭州地區(qū)冷水計(jì)算溫度取5 （地面水）。2.太陽集熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)2.1集熱器面積確定 根據(jù)我國現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)，太陽能集熱系統(tǒng)的熱性能指標(biāo)以貯熱水箱容積600 L為界限。本工程貯熱水箱容積大于600 L，故其集熱器面積的確定為：式中：系統(tǒng)集熱器總面積，m2； 日平均用熱水量，考慮太陽能熱水系統(tǒng)全年提供賓館客房用熱水，客房總數(shù) 為72床，則日平

4、均用熱水量為8640 L/d； c 水的定壓比熱容，4.187 kJ/（kg·）；水的密度，1 kg/L；貯熱水箱內(nèi)水的終止設(shè)計(jì)溫度，取60 ；水的初始溫度，取5 ；JT 當(dāng)?shù)丶療崞鞑晒饷嫔系哪昶骄仗栞椪樟?，?1621kJ/m2； f 太陽能保證率，上海地區(qū)屬于太陽能資源一般區(qū)，由民用建筑太陽能熱水系統(tǒng)工程技術(shù)手冊4.4.3.1，并參照表46，取0.45； 集熱器年平均集熱效率，由民用建筑太陽能熱水系統(tǒng)工程技術(shù)手冊4.4.3.1， 太陽能熱水工程中集熱器效率一般在0.25 0.5 間，本工程全年使用，取平均 值0.375。 管路及貯熱水箱熱損失率，由民用建筑太陽能熱水系統(tǒng)工程技

5、術(shù)手冊4.4.3.1，取0.20。將數(shù)據(jù)代入，計(jì)算得系統(tǒng)集熱器總面積=256.82 m2。2.2太陽集熱器的定位根據(jù)太陽能集中熱水系統(tǒng)選用與安裝8.2.1條，在全年使用時(shí)，集熱器的安裝傾角宜與當(dāng)?shù)鼐暥认嗤?，即與建筑同方位，朝向正南，傾角為30°14。2.3太陽集熱器模塊總數(shù)確定由太陽能集中熱水系統(tǒng)選用與安裝，選用PGT2.0平板型太陽能集熱器作為一個(gè)單元集熱器。單元平板集熱器的尺寸為：2000 mm×1000 mm，單元集熱器的集熱面積為：1.83 m2。根據(jù)集熱器的總面積及單元集熱器的集熱面積，計(jì)算需要集熱器的數(shù)量為141塊，則總集熱面積約為258.03m2。2.4太陽集

6、熱器間距（1）由民用建筑太陽能熱水系統(tǒng)工程技術(shù)手冊4.4.1.2，本工程集熱器的安裝方位為正南，即集熱器方位角為0°。因此，全年運(yùn)行的太陽能集熱系統(tǒng)，集熱器前、后排間不相互遮擋的最小間距的計(jì)算時(shí)刻選擇春分日上午9點(diǎn)。 式中： 太陽高度角（°）； 地理緯度（°），取30°14； 赤緯角（°），春分日為0°； 太陽時(shí)角（°），上午9點(diǎn)對應(yīng)的時(shí)角為-45°； 太陽方位角（°）。計(jì)算得，則，太陽高度角為37.73°，太陽方位角為63.38°。所以，.38°（2）以上為集熱器傾角為30

7、°14的集熱器側(cè)視圖，可知集熱器高度為504mm，寬度為864mm由民用建筑太陽能熱水系統(tǒng)工程技術(shù)手冊4.4.1.2，,集熱器前后排間距：式中：日照間距，m；前排遮擋物高度，女兒墻高度取1.3 m，集熱器高度為0.504 m；計(jì)算時(shí)刻的太陽高度角；計(jì)算時(shí)刻太陽光線在水平面上的投影線與集熱器表面法線在水平面上的投影線之間的夾角。計(jì)算得，太陽能集熱器距南墻的距離為0.75m，前后排太陽集熱器的日照間距為0.31m。3.貯熱水箱選型根據(jù)本建筑所需的日平均用熱水量8640L/d，選擇3 m×2 m×2 m的貯熱水箱，其實(shí)際容積約為12噸。4.集熱循環(huán)管路水力計(jì)算集熱環(huán)路采

8、用同程連接，各環(huán)路相同。取其中任一環(huán)路為最不利環(huán)路，即管段12345678。圖41 集熱循環(huán)最不利環(huán)路4.1集熱循環(huán)管路流量根據(jù)民用建筑太陽能熱水系統(tǒng)工程技術(shù)手冊4.4.4，平板型太陽集熱器的工作流量可按0.02 L/(s)計(jì)算，則本工程太陽能集熱系統(tǒng)的總流量為：4.2集熱循環(huán)管網(wǎng)熱水流速及管徑的確定由太陽能集中熱水系統(tǒng)選用與安裝8.8.2，太陽能集熱系統(tǒng)管網(wǎng)熱水流速，宜按下表選用：表41 集熱系統(tǒng)管網(wǎng)熱水流速推薦值公稱直徑DN（mm）1520254050流速（m/s）0.81.01.2根據(jù)下列公式，可計(jì)算出管段管徑：式中：q集熱系統(tǒng)循環(huán)管道內(nèi)流量，m3/s；d集熱循環(huán)管道直徑，mm；v集熱循

9、環(huán)管網(wǎng)中熱水流速，m/s。太陽能集熱循環(huán)管路中最不利環(huán)路的管徑及流速計(jì)算結(jié)果如下：表42 集熱循環(huán)管路中最不利環(huán)路的管徑管段編號流量（m3/s）管徑（mm）流速（m/s）10.00544 1000.69 20.00432 800.88 30.00288 700.73 40.00144 401.12 50.00144 401.12 60.00288 700.73 70.00432 800.88 80.00513 1000.65 4.3集熱循環(huán)最不利環(huán)路管道阻力的確定 本設(shè)計(jì)集熱循環(huán)管網(wǎng)采用鍍鋅鋼管。（1）管道的沿程水頭損失： 管道單位長度水頭損失可查建筑給水排水工程（第六版）附表2-1。將各數(shù)據(jù)

10、帶入，具體計(jì)算結(jié)果見下表：表43 集熱循環(huán)最不利環(huán)路管道沿程損失 管段編號管徑（mm）流量（m3/s）管道單位長度水頭損失（kPa/m）管道長度（m）沿程水頭損失（kPa）11000.00544 0.08926.3190.5642800.00432 0.223.1.170.2613700.00288 0.2541.170.2974400.00144 0.9351.171.0945400.00144 0.9351.171.0946700.00288 0.2541.170.2977800.00432 0.2231.170.26181000.00513 0.074960.114.5028.370 （

11、2）管道的局部水頭損失?？紤]閥門、彎頭及三通所造成的局部阻力，按沿程阻力的20%取值，則局部阻力為：（3）集熱器的阻力。根據(jù)太陽能集中熱水系統(tǒng)選用與安裝8.8.2，集熱器單位面積流量為q=0.02 L/(s)時(shí)，單個(gè)集熱器的阻力一般為0.5 kPa/m2。本次設(shè)計(jì)中最不利環(huán)路中共有35個(gè)單元集熱器，故集熱器總阻力為：=35×2×0.5=35kPa（4）管網(wǎng)總阻力。最不利環(huán)路的總阻力即為沿程損失、局部損失和集熱器的阻力之和，即：。4.4集熱系統(tǒng)循環(huán)水泵選型本工程太陽能集熱系統(tǒng)的總流量為5.13L/s，即18.47m³/h,此流量即為集熱系統(tǒng)水泵的流量。揚(yáng)程考慮到沿程

12、損失、局部損失、集熱器阻力，即管網(wǎng)的總阻力，相當(dāng)于4.5mH2O，考慮流量儲備系數(shù)1.1，則集熱系統(tǒng)循環(huán)水泵的揚(yáng)程H為4.95mH2O。根據(jù)流量和揚(yáng)程，選擇2臺IRG-15-80型熱水循環(huán)泵，其中一臺為備用，具體性能參數(shù)見下表：表44 IRG-15-80型熱水循環(huán)泵性能參數(shù)型號揚(yáng)程m流量m³/h功率kWIRG-65-100A72.00.185.熱水供應(yīng)系統(tǒng)管路水力計(jì)算圖51 熱水循環(huán)系統(tǒng)最不利環(huán)路5.1熱水供應(yīng)系統(tǒng)管路流量的確定 該酒店建筑中，一個(gè)客房中熱水供給的衛(wèi)生器有洗臉盆、浴盆或淋浴器。由民用建筑太陽能熱水系統(tǒng)工程技術(shù)手冊4.6.1，洗臉盆的給水當(dāng)量為0.5，額定流量為0.10

13、 L/s；浴盆的給水當(dāng)量為1.0，額定流量為0.20 L/s。熱水給水設(shè)計(jì)秒流量為（酒店取2.5）：若所求值大于計(jì)算管段衛(wèi)生器具額定流量累加值，按累加值計(jì)。計(jì)算結(jié)果如下：表51 熱水供水管路流量管段編號浴盆數(shù)量洗臉盆數(shù)量給水當(dāng)量qg（L/s）17373109.55.23 2515176.54.37 3454567.54.11 44242633.97 53030453.35 61818272.60 71212182.12 86691.50 94461.22 102230.87 5.2熱水供應(yīng)系統(tǒng)最不利環(huán)路管道阻力的確定本設(shè)計(jì)熱水循環(huán)管網(wǎng)采用鍍鋅鋼管。根據(jù)民用建筑太陽能熱水系統(tǒng)工程技術(shù)手冊4.6.

14、2，為保證各立管的循環(huán)效果，盡量減少干管的水頭損失，熱水供水干管和回水干管均不宜變徑，可按其相應(yīng)的最大管徑確定。根據(jù)建筑給排水設(shè)計(jì)規(guī)范GB500152010，表5.1.1-2，查得酒店旅館的浴盆小時(shí)用熱水量為250 L=0.07L/S，洗臉盆的小時(shí)用熱水量為180 L=0.05L/S。并由此確定回水管的流量。管網(wǎng)熱水流速的確定，可參照民用建筑太陽能熱水系統(tǒng)工程技術(shù)手冊表419：表52 熱水管道內(nèi)的流速公稱直徑DN（mm）1520254050流速（m/s）0.81.01.2（1）管道的沿程水頭損失： 管道單位長度水頭損失可查建筑給水排水工程（第六版）附表2-1。將各數(shù)據(jù)帶入，具體計(jì)算結(jié)果見下表：

15、表53 熱水循環(huán)最不利環(huán)路管道沿程水頭損失管段編號管徑（mm）流量（L/s）管道單位長度水頭損失（kPa/m）管道長度（m）沿程水頭損失（kPa）11005.23 0.079 19.61.554 2804.37 0.237 0.610.145 3804.11 0.213 0.180.038 4703.97 0.460 8.2123.778 5703.35 0.321 8.42.696 6702.60 0.210 8.41.764 7502.12 0.525 8.44.410 8501.50 0.237 5.1151.212 9501.22 0.182 3.30.601 10400.87 0.2

16、52 3.30.832 11320.72 0.501 11.055.536 12501.44 0.255 8.42.142 13502.16 0.503 8.44.225 14703.60 0.377 8.43.167 15805.04 0.311 7.52.333 16805.40 0.362 0.90.326 17806.12 0.433 0.610.264 181008.76 0.203 5.81.177 36.199 （2）管道的局部水頭損失?？紤]閥門、彎頭及三通所造成的局部阻力，按沿程阻力的20%取值，則局部阻力為：（3）環(huán)路最不利出水點(diǎn)所需的最低壓力。因水箱位于樓頂，水箱與最不利出

17、水點(diǎn)的靜水壓大于最不利出水點(diǎn)的最低工作壓力。故環(huán)路中可不計(jì)最不利出水點(diǎn)所需的最低壓力。（4）管網(wǎng)總阻力。最不利環(huán)路的總阻力即為沿程損失、局部損失和集熱器的阻力之和，即：5.3熱水供應(yīng)系統(tǒng)循環(huán)水泵的選型（1）設(shè)計(jì)小時(shí)耗熱量計(jì)算：式中：Qh設(shè)計(jì)小時(shí)耗熱量，kJ/h； m用水計(jì)算單位數(shù)，本次設(shè)計(jì)客房總床數(shù)為72床； qr熱水用水定額，日均用熱水量為120 L/（bd）； c水的比熱容，4187 J/（kg·）；水的密度，1 kg/L；熱水溫度，為60 ；冷水溫度，為5 ；Kh小時(shí)變化系數(shù)，由民用建筑太陽能熱水系統(tǒng)工程技術(shù)手冊表44，取6.84。代入計(jì)算，得設(shè)計(jì)小時(shí)耗熱量為157514 W。

18、 （2）水泵的流量為循環(huán)流量，根據(jù)民用建筑太陽能熱水系統(tǒng)工程技術(shù)手冊4.6.1，全天供應(yīng)熱水系統(tǒng)的循環(huán)流量可按下式計(jì)算： 式中：循環(huán)流量，L/h；配水管道系統(tǒng)的熱損失，W，按設(shè)計(jì)小時(shí)耗熱量的3%5%采用，本次計(jì)算 取5%，則熱損失為7876 W；t配水管道的熱水溫度差，根據(jù)系統(tǒng)大小確定，一般取510 ，取10 ；水的密度，1 kg/L；代入計(jì)算，得熱水循環(huán)流量為677 L/h。故水泵流量為677 L/h，即0.677 m³/h=11.3L/min。（3）熱水循環(huán)水泵揚(yáng)程即為克服管道所產(chǎn)生的阻力43.44 kPa，相當(dāng)于4.344 mH2O，考慮流量儲備系數(shù)1.1，則H為4.778 m

19、H2O。根據(jù)流量和揚(yáng)程，選擇2臺ISG-15-80型熱水循環(huán)泵，其中一臺為備用，具體性能參數(shù)見下表：表54 IRG-15-80型熱水循環(huán)泵性能參數(shù)型號揚(yáng)程m流量m³/h功率kWIRG-15-80720.186.輔助熱源本設(shè)計(jì)采用空氣源熱泵機(jī)組作為輔助熱源，按照陰雨天太陽能供熱量為0，計(jì)算輔助熱源的設(shè)計(jì)小時(shí)供熱量，其值可按下式計(jì)算： 式中：空氣源熱泵的設(shè)計(jì)小時(shí)供熱量，kJ/h； m用水計(jì)算單位數(shù)，本次設(shè)計(jì)客房總床數(shù)為72床；熱水用水定額，日均用熱水量為120 L/（bd）； c水的比熱容，4.187 kJ/（kg·）；熱水密度，1 kg/L；熱水溫度，為60 ； 冷水溫度，為

20、4 ；熱泵機(jī)組設(shè)計(jì)工作時(shí)間，本次設(shè)計(jì)取20 h；代入計(jì)算，得到輔助熱源的供熱量為111421 kJ/h，即為30.95kW，由此選用1臺格力KFRS-36s型號的空氣源熱泵機(jī)組，具體性能參數(shù)見下表：表61 KFRS-36s型號的空氣源熱泵機(jī)組性能參數(shù)表型號制熱量kW水流量m³/h額定功率kWKFRS-36s366.08.77.自動控制系統(tǒng)根據(jù)民用建筑太陽能熱水系統(tǒng)工程技術(shù)手冊4.8，控制系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮到系統(tǒng)所以可能的運(yùn)行模式，并遵循簡單可靠的原則，選擇可靠的控制器和溫度傳感器。7.1運(yùn)行控制太陽能熱水系統(tǒng)的控制方式主要有定溫控制、溫差控制、光電控制、定時(shí)器控制四種。定溫控制和溫差控制以溫度或溫差作為驅(qū)動信號來控制系統(tǒng)閥門的啟閉和泵的啟停，是最為常見的控制方式。強(qiáng)制循環(huán)一般采用溫差控制，因此，本次設(shè)計(jì)對太陽能集熱系統(tǒng)采用溫差控制方式。在水箱與集熱器回水管上分別設(shè)置溫度探頭T1、T2，當(dāng)T2T110時(shí)，啟動集熱循環(huán)泵循環(huán)，T2T15時(shí)，停止集熱循環(huán)泵的運(yùn)行。對與用戶相連的熱水循環(huán)系統(tǒng)采用溫差控制方式，在水箱與熱水回水管底部分別設(shè)置溫度探頭T3，當(dāng)T3T110時(shí)，啟動熱水循