太阳能热水系统建筑一体化的实践与思考.doc

天马行空官方博客：/tmxk_docin ；QQ:1318241189；QQ群：175569632太阳能热水系统建筑一体化的实践与思考摘要：本文主要介绍了平板式太阳热水系统与建筑一体化设计时的主要考虑点的解决方案。 关键词：建筑一体化；平板集热器；防水；系统 太阳能集热器的优越性早为人们所认同，已使用多年。但在住宅建筑中都将其视为一种设备，支或挂附在建筑物的墙面、屋面上。其特立独行的模样影响了建筑的观瞻，以至于许多地区从整顿市容的角度出发，要求拆除群众自发安装的太阳能集热装置。怎样解决好上述问题，即有效利用太阳能又美化建筑环境，这就成了广大业内人士十分关注的问题。 太阳能与建筑一体化是太阳能健康发展的必由之路。国家发改委、建设部都在热情关注、支持这一事业的发展并相继在全国范围内建立了一批太阳能与建筑一体化试点工程项目，对这一事业的发展起到了协助推动的作用。 北京九阳实业公司和北京天鸿房地产开发有限责任集团公司联合承担的国家发改委、建设部太阳能与建筑一体化试点项目北京项目，通过双方的密切配合，使项目本身达到非常好的效果，获得了国家发改委组织的外国专家组的一致好评。 下面我们介绍一下我们在工程设计和实践中的一些基本思路和做法。 一、集热产品的选择 集热器产品主要有全玻璃真空管式、热管式和U型管式、平板式几种。 全玻璃真空管式，效率高，四季均可提供生活热水，但与平板式集热器相比，存在一定的安全隐患，即有可能发生爆管的问题。 热管式效率高，系统较成熟，无安全隐患，但对水质要求较高，造价高。 U型管式，热效率较高(与全玻璃真空管式相比稍低)，无安全隐患，但系统不够成熟，造价较高。 平板集热器整体性好，寿命长，故障少，安全隐患、成本造价低，由于采用排空防冻技术，从而很好的解决了平板集热器系统冬季不能使用的缺憾。同时平板集热器还具有以下优点： 1 平板集热器无真空度要求，热性能稳定，整体性好，使用寿命长。 2 平板集热器系统中，水或工质在金属流道内流动，不接触玻璃盖板，不会出现因骤冷、骤热引起暴管导致系统瘫痪。 中国最大的资料库下载3 平板集热器可以实现紧凑式或无间隙安装，在生产热水的同时，还具有保温、隔热、遮光，防水的传统屋面功能，这就为取代部分或全部屋面构件提供了基础。 4集热器形状结构可灵活设计，尺寸可与建筑材料的模数和建筑结构达到较好的相容性。 5平板集热器承压性能好，可使系统运行稳定。 综上所述，平板式太阳能集热器，在工程中应用时，通过对产品的进一步改进，其整体性、故障、寿命、投资等方面具有更大的优势。 二、防水处理 根据太阳能平板集热器坡度要求，我们将其与坡屋面结合设计，嵌入南坡屋面并和瓦面相平，各种管线均为暗装（表面设可拆开挡板）与瓦屋面浑然一体。这种设计方案决定屋面防水成为技术关键。既要保证安装又要排水顺畅不漏雨。为此我们在屋面土建设计方面选择了盆槽式汛水方式解决。汛水表面敷设“自粘防水卷材”（自愈合）满足了瓦面交搭和设备安装点的防水要求。 同时北京大气环境可吸入颗粒物较多，因此要经常对热板进行清洁维护。为方便人员在坡屋面上擦洗操作，设计中在屋脊处埋设钢管把杆（接入防雷系统）。在其上可钩挂软梯和人员安全带。 太阳能集热板安装角度要求一般与北京纬度相同（40o）形成阁楼空间，本设计中加以利用，为顶层户型扩充了使用空间。 本工程中使用的太阳能集热板有光滑平整的表面。将其嵌入斜屋面后，为人们司空见惯的形式增加了靓点，丰富了天际线。 三、集热器安装设计方案 在集热板与四周瓦的结合，及集热板之间的防水设计方面，我们采用了100%的结构防水设计方案。从而很好的解决了屋面防水的可靠性。 四、热水系统设计 1按系统形式划分可分为： (1) 分户式系统； (2) 集中式系统。 分户式系统是最常见的系统形式，各家各户自成独立的系统，没有各户之间的流量分配问题，以及复杂的控制问题，安全隐患也比较好解决。但未考虑到各户之间使用的不平衡，不能够充分利用太阳能集热设施、对于整个小区来说系统规模庞大，利用率也较低，从而造价相对较高。 集中式系统，目前国内采用的工程较少，而且主要集中在宾馆、饭店等公共建筑，对于小区住宅尚无此范例。借鉴国内其他集中式太阳能系统实践经验，经计算论证，住宅小区集中利用太阳能解决生活热水问题是可行的。 集中式系统，相对于分户式系统，有显著节约初投资、运行维护方便，使太阳能集热系统可以得到充分利用等优势。2 .太阳能热水系统设计计算 4.2.1基本参数 (1) 用水人数 404号楼共有住户21户，每户以2.8人计，用水人数共计约59人。 (2) 用水定额(热水定额) 404号楼有集中热水供应和淋浴设备，每人每日用热水定额以60热水计算，取100L/人d。 (3) 用水时间 24小时全日供应热水 4.2.2设计计算 (1) 设计小时耗热量的计算 式中：Qh设计小时耗热量(W) m用水人数 qr热水用水定额(L/人d) Qh水的比热，c=4187(J/kg) tr热水温度，tr=60() tL冷水温度，tL=10() r热水密度(kg/L)，r=0.983kg/L kh小时变化系数，kh5.12 Qh=71951(W) (2) 设计小时热水量 式中：qrh设计小时热水量(L/h) h设计小时耗热量(W) tr设计热水温度()，tr=55() tL设计冷水温度()，tL=10() r热水密度(kg/L)，r=0.986(kg/L) qrh=1394.32(L/h) (3) 全日供应热水系统的热水循环流量 式中：qx全日供应热水的循环流量(L/h) Qs配水管道的热损失(W)，取设计耗热量的5% t配水管道的热水温度差()，取5 qx= 615.6(L/h) (4) 热水供水管的设计秒流量q(L/s) 计算最大用水时卫生器具给水当量平均出流概率 式中：Uo生活给水管道的最大用水时卫生器具给水当量 平均出流概率(%) qr最高热水用水定额 m每户用水人数 kh热水小时变化系数 Ng每户设置的卫生器具给水当量数 T用水时数(h) 0.2 一个卫生器具，给水当量的额定流量(L/s) Uo0.012% 查建筑给水排水设计规范(GB500152003)得系统热水供水管的设计秒流量为q=2.51(L/s)。 4.2.3 设备选取 (1) 蓄水箱 对于太阳能热水系统，由于受自然条件(太阳辐射一天之内随时间变化)的限制，太阳能集热系统，不可能全天24小时满足设计小时用水量(qrh)的要求。为满足使用要求，根据实际情况，考虑蓄热水箱水量、太阳能集热板的功率和用户用水量之间的关系，设计水箱容量为4.5个最大小时用水量(qrh)，则必能满足用水量的要求。 水箱的有效容积vk4.5 qrh6.5m3。 (2) 太阳能系统水泵选择： 1) P1泵（太阳能集热系统给水泵） P1泵的流量即为系统设计热水量qrh1394.32（L/h） 扬程考虑到位置高度，沿程损失，局部损失以及配水最不利点所需的流出水头，取qrh0.25（MPa） 2) 热水系统循环泵 循环流量Qx615.6（L/h） 水泵扬程，仅考虑循环水量通过配水管，回水管的水头损失，计算得： Hb0.10（MPa） 3) 系统给水变频泵组： 给水系统采用变频装置： 流量为热水供水管的设计秒流量q2.51（L/s） 扬程H0.28（MPa） (3) 容积式热交换器 1) 加热面积 容积式热交换器按系统最不利工况，即太阳能系统不工作时的条件确定。 式中：F水加热器的加热面积（m2） Qz制备热水所需的热量，即设计小时耗热量Qh(W) K传热系统数（W/m2）取K1500（W/m2） 由于水垢和热媒分布不均匀影响传热效率的系数，取0.8 tj热媒与加热水的计算温度差（） = tmc、tmz热媒的初温和终温 tc、tz被加热水的初温和终温 cr热水供应系统的热损失系数，取cr1.15 Fjr=1.84m2 2)贮水容积 容积式热交换器贮存保证系统用户45min设计小时耗热量，即 3) 热媒耗量 式中：Q-热媒耗量 C-热水的比热，C=4187(j/kg) Tmz、Tmc热媒的初温、终温 G=0.79(kg/s) 4.3 太阳能集热板面积的确定 1) 方案一：按厂家提供的集热板产水量(春秋季产水量80L/m2d)计算。 考虑降低初投资的因素，选择集热板的面积时，其设计人均水量按75L/人d标准，剩下不足部分由辅助热源满足。所以集热板日产水量应为4.5个最大小时热水用量(qrh)的75%计，即4.5qrh0.754705 L/d。需太阳能集热板的面积58.8m2，平板太阳能集热器(1.0m2.0m0.08m)的单板为2.0m2，故需太阳能集热板30片。 2) 按太阳热水系统设计、安装及工程验收技术规范 GB/T 187132002附录A计算。 Ac直接系统集热器采光面积，m2 Qw均用水量，5900kg Cw水的定压比热容4.18 (KJ/kg) tend储水箱内水的终止温度，50 ti 水的初始温度，15 f 太阳台保证率50% Jr 当地春分或秋分所在地集热器受热面上月均辐照量，17900KJ/m2 cd 集热器全日集热效率50% c 管道及储水箱热损失率20% Ac60m2 需平板太阳能集热器30片。 3) 通过上述两种方法的计算结果表明，本工程采用1.02.00.08m平板式太阳能集热器30片是适宜的。 4.4系统控制说明 1. 初始正常状态时，F1关、P1停、F2关、F3关、F4开。 2. 当水位HH1，T2Tmax，T1T2+Tk时，P1启动循环加热至T1T2+Tg时停。 3. 当水位HH1，T2Tmax，T1T2+Tk时，F1开补水至H1时关，P1启动循环加热至T1T2+Tg时停。 4. 当水位H2HH1，T2Tmax，T1T2+Tk时，P1启动循环加热至T1T2+Tg时停。 5. 当水位HH2，T2Tmax，T1T2+Tk时，F1开补水至H2关，P1启动循环加热至T1T2+Tg时停。 6. 当水位HH2，T1T2+Tk时，F1开补水至H2关。 7. 当T345时，F2开提供外网一次热水换热至T355关。 8. 当太阳热水系统维修时，F3开、F4关提供外网二次热水。 注：Tmax60，Tk20，Tg12。 H2水位保证系统用户45min的用水量。 H1水位保证系统用户4h用水量。 容积式热交换器保证系统用户45min的设计小时耗热量。 通过本工程的设计，我们感到要真正做到太阳能与建筑一体化，没有房地产商、建筑设计院的参与其结果是不容乐观的。我们真诚希望有更多的房地产开发商、建筑设计院积极参与到这一行列中来，共同推动绿色能源运用的发展，开创我国建筑节能的美好未来！家用太阳热水系统技术条件自2003年10月1日实施。现将家用太阳热水系统技术条件中的技术要求摘录如下，供读者参考。6技术要求6.1技术要求内容家用太阳热水系统技术要求应符合表2的规定。6.2总体要求6.2.1热性能紧凑式与分离式家用太阳热水系统的热性能应符合下列要求：a) 当日太阳辐射照量为17MJ/m2，贮热水箱内集热结束时水的温度45，紧凑式太阳热水系统单位轮廓采光面积贮热水箱内水的日有用得热量7.5MJ/m2；分离式与间接式太阳热水系统，日有用得热量7.0MJ/m2。b）家用太阳热水系统的平均热损因数22W/（m3K）。闷晒式太阳热水系统热性能应符合下列要求：a）当日太阳辐照量为17 MJ/m2，贮热水箱内集热结束时的水温45时，单位轮廓采光面积贮热水箱内水的日有用得热量7.5MJ/m2。b）家用太阳热水系统平均热损因数90W/（m3K）。在符合或要求后，宜进行GB/T 18708家用太阳热水系统热性能试验。6.2.2水质家用太阳热水系统提供的热水应无铁锈、异味或其他有碍人体健康的物质。6.2.3耐压家用太阳热水系统应符合JB 4732的要求，能承受1.25倍额定压力的试验压力。封闭式的家用太阳热水系统应能承受非正常情况下产生的负压。6.2.4过热保护家用太阳热水系统在高太阳辐照且无大热量消耗的条件下应能正常运行。家用太阳热水系统在通过某个部件来排放一定量蒸汽或热水作为过热保护时，不应由于排放蒸汽或热水而对住户构成危险。在太阳热水系统的过热保护依赖于电控或冷水等措施，则应在家用太阳热水系统产品使用说明书上标注清楚。 对于向用户提供热水温度超过60的太阳热水系统，应在使用说明书中提示用户防止烫伤。6.2.5电气安全 家用太阳热水系统如包含有电器设备，则电气安全应符合GB 4706.1、GB4706.12和GB 8877和NY/T513行标规定的要求。家用太阳热水系统所使用的电器设备应有漏电保护、接地与断电等安全措施。6.2.6外观太阳集热部件的透明盖板应无裂损；全玻璃真空太阳集热管的罩玻璃管按GB/T 17049要求；吸热体涂层颜色应均匀，不起皮、无龟裂和剥落。家用太阳热水系统的贮热水箱外部应表面平整，无划痕、污垢和其他缺陷。 标称采光面积与实际轮廓采光面积的偏差3%。6.2.7空晒平板太阳集热器/部件组成的家用太阳热水系统应符合GB/T6424的要求。真空管太阳集热器/部件组成的家用太阳热水系统应符合GB/T 17581的要求。6.2.8外热冲击做两次外热冲击试验，家用太阳热水系统不允许有裂纹，变形，水凝结或浸水。6.2.9淋雨不允许有雨水浸入家用太阳热水系统的集热器/部件、水箱及其通气口和排水口等。6.3部件6.3.1真空太阳集热管对于太阳集热器可以分开进行试验的太阳热水系统，如平板太阳集热器应符合GB/T 6424 与GB/T 4271 的要求及规定的各项试验，平板太阳集热器的热性能应按GB/T 4271 规定的方法进行试验。对于太阳集热器可以分开进行试验的太阳热水系统，如真空管太阳集热器应符合GB/T17581的要求及规定的各项试验。对于集热部件与贮热水箱不可以分开进行试验的太阳热水系统，应符合本标准6.2的各项要求及规定的各项试验。6.3.4管路家用太阳热水系统设计应保证管路中不会因出现结渣或沉积而严重影响系统的性能。对于自然循环系统，为了减少流动阻力，连接管路宜短，不用或少用直角弯头；为了防止气阻，上循环管沿水流方向应有向上的坡度，下循环管沿水流方向应有向下的坡度。管路的直径与连接件宜采用标准件，应符合GB/T 15513的要求。管路保温层应具有合理的厚度，管路的保温制作应符合GB/T 4272 规定的要求。6.3.5循环泵循环泵应与传热工质有很好的相容性。泵的安装应制造厂家的要求进行，并做好接地保护。6.3.6换热器换热器与传热工质有很好的相容性，不会对用水产生污染。家用太阳热水系统若用在水硬度高且水温高于60的地区，则换热器设计应考虑结垢或清洗问题。6.3.7贮热水箱贮热水箱的容水量应与家用太阳集热器/部件的轮廓采光面积及使用地方的太阳辐射与气象条件相适应。在贮热水箱的适当位置应设有排污口。对于敞开和开口的太阳热水系统，在贮热水箱的适当位置应设有溢流口。贮热水箱的保温设计应按GB/T 8175 的规定进行，保温制作应符合GB/T 4272规定的要求。6.3.8控制器6