太阳能在空调系统中的应用.doc

太阳能在空调系统中的应用第1章 绪论1.1 我国的太阳能资源我国地面接受的太阳能资源非常丰富，辐射总量为33408400（mj/m2）/a，平均值为5852（mj/m2）/a，主要分布在我国的西北、华北以及云南中部和西南部、广东广南部、福建东南部、海南岛东部和台湾西南部等地区。太阳能高值中心（青藏高原）和低值中心（四川盆地）都处在北纬2235这个条带中。上图为我国太阳能辐射分布图。图中将我国接收太阳辐射分为4哥等级，分别是：非常丰富地区（）6700mj/m2；丰富地区（）54006700mj/m2；较丰富地区（）42005400mj/m2；较差地区（）4200mj/m2。和地球上其他能源，特别是传统的化石能源相比，太阳能的特点是覆盖面广、无害性，相对于传统化石能源资源可以说是取之不尽、用之不竭，总量非常大；其缺点是能量密度较低（约1kw/m2）、分散、受地理位置和气候影响，存在随机性，而且只有白天有，但是随着化石资源的不断减少，大量使用化石资源带来的环境污染等，给我们开发利用太阳能资源带来了机会，当然，基于上述分析，如何实现经济大规模地利用太阳能依然是一项挑战。（参考资料新能源概论）1.2 太阳能在建筑节能中的应用1.2.1 建筑节能的重要意义建筑节能是指在建筑中提高能源利用效率，用有限的资源和最小的能源消费代价取得最大的经济和社会效应。建筑节能具体是指节约采暖供热、空调制冷、采光照明以及调节室内空气、湿度、改变居室环境质量的能源消耗，还包括利用太阳能、地热(水)能源的综合技术工程。欧美等发达国家对建筑节能方面的研究和应用开始得较早。在国内，随着人们对环境问题的日益重视以及可持续发展理念在现代建筑设计中的体现，绿色建筑、可持续建筑、高性能建筑逐步产生。因此在满足使用者舒适度的基础上，如何提高建筑对能源的利用效率、更好地利用自然能源、降低对外界热环境的影响，即建筑节能的问题显得日益重要。我国地域辽阔，各地气候差异悬殊，绝大部分地区冬季寒冷，夏季炎热，温差很大。近年来随着人民生活水平的提高和我国建筑业的快速发展，建筑耗能正在逐步提高。作为耗能大户的建筑，其节能也就成为关系国计民生的重大问题。而同时，由于我国节能工作起步较晚，能源浪费现象严重，建筑节能工作显得尤为突出。1.2.2 太阳能在建筑节能中的应用形式太阳能在建筑节能中的应用形式主要有太阳能的热利用和太阳能光电技术。目前，从我国的实际情况和居民的承受能力来看，光电技术成本过高，暂时不适合在建筑节能中应用；太阳能在建筑中的热利用便成为主要应用方式，尤其是以太阳能在建筑采暖、空调和供应热水等方面的应用为主。1.2.2.1太阳能在采暖系统中的应用 1.2.2.1.1 被动式采暖： 被动式采暖是指利用房屋结构本身完成太阳能的集热、蓄热和放热功能。常用的被动式采暖主要有直接收益式、蓄热墙和附加阳光间3 种。直接收益式系统，是将阳光可以照射到的地面和墙体做成蓄热结构，或将太阳光直接引入室内，其结构如图1 所示。白天利用其蓄积太阳能，晚间这些表面则又成为散热表面。由于直接收益式系统获得的太阳能有限，整幢建筑必须有良好的保温性能才能使此系统发挥作用。蓄热墙的目的是在冬季将进人室内的太阳辐射热储存起来，当夜晚气温下降时再以对流方式逐渐地使热量释放出来。墙体隔着一层玻璃朝向太阳，当阳光透过玻璃照射到墙体上时，一方面墙体开始储存热量，同时处于玻璃和墙体之间的空气被加热。上升的热气流通过墙体上方的开口进人室内，同时带动室内冷空气从墙体下方开口进人风腔，如此不断循环，使室内温度提高。这种系统被称为“特隆比墙”。其结构如图2 所示，特点是简单、经济、实用，容易建造并且应用广泛。附加阳光间系统和蓄热式系统接近，只不过将玻璃幕墙改做成一个阳光间，利用阳光间的热空气及蓄热的南墙来蓄积太阳能。阳光间内的南墙可以开窗，将阳光间内的热空气导人室内。这种系统结构简单，对建筑外立面影响小，如图3 所示。我国被动太阳房采暖节能60 一70 % i ，平均1 平建筑面积每年可节约20 一40 kg 标煤，发挥着良好的经济和社会效益。 1.2.2.1.2 主动式采暖：太阳能主动式采暖是利用太阳能集热器吸收太阳能作为采暖系统的热源，向采暖系统提供低温热水，通过室内部分的采暖系统来完成室内的加温过程，使室内温度达到设计要求门。以太阳能水源热泵采暖系统为例：太阳能水源热泵系统由3 部分组成，即太阳能集热系统、水源热泵系统和热水供应系统。其系统是将建筑物的消防水池作为蓄水供应系统，以解决太阳能的间歇性和不稳定性。在我国大部分地区运用太阳能水源热泵系统，都会收到良好的节能效果，尤其是对于年太阳辐射总量较高，冬季日照率高的地区，该系统是一种理想选择。因此，根据2 种方式采暖自身的特点，室外气温较高的地区可以采取被动方式；对于夏热冬冷的地区应将主动式与被动式结合起来使用。1.2.2 .2太阳能在空调系统中的应用 目前，实现太阳能空调一般有2 条途径：一是先实现光一电转换，再以电力推动常规的压缩式制冷机制冷；二是进行光一热转换，以热能制冷。前者系统比较简单，但成本太高，以当前太阳能电池的价格来算，在相同制冷功率情况下，其造价约为后者的4 一5 倍。因此，国内外的太阳能空调系统至今仍以第2 种为主，而后者又多采用吸收式制冷系统。太阳能吸收式制冷，是利用太阳集热器为吸收式制冷机提供其发生器所需要的热媒水。热媒水的温度越高，则制冷机的性能系数越高，这样空调系统的制冷效率也越高。常规的吸收式空调系统主要包括吸收式制冷机、空调箱、锅炉等，而太阳能吸收式空调系统是在此基础上再增加太阳集热器、储水箱和自动控制系统。夏季，被集热器加热的热水首先进人储水箱，当热水温度达到一定值时，由储水箱向制冷机提供热媒水；从制冷机流出并已降温的热水流回储水箱，再由集热器加热成高温热水；制冷机产生的冷媒水通向空调箱，以达到制冷空调的目的。冬季，同样先将集热器加热的热水进入储水箱，当热水温度达到一定值时，由储水箱直接向空调箱提供热水，以达到供热采暖的目的。当太阳能不能够满足要求时，可由辅助锅炉补充热量。 与常规空调相比，太阳能吸收式空调具有三大优点。 太阳能空调的季节适应性好，也就是说，系统制冷能力随着太阳辐射能的增加而变大，而这正好与夏季人们对空调的迫切要求一致。 传统的压缩式制冷机以氟里昂为介质，它对大气层有极大的破坏作用，而吸收式制冷机是以无毒、无害的澳化锉为介质，它对保护环境十分有利。 同一套太阳能吸收式空调系统可以将夏季制冷、冬季采暖和其他季节提供热水结合起来，显著地提高了太阳能系统的利用率和经济性。在强调太阳能空调优点的同时，也应看到它目前存在的局限性，因而在推广应用过程中应注意解决以下问题： 虽然太阳能空调开始进人实用化阶段，但目前已经实现商品化的产品大都是大型的澳化铿制冷机，只适用于单位的中央空调。对此，科研单位正在积极研究开发各种小型的溟化铿或氨水吸收式制冷机，以便与太阳集热器配套逐步进人家庭。 虽然太阳能空调可以无偿利用太阳能资源，但由于自然条件下的太阳辐照度不高，使集热器采光面积与空调建筑面积的配比受到限制，目前只适用于层数不多的建筑。对此，科研单位正在加紧研制可产生水蒸气的真空管集热器，以便与蒸气型吸收式制冷机结合，进一步提高集热器与空调建筑面积的配比。 虽然太阳能空调可以大大减少常规能源的消耗，大幅度降低运行费用，但目前系统的初投资仍然偏高，只适用于有限的富裕用户。为此，需降低现有真空管集热器的成本，使越来越多的单位和家庭具有使用太阳能空调的经济承受能力。1.2.2.3太阳能在热水系统中的应用太阳能在建筑热水供应中的应用以太阳能热水器为主要形式，太阳能热水器按其集热装置的不同可分为平板式热水器、闷晒式热水器、真空管热水器三大类。经过多年的发展，真空管式太阳能热水器己经取得长足的进步，逐步占据了太阳能热水器市场的绝对主导地位。 太阳能热水器是我国太阳能利用中应用最广泛、产业化发展最迅速的领域，太阳能热水器的经济、环境和社会效益都非常好。但是仍然存在诸多问题，如太阳能设计单位和生产厂家未考虑到我国地域辽阔，不能针对不同纬度地区太阳高度角不同而设计不同采光效果的热水器；太阳能热水器未能与建筑物融为一体，造成了视觉污染等。1.3 本文的研究内容本文主要是针对沈阳某办公楼太阳能供暖系统设计讨论太阳能在采暖系统中的应用，并进行能耗分析。第2章 太阳能热水采暖系统2.1 太阳能热水器吸收太阳辐射并将产生的热能传递到传热介质的装置称为“太阳能集热器”，它是构成各种太阳能热利用系统的关键部件。太阳能集热器可以用以下多种方法进行分类。（1）按传热介质的类型进行分类液体集热器用液体作为传热介质的太阳能集热器。空气集热器用空气作为传热介质的太阳能集热器。（2）按进入采光口的太阳辐射是否改变方向进行分类聚光集热器利用反射器、透镜或其他光学器件将进入采光口的太阳辐射改变方向并会聚到吸热体上的太阳能集热器。非聚光集热器进入采光口的太阳辐射不改变方向也不集中射到吸热体上的太阳能集热器。（3）按是否跟踪太阳进行分类跟踪集热器以绕单轴旋转或绕双轴旋转的方式全天跟踪太阳视运动的太阳能集热器。非跟踪集热器全天都不跟踪太阳视运动的太阳能集热器。（4）按是否有真空空间进行分类平板集热器吸热体表面基本上为平板形状的非聚光集热器。真空管集热器采用玻璃管并在管壁和吸热体之间有真空空间的太阳能集热器。（5）按工作温度范围进行分类低温集热器工作温度在100以下的太阳能集热器。中温集热器工作温度在100250以下的太阳能集热器。高温集热器工作温度在250以上的太阳能集热器。2.2 太阳能热水采暖系统的基本组成与工作原理2.2.1 太阳能热水采暖系统的基本组成太阳能热水系统通常由太阳能集热器、贮水箱、连接管路、辅助加热器、控制器等部件组成。2.2.2 太阳能热水采暖系统的工作原理及运行方式液体太阳能采暖系统的工作原理所谓液体太用能采暖系统，就是用太阳能集热器收集太阳辐射能并转换成热能，以液体（通常是水或一种防冻液）作为传热介质，以水作为储热介质，热量经由散热部件送至室内进行采暖。在集热器循环回路中若采用水，则在冬季夜间或阴雨雪天气都需采取防冻措施；若采用防冻液，则需在集热器和储热水箱之间采用一个液液热交换器，将加热后防冻液的热量传递给采暖用的热水。当储热水箱的热量不能满足需要时，则由辅助热源供给采暖负荷。2.3 太阳能热水采暖系统的发展现状2.3.1 我国太阳能热水采暖系统的发展现状我国太阳能产业发展很快，截至2006年，我国太阳能热水器年生产能力达到1500万平方米，在用太阳能热水器总集热面积达1亿平方米，生产量和使用量居世界第一。虽然我国太阳能热水器应用已经相当广泛，但太阳能采暖工程应用却处于起步阶段，已建成的都是单体示范建筑，如北京清华阳光公司办公楼、天普新能源示范大楼等，太阳能区域供热采暖工程则还没有应用实践。近年的太阳能采暖建设项目中，比较集中和有代表性的是北京周边郊区县新民居的太阳能采暖工程。由于农村住宅相对分散，密度低，不宜采用投资大，维护水平高的集中供暖模式，而传统的燃煤取暖方式又存在效率低、污染环境、费用较高等问题，在农村推广安全环保、运行费用低的太阳能采暖系统符合新农村建设的客观要求。太阳能采暖所需的集热面积远大于太阳能热水系统，安装位置要求较大，对于高层建筑或居住密度较大的城区存在安装建设条件不足的问题，限制了应用，而农村住宅一般建筑容积率较低，没有明显遮挡，具备建设太阳能采暖项目的良好条件。北京平谷区新民居太阳能采暖工程项目进展较早，有很多成功应用的经验。2.3.2 国外太阳能热水采暖系统的发展现状欧洲、北美对太阳能供热（热水、采暖）系统的工程应用已有几十年历史，过去主要用于单体建筑内的小型系统，近十余年来，包括区域供热在内的大型太阳能供热采暖综合系统的工程应用有较快发展。德国是应用太阳能供热技术较早的国家，太阳能采暖技术已经在德国居住区供热设置改造和配套建设中得到广泛推广和应用；欧洲大多数国家都积极鼓励支持利用太阳能，对安装太阳能装置的家庭实行补贴政策，一般补贴为系统造价的2050；以色列80住宅装有太阳能热水器，政府以立法形式规定高度27米以下新建住宅必须安装太阳能热水器。丹麦marstal太阳能供热采暖工程是世界上最大的太阳能供热采暖系统，太阳能集热器设置在大面积空地上，集热器面积1.83万m2，与社区热力网连接，1996年建成运行，年热负荷28gwh/年，同时使用2100m3水箱、4000m3水容量砂砾层及10000m3地下水池蓄热。第3章 太阳能热水采暖系统设计3.1 建筑物热负荷计算3.1.1 建筑物概况3.1.2 室内外设计参数办公楼室内设计参数门厅、楼（电）梯 16办公室 20会议、接待 18多功能厅 18走道、洗手间、公共食堂 16车库 5沈阳室外设计参数纬度 41.44经度 123.27海拔高度 44.7m冬季大气压力 102333pa冬季室外计算干球温度 -16.83.1.3 热负荷计算冬季采暖热负荷的组成：围护结构的基本耗热量、围护结构的附加（修正）耗热量。围护结构的基本耗热量q=kf(tn-tw) k围护结构的传热系数，单位为w/(m2)；f围护结构的散热面积，单位为m2；tn冬季室内计算温度，单位为；tw 供暖室外计算温度，单位为；温差修正系数围护结构的附加（修正）耗热量包括：朝向修正耗热量、风力附加耗热量、房高附加耗热量等。于是，供暖房间通过围护结构的传热耗热量q=(1+g) kf(tn-tw)(1+ch+f)g 房高修正率ch 朝向修正率f风力修正率具体负荷见附件负荷计算3.2 室内采暖系统设计计算本系统中采用低温热水供热，供回水温差5，平均水温35，t1=37.5，t2=32.5。3.2.1 散热设备计算地板辐射采暖设备设计计算地热盘管使用ppr管，平均水温35，各楼层房间的盘管如下一层楼音控室环路1管长:41m 间距:300 负荷:1041 管径:de20工作区及办事大厅环路2管长:114m 间距:250 负荷:2292 管径:de20环路3管长:72m 间距:250 负荷:1614 管径:de20环路4管长:106m 间距:250 负荷:1748 管径:de20环路6管长:94m 间距:250 负荷:1833 管径:de20环路7管长:102m 间距:250 负荷:1748 管径:de20环路8管长:81m 间距:250 负荷:1614 管径:de20厕所环路5管长:45m 间距:250 负荷:2112 管径:dn15二层楼厕所环路9管长:27m 间距:200负荷:1490 管径:de20档案室左侧房环路10管长:46m 间距:300 负荷:1100 管径:de20档案室环路13管长:93m 间距:250 负荷:1980 管径:de20环路14管长:79m 间距:250 负荷:1980 管径:de20两人间办公室环路11管长:44m 间距:300 负荷:1007 管径:de20两人间办公室环路12管长:58m 间距:250 负荷:1040 管径:de2010人会议室环路15管长:74m 间距:400 负荷:1662 管径:de20三楼厕所环路16管长:25m 间距:150 负荷:1357 管径:de202人间办公室1环路17管长:135m 间距:100 负荷:1346 管径:de20两人间办公室，2环路21管长:141m 间距:100 负荷:1354 管径:de20环路23管长:141m 间距:100 负荷:1354 管径:de20两人间办公室2环路20管长:127m 间距:100负荷:1680管径:de20两人间办公室3环路18管长:57m 间距:200负荷:1007管径:de20两人间办公室环路19管长:50m 间距:300负荷:962管径:de20两人间办公室4,5环路22管长:111m 间距:300/250负荷:1960管径:de20四楼厕所环路24管长:25m间距:150负荷:1357管径:de202人间办公室1环路25管长:130m间距:100负荷:1332管径:de202人间办公室2环路29管长:141m 间距:100负荷:1533管径:de202人间办公室3环路26管长:66m间距:200负荷:1067管径:de202人间办公室4环路27管长:73m间距:200负荷:1131管径:de2021人会议室环路28管长:101m 间距:400负荷:2247管径:de20环路30管长:77m 间距:400负荷:1532管径:de20根据各个采暖房间的负荷，选择pp-r管，管径20mm，敷设方式见图。楼梯间采用散热器，热源不用太阳能，用市政管网。左侧楼梯间总负荷为4822w，右侧楼梯间总负荷为4894w散热器的选择计算散热器类型的选择使用柱型散热器（四柱813），连接形式为同侧上进下出，安装形式为散热器安装在墙面上加盖板。散热器面积的计算f=123q/k（tp-tn）f散热器的散热面积，单位为m2；1散热器的片数修正系数，按供热工程附录b中表b-11采用；2散热器的连接形式修正系数，按供热工程附录b中表b-12采用；3散热器的安装方式修正系数，按供热工程附录b中表b-13采用；q散热器的散热量，单位为w；k散热器的散热系数，单位为w/（m2）tp散热器内热媒平均温度，单位tn室内供暖温度，单位tp=（tsg+tsh）/2市政管网供水温度95，回水温度70。则tp=（95+70）/2=82.5查的，1=1.05（假定每组片数1020）；2=1.0；3=1.02k=7.65w/（m2）则f1=4822*1.05*1.0*1.02/（82.5*7.65）=8.19m2f2=4894*1.05*1.0*1.02/（82.5*7.65）=8.31m2单片尺寸高度1000mm，宽度200mm，每片的散热面积f=1*0.2=0.2m2左侧用的片数n=8.19/0.2=40.95=41，右侧用到的片数n=8.31/0.2=41.55=42则每侧楼梯间用3组散热器，每组散热器片数为14，即在一、二、三楼的楼梯间3.2.2 室内采暖系统水力计算沿程阻力与局部阻力计算沿程阻力计算与传统型类似，根据管径与设计流量查设计标准，其计算过程如下：设负荷为q、管长l、设计供回水温度差t、流量g=(0.86q)/t，则实际管径及流量g可以查得比摩阻r，故py=rl。局部阻力计算，包括两部分，一是分集水器及其进出口阀门局部阻力1，二是埋地塑料管的弯头局部阻力2，1的计算较为复杂，而且不能精确计算，虽然阀及分集水器的局部阻力系数均有实验数据，但是因为相距太近，相互影响程度较大，只能将其作为一个局部整体处理，就目前来讲尚无实验数据。它的计算只能定性分析。下表是各个采暖房间地热盘管小环路的水力计算,即散热设备段的水力计算对环路1进行举例计算如下：负荷q=1041w，管长l=40m，设计供回水温差t=5，则流量g=(0.86q)/t=（0.86*1041）/5=179.05kg/h,实际管径=20，查的比摩阻r=116pa/m,则py= rl=4773papj=v2/2（2n）=807papy+pj=5580 pa其他各环路的水力计算如下表水管水力计算编号负荷w流量kg/h管径管长mv(m/s)r(pa/m)py(pa)*npj(pa)py+pj(pa)环路11041179.120410.2721164773228075580环路22292394.2201140.5985215943536639865833环路31614277.620720.4212661917930264421823环路41748300.7201060.4563103287234351536387环路52112363.320450.5514452004764965829704环路61833315.320940.4783403191936409236011环路71748300.7201020.4563103163234351535147环路81614277.620810.4212662157730264424221环路91490256.320270.38922961793425548732环路101100189.220460.28712959383614747411环路111007173.220440.2631094814268925706环路121040178.920580.27111667403813908131环路131980340.620930.5173943660430397940583环路141980340.620790.5173943109430397935073环路151662285.920740.4342822084424224323086环路161357233.420250.35419247923421186910环路171346231.5201350.3511892548366404529528环路181007173.220570.26310962373813047540环路19962165.520500.2511005023309395963环路201680289201270.4382883651470668443198环路211354232.9201410.3531912691572446631381环路221960337.1201110.5113864284750649849346环路231354232.9201410.3531912691572446631381环路241357233.420250.35419247924226167409环路251332229.1201300.3481852405966396128020环路261067183.520660.27812280473814649510环路271131194.520730.295136992746199111918环路282247386.5201010.5865025068528478355468环路291533263.7201410.42423405776604240099环路301532263.520770.42411857524190620481对于供回水立管、干管的水力计算系统图如下图一层楼环路1的总压力损失1551+41967=43518pa环路2的总压力损失1151+2250+21823=25224pa环路3的总压力损失1151+2250+1949+65833=71183环路4的总压力损失1151+2250+1949+6785+36011=48146环路5的总压力损失1151+2250+1949+6785+1561+69072=82768二层楼环路1的总压力损失1362+8732=10094环路2的总压力损失1362+598+5706=7666环路3的总压力损失1362+598+1681+7411=11052环路4的总压力损失1362+598+1681+2353+8131=14125环路5的总压力损失1362+598+1681+2353+1032+75656=82682环路6的总压力损失1362+598+1681+2353+1032+1626+23086=31738三层楼环路1的总压力损失1399+6910=8309环路2的总压力损失1399+1230+29528=32157环路3的总压力损失1399+1230+1956+7540=12125环路4的总压力损失1399+1230+1956+3000+5963=13548环路5的总压力损失1399+1230+1956+3000+1094+31381=40060环路6的总压力损失1399+1230+1956+3000+1094+4172+31381=44232环路7的总压力损失1399+1230+1956+3000+1094+4172+2177+49346=64374环路8的总压力损失1399+1230+1956+3000+1094+4172+2177+736+43198=58962四层楼环路1的总压力损失1542+7409=8951环路2的总压力损失1542+3594+28020=33156环路3的总压力损失1542+3594+1180+9510=15826环路4的总压力损失1542+3594+1180+2260+40099=48675环路5的总压力损失1542+3594+1180+2260+936+11918=21430环路6的总压力损失1542+3594+1180+2260+936+1219+55468=66199环路7的总压力损失1542+3594+1180+2260+936+1219+523+20481=31735则最不利换路为一楼环路5，阻力pm=82768pa=8.28m水柱楼层不平衡率计算不平衡率=（p1+p2-p3）/（p1+p2）p1楼层最长环路的压损p23.2.3 室内采暖系统循环水泵与定压装置的选择循环水泵的型式与规格总的水流量为g=7822.56kg/h=7.8m3/h使用并联的两台泵，流量取1.1-1.5倍每台泵的水流量q=7.8/2*1.11.5=4.295.85m3/h 两台水泵并联使用时单台水泵承担的流量为单台满流的95%（并联泵的衰减问题）系统最不利环路的阻力为8.28m水柱，立管总高度为10.7m泵的扬程h一般要求泵的额定扬程为装置所需扬程的1.051.1倍则h=（8.28+10.7）*1.051.1=19.92920.878 泵的型式和规格如下：型号叶轮流量扬程转速重量必需汽蚀余量配用电机型式h(m)nkg(npsh)r(m)kw(m3/h)(l/s)(r/min)sls32-12551.39202950382.31.1尺寸（包括电机）：长l=260mm，宽=b2=237.5mm，高h=440mm，进出水管高度100mm水泵并联同时使用时的衰减问题：两台水泵并联时总流量为单台流量的1.9倍上述所选型号满足需求定压装置采用自来水补水定压。循环水泵与定压装置的安装位置循环水泵安装在机房，在蓄热水箱供水段的出口3.3 太阳能集热系统设计计算3.3.1太阳能集热器的选择与安装太阳能保证率系统中由太阳能部分提供的热量除以系统总负荷。太阳能集热器的选择目前国内的太阳能集热器主要有平板型集热器、全玻璃真空管集热器、u形管式全玻璃真空管集热器、热管-真空管集热器等。平板型集热器在我国70年代就已经生产。这种集热器集热快、价格低、承压高,耐热冲击性能好,但热损失大,工作温度低,不耐冰冻。全玻璃真空管集热器80年代以后在我国开始生产,这种集热器热效率高,其成本、耐冰冻性、夜间保温性能介于热管和平板集热器之间,承压能力低(0.30.5 mpa),耐热冲击能力较差,空系统注入冷水,与玻璃真空管直接接触,真空管可能会炸裂,一根管子破裂整个系统就需停用检修,玻璃管内易结垢且难清理,系统可靠性差。为提高全玻璃真空管集热器的承压能力和防止因玻璃真空管破裂而影响运行,出现了改进型u型管式全玻璃真空管集热器，即在原真空管内放入u型铜管(铜管上带铝翼片),水或其他热介质在铜管内循环运行,使承压能力大幅提高,通常可达1.2mpa,但热效率有所降低。在我国于1986年以后研制生产,这种集热器热效率一般比全玻璃真空管略低,价格较高,但其承压能力大,耐热冲击性好,不会炸管,系统可靠度高,夜间散热损失小,不会产生夜间通过集热器散热的热倒流现象,一定程度上弥补了白天热效率低的缺点。根据以上分析,太阳能地板辐射采暖采用防冻性能好、承压能力高的u型管式全玻璃真空管集热器、热管式真空管集热器较好。本系统中采用热管式真空管集热器。直接系统太阳能集热面积的计算式中：ac直接系统集热器总面积，（m2）；qh 建筑物的耗热量， （w）；jt 当地集热器采光面上的采暖期平均日太阳辐照量，j/（m2日），按附录a 选取；f太阳能保证率，%，按附录a 选取；cd基于总面积的集热器集热效率，%，按附录b方法计算；l管路及贮热装置热损失率，%，按附录c 方法计算。附录a城市名称 纬度 hha hla hht hlt ta sy td sd 资源区沈 阳 4146 13.091 14.980 6.186 11.437 8.6 7.0 -8.5 4.9 注：hha：水平面年平均日辐照量，mj/m2d；hla：当地纬度倾角平面年平均日辐照量，mj/m2d；hht：水平面十二月的月平均日辐照量，mj/m2d；hlt：当地纬度倾角平面十二月的月平均日辐照量，mj/m2d；ta： 年平均环境温度，；td： 十二月的月平均环境温度sy： 年平均每日的日照小时数，h；sd： 十二月的月平均每日的日照小时数，h。则jt=11.437*106 j/（m2日），f=20%太阳能集热器集热效率计算方法二次方程cd =0 a1t* a2g ( t* )2 式中：a1 以t*为参考的常数a2 以t*为参考的常数g 总太阳辐照度， w / m2 ， 方程中的归一化温差t* =（ ti ta ）/ g 短期蓄热太阳能供热采暖系统计算太阳能集热器集热效率时，归一化温差计算的参数选择应符合下列原则：1 直接系统的ti取供暖系统的回水温度，间接系统的ti等于供暖系统的回水温度加换热器的换热温差。2 ta 取当地12 月的月平均室外环境空气温度。3 g = hd / ( 3600 sd ) 式中：hd 当地12 月集热器采光面上的太阳总辐射月平均日辐照量，mj / ( m2 d )sd 当地12月的月平均每日的日照小时数，h g=11.437*106/（3600*4.9）=648.36w/m2t*=(32.5+5-8.6)/648.36=0.0446m/w（换热温差5）则cd=0.739-1.08*0.0446-0.0056*648.36*0.03862=0.685太阳能集热系统管路、水箱热损失率计算方法c.0.1 太阳能集热系统管路单位表面积的热损失可按下式计算：式中：ql 管路单位表面积的热损失，d i 管道保温层内径，m；d 0管道保温层外径，m；ta保温结构周围环境的空气温度，；t设备及管道外壁温度，对于金属外壁设备及管道，通常可取介质温度，；a表面散热系数，w /（m2）；贮水箱单位表面积的热损失可按下式计算：式中：q 贮水箱单位表面积的热损失，保温层厚度，m，对于管道保温：保温材料导热系数，w/（m2）；对于圆形水箱保温：管路及贮水箱热损失率l可按下式计算：l = （ql + q）/（jtcd） 由于计算复杂，采用经验值（来源gb-t 18713-2002 太阳热水系统设计、安装及工程验收技术规范附录a）取l=0.2则ac=86400* 50302*0.2/11.437*106/0.685/（1-0.2）=138.7m2间接系统太阳能集热器总面积应按下式计算：式中：ain间接系统集热器总面积，m2；ac直接系统集热器总面积，m2；ul集热器总热损系数，w/（m2），测试得出；uhx换热器传热系数，w/（m2），查产品样本得出；ahx间接系统换热器换热面积，m2，按附录e 方法计算。e.0.1 间接系统热交换器换热面积可按下式计算：ahx = ( 1l ) qhx / ( uhx tj ) （e.0.1-1）式中：ahx间接系统热交换器换热面积，m2；l贮热水箱到热交换器的管路热损失率，一般可取0.020.05；qhx热交换器换热量，kw；结垢影响系数，0.60.8；uhx热交换器传热系数，按热交换器技术参数确定；tj传热温差，宜取510，集热器热性能好，温差取高值，否则取低值。e.0.2 热交换器换热量可按下式计算：qhx = （ kfq ）/ ( 3600sy ) （e.0.2-1）式中：qhx热交换器换热量，kw；k太阳辐照度时变系数，取1.51.8，取高限对太阳能利用有利，但会增加造价；f太阳能保证率，%，按附录a 选取；q太阳能供热采暖系统负担的采暖季平均日供热量，kj；sy当地的年平均每日的日照小时数，h。e.0.3 太阳能供热采暖系统负担的采暖季平均日供热量可按下式计算：q = qh 86400 （e.0.3-1）式中：q太阳能供热采暖系统负担的采暖季平均日供热量，kj；qh建筑物耗热量，w。qhx = （ kfq ）/ ( 3600sy )=（1.5*0.2* 50302*86400*10-3）/（3600*7.0）=51.74kw板式换热器的取值：参考化工工艺设计手册进行热交换的流体是液体和液体，流动方式是逆流，传热系数的取值范围为13003500kcal/（m2h），uhx=1.5115624.06959 kw/m2k本设计中取uhx=4.0kw/m2kahx =（1-0.02）*51.74/（0.6*5*4）=21.2m2换热器的尺寸：板片传热面积：0.2m2，换热器换热面积25，板片数量128，整个换热器长1615（有效板的数量叠加厚度1040）宽760高1370ul/uhx=0.1则ain=138.7*（1+0.1*138.7/21.2）=229.5.5m2195.5/95%=241.5m2199.49/4.4=55个需要的集热器个数为55个由于建筑物屋面铺设面积受限，最多平铺的集热器个数受限，屋面斜坡的长度为11100/2*cos21=5152.4mm=5.15m，集热器的长度为2.2m，5.15/2.2=2.35集热器前后0.2m，铺设3排集热器，根据屋面情况，总共需要的集热器的个数为20个，则总的集热面积为20*4.4=88m2太阳热水系统可采用位于储水箱内的单循环换热器，大型太阳热水系统宜选用双循环外部换热器。在采用双循环外部换热器时，应使换热器两边的热容流量(比热乘以质量流量)相等太阳能集热系统的设计流量应按下式计算：gs = g a 式中：gs太阳能集热系统的设计流量， m3 / h；g太阳能集热器的单位面积流量，m3 /（hm2）；a太阳能集热系统中的太阳能集热器总面积，m2；太阳能集热器的单位面积流量g 与太阳能集热器的特性和用途有关，应根据太阳能集热器生产企业给出的数值确定。在没有企业提供相关技术参数的情况下，根据不同的系统，宜按下表给出的范围取值。对于太阳能集热器的单位面积流量的取值参考上表（来自太阳能供热采暖技术工程规范）取g=0.05 m3 /（hm2）则gs=0.05*4.4*32=7.04m3/h太阳能集热器的安装位置与安装角度太阳能集热器安装在建筑物顶层安装角度的确定太阳能集热器的方位角宜朝向正南放置。在全年使用时，集热器的安装倾角宜取与当地纬度相等；在偏重于冬季使用时，倾角应加大至约比当地纬度大10度；在偏重于夏天使用时，则宜比当地纬度小10度。本设计太阳能方位角朝正南布置，倾角为4146+10=5146=51.77查太阳能集热系统设计与安装附录2，面积补偿比95%集热器前后两排间距集热器顺坡屋面安装时，集热器之间不存在遮挡关系，留出安装间距和检修空间即可。本设计中屋面倾角21，两排或两排以上集热器安装，集热器之间的距离大于日照间距，避免互相遮挡。集热器前后排之间的最小距离d计算方法为：d=h*cots*cos。式中：d集热器与遮光物或集热器前后排的最小距离（m）；h遮光物最高点与集热器最低点的垂直距离；取0.1ms计算时刻的太阳高度角（）计算时刻的太阳高度角s按照下式计算：m偏离正午的时间（h），上午取负值，下午去取正值，计算时刻的选取如下：全年运行系统：选春分/秋分日的9：00或15：00；主要在春、夏、秋、三季运行的系统：选春分/秋分日的8：00或16：00；主要在冬季运行的系统：选冬至日的10：00或14：00；集热器安装方位为南偏东时，选上午时刻；南偏西选下午时刻。=42；=23.45sin360*（284+355）/365=-23.45；=-2*15=-30；则sins=sin42sin（-23.45）+cos42cos（-23.45）cos（-30）=0.324则coss=0.946，cots=2.92太阳方位角 按照下式计算：sin=cos（-23.45）sin（-30）/0.946=-0.05；cos=1则=-2.87 0 = -；=-30，0=-2.87-（-30）=27.13，cos0=0.89则d=h*2.9*0.89=0.29m=2.58h由于建筑物铺设面积有限，本设计中采用沿屋面倾角铺设。3.3.2 蓄热水箱的设计计算各类太阳能供热采暖系统对应每m2 太阳能集热器采光面积的贮热水箱容积范围宜按下表选取，根据设计蓄热时间周期和蓄热量等参数计算确定。（表格来源太阳能供热采暖工程技术规范）主动式太阳能采暖蓄热水箱容积由采暖系统所需的最大蓄热量以及蓄热温差来决定。蓄热水箱容积为：vs=qs/（cw）式中，qs采暖系统所需的最大蓄热量，本设计中取为一天内建筑物所需的热量qs=50302*86400=4346092800jvs蓄热水箱容积，m3；45t1采暖系统供水温度，37.5；水的密度，990.25kg/m3；cw水的比热，4.2*103j/（kgk）。则vs=4346092800/（45-37.5）（990.25*4.2*103）=139.32m3 为便于研究，定义s为单位集热器面积所需蓄热水箱的容积，m3/m2s=vs/ac=139.2/165.2=0.843 m3/m2=843l/m2本设计中取为一天内建筑物所需的热量，所需水箱容积较大，改为采用蓄热量为有效太阳能集热量大于采暖建筑热负荷的时候对时间