太阳能热水系统设计范例.doc

1、术语和定义太阳sun太阳系的中心天体。可视其为K的全辐射体。它是地球上光和热的源泉。太阳能solar energy从太阳发射、传播或接收的辐射能。高度角altitude从地平圈沿某天体所在地平经圈量至该天体的角距离。以地平圈为零，向上为正，向下为负。单位为度（）。太阳高度角solar altitude日面中心的高度角，即从观测点地平线沿太阳所在地平线圈量至日面中心的角距离。方位角azimuth从天球子午圈沿地平圈量至某天体所在地平线圈的角距离。以南点为零点，向西为正，向东为负。单位为度（）。太阳方位角（）solar azimuth日面中心的方位角，即从观测点天球子午圈沿地平圈量至太阳所在地平经圈的角距离。赤纬declination赤道坐标系中，天赤道与某天体沿所在时圈量度的角距离。以天赤道为零，向北为正，向南为负。单位为度（）。太阳赤纬（）solar declination日面中心的赤纬，即从天赤道沿太阳所在时圈量至日面中心的角距离。春（秋）分时为，一年之内在90之间变化。时角hour angle从天球子午圈沿天赤道量至某天体所在时圈的角距离。以天球子午圈为零，向西为正向东为负。单位既可为时（h），也可为度（）。 太阳时角（）solar hour angle日面中心的时角，即从观测点天球子午圈沿天赤道量至太阳所在时圈的角距离。真太阳日apparent solar day日面中心连续两次上中天所经历的时间。真太阳时apparent solar time由日面中心的时角量度的计时系统。平太阳连续两次下中天所经历的时间。辐射radiation能量以电磁波或粒子形式的发射或传播。辐射能（Q）radiant energy以辐射形式发射、传播或接收的能量。单位为焦耳（J）。光谱辐照度（E）spectral irradiance在无穷小波长范围内的辐照度除以该波长范围。单位为瓦特每立方米（W/m）。辐照量（H）irradiation辐照度对时间的积分。单位为焦耳每平方米（J/m）。太阳辐射solar radiation太阳能以电磁波或粒子形式的发射或传播。 其能量主要集中在短波辐射范围内。地外日射extraterrestrial solar radiation地球大气层外的太阳辐射。太阳常数（Esc）solar constant地球位于日地平均距离处，在大气层外垂直于太阳辐射束平面上形成的太阳辐照度。总日射 global solar radiation水平面从上方接收到的半球向日射。总日射辐照度（Eg）global solar irradiance总日射在水平面上形成的辐照度。地球辐射terrestrial radiation地球（包括大气）发射的电磁辐射。其能量主要集中在长波辐射范围内。大气辐射atmospheric radiation大气分子及微粒发射的电磁辐射。其能量主要集中在长波辐射范围内。大气辐射辐照度atmospheric irradiance给定平面上由Sr立体角内的大气辐射形成的辐照度。全辐射total radiation全部波长的辐射，即太阳辐射与地球辐射。日照sunshine可使地物投射出清晰阴影的直接日射。日照时数sunshine duration地表给定地区每天实际接收日照的时间。以日照记录仪记录的结果累计计算。单位为小时（h）。可照时数duration of possible sunshine（1）地表给定地区每天可能接收日照的时间。以日出至日没的全部时间计算。它完全由该地区的纬度和日期决定。单位为小时（h）。（2）地表给定地区每天实际可能接收日照的时间。以日出后至日没前直射辐照度达到或超过日照百分率percentage of sunshine日照时数占可照时数的百分比。太阳热水系统solar water heating system； solar hot water system将太阳能转换为热能并在必要时与辅助热源配合使用以加热水所需的子系统与部件的组合。液体型集热器liquid type collector以水或其他液体作为传热工质的太阳集热器。空气型集热器air type collector以空气作为传热工质的太阳集热器。平板型太阳集热器flat plate（solar）collector吸热体基本为平板形状的非聚光型集热器。真空管集热器evacuated tube collector管壁与吸热体之间抽成一定真空度的透明管（常为玻璃管）制成的非聚光型集热器。其吸热体具有选择性表面。聚光型集热器concentrating collector利用反射器、透镜或其他光学器件使入射在采光口上的太阳辐射改向并集中射在吸热体上的太阳集热器。其吸热体面积小于采光面积。温差控制器differential temperature controller能监测微小温差并以此温差控制泵及其他电动装置的部件。换热器heat exchanger太阳加热系统中，使传热工质与其他不同温度的流体进行热量交换的部件。储热器thermal storage device太阳加热系统中，装有储热介质的容器及其附件所组成的部件。该储热介质蓄存了太阳能。储水箱storage tank太阳热水系统中，蓄存热水的容器及其附件所组成的部件。辅助热源auxiliary thermal source太阳加热系统中，为了补充太阳能系统的热输出所用的非太阳能加热部件。其中常以电能或燃料化学能作为能源。非选择性表面non-selective surface在一定波长范围内，反射比、吸收比、透射比和发射率等光学性能与入射辐射波长无关的材料表面。 选择性表面selective surface在一定波长范围内，反射比、吸收比、透射比和发射率等光学性能随入射辐射波长不同有显著变化的材料表面。采光面积（A）aperture area集热器采光平面上接收太阳辐射的最大投影面积。单位为平方米（m）。集热器总面积（Ag）gross collector area集热器采光平面上包括外壳边框在内接收太阳辐射的最大投影面积。单位为平方米（m）倾斜角tilt angle斜放物面与地平面之间所夹的锐角。单位为度（）。工质进口温度（ti）fluid inlet temperature集热器进口处传热工质的温度。单位为绝对温度（K）。工质出口温度（t）fluid outlet temperature集热器出口处传热工质的温度。单位为绝对温度（K）。工质平均温度（tm）mean fluid temperature传热工质在集热器中的平均温度。单位为绝对温度（K）。环境空气ambient air部件或器件周围的室内或室外空气。环境空气温度（ta）ambient（air）temperature在部件或器件周围测得的环境空气的温度。单位为绝对温度（K）传热工质heat transfer fluid（1）流经集热器并将吸收的热量从集热器输出的液体或气体；（2）在太阳能系统的子系统或部件之间传递热量的任何流体集热器效率collector efficiency传热工质从太阳集热器中获得的能量与入射在集热器采光面积上的太阳辐射能量之比。集热器瞬时效率（）instantaneous（collector） efficiency稳态或准稳态下，规定时段（常为min）内，传热工质从太阳集热器获得的能量与同时入射在集热器采光面积上的太阳辐射能量之比。额定工作压力（Pm）nominal working pressure设计制造时所推荐的吸热体允许承受的传热工质工作压力。单位为帕（Pa）。太阳能加热系统solar heating system将太阳能转换为热能并在必要时与辅助热源配合使用以提供加热所需的子系统与部件的组合。其中主要包括集热器子系统与输配子系统。自然循环系统natural cycle system仅利用传热工质内部温度梯度产生的密度差所形成的自然对流进行循环的循环系统。强制循环系统forced circulation system利用机械设备等外部动力迫使传热工质通过集热器与储热器（或换热器）进行循环的循环系统。 卫生器具 plumbing fixture ，fixture供水并接受排出污废水或污物的容器或装置卫生器具当量 fixture unit以某一卫生器具流量给水流量或排水流量值为基数其它太阳能保证率solar fraction太阳能供热采暖系统中由太阳能部分供给的热量占系统总热负荷的百分率2、太阳能热水系统分类与选型21分类运行方式特性适用场合自然循环不用任何常规能源和附件，设备简单，运行可靠，成本低。水箱安装位置高于集热器。热效率的，循环管直径随系统采光面积增加而变动较大。水电供应不足的地区水箱位置高于集热器时采光面积较小（一般小于30m2）无人管理直流式水在集热器中受太阳辐射热效率比自然循环高20随时可用热水，水箱安装位置不受限制需要较好的控制系统保证运行质量的可靠当天的热水尽可能用完，否则影响第二天的运行水电供应稳定地区适用随时提供热水集热器数量较多，管道较长，总压头损失较大水箱位置低于集热器春夏秋季使用强迫循环热效率(在冬季)较高，水箱位置。管道布置、集热器排列比较方便、不受地位限制采用过冬热水系统时，集热位置高于水箱，日照值较低时不适合工作供电稳定集热器数量较多，管道长，总压头损失较大集热器位置高，水压较低无法保证供水水箱低于集热器适用于过冬热水系统全年太阳能热水器按有无换热器可分为：直接系统和间接系统。直接系统在集热器中直接加热供水，间接系统时利用换热器间接加热供水。太阳能热水系统控制方式可分为：定温控制、温差控制、光电控制、定时。强制循环系统宜采用温差控制;直流式系统宜采用定温控制;直流式系统的温控器应有水满自锁功能;集热器用传感器应能承受集热器的最高空晒温度，精度为士2;贮水箱用传感器应能承受100，精度为士203。2.2太阳集热器选型22.1、集热器类型目前国内使用的太阳集热器类型主要有平板型太阳集热器、真空管太阳集热器、热管真空管太阳集热器、U 形管真空管太阳集热器4。种类适用情形平板型保温性能不如真空管太阳集热器，适合在春、夏、秋三季使用真空管在- 25的低温条件下，仍可产生热水，可一年四季使用，冬季利用太阳能的效率最高，但存在炸管泄漏问题热管可在- 50条件下使用，但热管冷凝端（加热端）表面积仅是真空管的百分之一，易结水垢，换热效果不如真空管，且使用效果直接受到热管本身质量和寿命的影响，部分热管出现质量下降和衰减问题，不容易被发现，且成本高U 形管不存在炸管泄漏问题，但由于U 形管怕冻，因此必须采用防冻液介质循环，成本相对也高。2.2.2集热器运行条件5运行条件集热器类型平板全玻璃真空热管式空U型管运行期最低温度00（除a）（除b）运行方式自然循环直流强制循环（除c）a、采用防冻措施或直流排空系统可选b、 若不采用防冻措施，应注意最低环境温度计阴天持续时间c 、在采用高位卸压水箱的情况下可选2.3太阳能热水器系统蓄热方式选取 系统形式蓄热方式贮热水箱地下水池土壤埋管卵石堆液体工质集热器短期蓄热系统液体工质集热器季节蓄热系统空气集热器短期蓄热系统表示可选，表示不可选。3、实际工况概述与要求该宾馆位于沈阳，共有250间客房，屋面为混凝土防水平屋面。原利用天然气热水锅炉提供热水，为了降低运行费用及环保，现设计用太阳能系统提供热水，辅助热源为现有锅炉。鉴于该太阳能热水系统用于宾馆客房洗浴的特点，方案设计应充分考虑以下问题：3.1系统应保证全天24小时供应热水，以方便使用和管理；并考虑在热水用量突然显著增多的特殊用水情况下，确保热水的供应；3.2系统应配置辅助加热设施，以解决阴雨天或太阳能不足时的热水供应问题；同时应优先利用太阳能加热，以达到节能降耗的目的；3.3应结合系统所处地域特点，考虑冬季防冻等相关问题；3.4在保证质量及使用要求前提下应尽可能降低造价，提高系统性价比。4、系统基本设计4.1根据沈阳地区全年气温普遍较高的特点，选用热效率高、经济实惠的玻璃-金属真空管式太阳集热器。4.2采用太阳能与锅炉辅助加热联合供热水的系统方案，并优先利用太阳能。当阴雨天或太阳能不足时，用锅炉辅助加热补充热水，并充分利用太阳能，最大限度地减少用气量，降低运行费用。4.3太阳能系统设计为直流式定温放水太阳热水系统，达到充分利用太阳能。直流式系统分虹吸式和定温放水型。定温放水型特别适合大型太阳能热水装置，布置也较为灵活，缺点是要求性能可靠的电磁阀和控制器，从而使系统较为复杂，在当前的技术条件下，值得推广。直流式热水系统按控制方式有3种：一是流量控制式，适用于大面积系统。当水压不足时为克服管道阻力可在系统中加入小型水泵。二是温控阀控制式(或膨胀阀控制式)适用于小面积直流热水系统。该系统因不用常规能源又获得较多的系统效率而得到用户的欢迎。三是电磁阀控制式，大小面积都适用，但还未有专用电磁阀。4.4冬季管路防冻采用低温时水泵自动循环和自限温伴热带自动启动的双重防冻设计，防止管路结冰冻坏。4.5采用工业级CPU 可编程电脑控制器，实现太阳能系统的全自动化、智能化，确保控制系统的可靠性，实现自动化运行，并可以根据用户的实际需要修改控制程序，使太阳能系统实现真正意义上的全自动控制和智能化管理。4.6热水供应采用变频增压循环供水方式，为了减少热水循环的热损失，在热水回水末端加装一个可根据管道水温自动控制的电磁阀。当管道温度低于40时，电磁阀自动打开；当热水循环使管道水温达到水箱水温时，电磁阀自动关闭。综上所述，不同类型的产品各有其优缺点。我们认为：选择全玻璃真空管太阳集热器比较合适，热效率高，经济实用，是目前国内市场普遍使用,生产成熟的产品。5、系统运行原理系统运行原理如上图所示。5.1正常情况下，太阳能定温加热在光照条件下，当太阳集热器内水温达到设定水温时（可在0100之间任意设定，一般设定在4555之间），电脑控制器使供冷水电磁阀自动打开，自来水进入太阳集热器底部，同时将太阳集热器顶部达到设定温度的热水顶入储热水箱；当太阳集热器顶部水温低于设定温度时（一般定在4045之间），电脑控制器使供冷水电磁阀自动关闭。如此运行，不断将达到设定温度的热水顶入储热水箱储存。5.2储热水箱满水位时，太阳能温差循环加热当储热水箱水满时，为了防止水满溢流，电脑控制器使太阳能系统自动转入温差循环。当太阳集热器水温高于储热水箱水温时，循环水泵自动启动，将储热水箱内较低温度的水泵入太阳集热器继续加热，同时将太阳集热器内较高温度的热水顶入储热水箱。通过使储热水箱水温升高的方法储存太阳集热器吸收的太阳能。当用户使用热水，使储热水箱水位下降后，电脑控制器使太阳能系统自动转入定温加热。5.3太阳能不足时，自动启动辅助加热电脑控制器将随时监测储热水箱水温，当水箱水温达不到使用要求时，自动启动锅炉加热，以保证热水供应。5.4储热水箱水位控制PLC 控制器将随时监测储热水箱水位。在天气正常的情况下，储热水箱的水位在一天中不同的时间将达到不同的水位。如果在某一时间内，储热水箱的水位没有达到正常的水位，说明太阳能产热水不足或用户用热水过度，此时，PLC 控制器使辅助能源自动启动，当达到正常水位时，PLC 使辅助能源自动停止。5.5储热水箱水温控制当由于循环散热等原因，使储热水箱的水温低于设定值时（一般应设定在4555之间），PLC 控制器会自动根据情况选择加热方式。当太阳能正常时，自动启动太阳能循环水泵，通过太阳能加热储热水箱内的水；当太阳能不足时，自动启动辅助加热，加热到设定温度，辅助加热自动停止。5.6用热水采用变频恒压循环供热水方式，一方面减少电能的消耗，一方面保证打开淋浴喷头很快就出热水的效果。5.7系统远程监控控制器配备的中文显示器可放在2 000m 内的地方，显示太阳能系统的水温、水箱水温及水量、各控制终端设备（如循环泵、电磁阀、辅助加热等）的运行、故障信息等，并可使用显示器的功能键控制终端设备的运行和设定各种变量值。系统配备的控制器还预留有网络接口，可以实现远程计算机监控、数据存储及程序升级。5.8 该宾馆太阳能热水系统设计特点5.8.1与建筑一体化。由于该屋面不完全是坡屋面，而是凹面扇形结构。为与屋面协调一致，太阳集热器成扇形结构平铺在坡屋面上，较好地实现了与建筑的结合。5.8.2系统安全可靠。充分考虑了防风、防雷、防冻、抗冰雹、防漏电、防高温，保证系统安全。5.8.3优先和充分利用太阳能。电脑控制器会根据天气情况准确计算辅助加热启动时间，以最大化利用太阳能，节约常规能源；辅助加热补水通过太阳集热器，即使在阴天太阳能只起一点作用时，也能将其充分利用起来。5.8.4CPU 智能控制，全自动运行。采用西门子工业级C PU ，运行稳定可靠；具有计算功能，准确计算辅助加热启动时间，充分利用太阳能；可实现远程监控及程序升级；可显示水温、水量（精确到1L）、太阳能运行状态、故障信息。5.8.5设计了暖气换热系统，节约燃油。经计算，换热热量不影响采暖；优质板换换热，只要有5温差即可换出热量；体积小，安装非常方便。5.8.6设计了应急操作系统。保证维修期间的热水供应，如果太阳能系统出现问题，可以启动应急操作系统，保证维修期间热水供应。5.8.7热水供应采用变频技术。保证热水恒压供应，同时节约电能消耗。6、太阳能热水系统设计计算6.1基本参数6.1.1用水人数按房间为标准间算，每间2个人，共250间客房，即500人。6.1.2用水定额根据建筑给排水设计规范，宾馆每床位每日最高日用水定额为120160L,选取最低限量120L/人.d。6.1.3用水时间24h供应热水，水温为60。6.2设计计算26.2.1设计小时耗热量计算式中： -设计小时耗热量（W）;m -用水计算单位数（人数或床位数），m=500；-热水用水定额, =120/（人d）；C -水的比热，C=4187（J/(Kg）；-热水温度，=60； -冷水温度，=4； -热水密度，0.983kg/L; -小时变化系数，=4.84；计算得：=968361.2（W）6.2.2设计小时热水量式中: -设计小时热水量，L/h； -设计小时耗热量，W； -设计热水温度，=55； -设计冷水温度，=4； r-热水密度 ，r =0.986kg/L;计算得：=16558.1L/h6.2.3全天供应热水系统的热水循环流量 式中: -全日供应热水的循环流量（L/h）; -配水管道的热损失（W），取设计耗热量的5%； -配水管道的热水温度差，取5;计算得：=8326.4L/h。6.2.4热水供水管的设计流量q(L/s) 生活给水管道的最大用水时卫生器具给水当量平均出水概率（%）； =0.2 -最高热水用水定额； -2.5，宾馆;-设计的卫生器具给水当量数；洗涤盆（混合水嘴）当量数为1.00，浴盆（混合水嘴）当量数为1.2，淋浴器（混合阀）的为0.75，洗手盆（混合水嘴）和洗脸盆（混合水嘴）的当量数分别为0.75,和0.75。则=250*（1.00+1.2+0.75+0.75+0.75）=1112.50.2-一个卫生器具给水当量的额定流量（L/s）;计算得：=16.68L/s6.2.5管路直径、流速、及水力损失5根据水管的设计流量，取管路直径=0.02m，流速取v=1m/s,则管路单位长度损失Re=2506240%V集，太阳能热水系统宜设置两个贮热水箱(罐) ,太阳能热水先进入贮热水箱(罐) ，辅助加热设备设置在供热水箱(罐)中，利用太阳能将冷水预热，再送入供热水箱(罐) ,由辅助热源加至设定温度。当采用贮热水箱(罐)和供热水箱(罐)的双水箱(罐)系统时，供热水箱(罐)容积应保证GB 50015 规定的最小贮热量。实际上水箱可分为A,E两部分，根据两端热水器的台数，分别取40m3,30m37.5太阳能热水系统水泵选择：太阳能热水系统采用的泵，分集热系统循环泵、热水供应循环泵和给水泵，均应符合现行产品标准的要求。7在满足系统流量和扬程的条件下，应选择节能型泵。宜选择低噪音泵，并采取必要的防震降噪措施。泵的工作温度应符合系统最高工作温度的要求。泵与传热工质应有很好的相容性。该泵的流量即为系统设计热水量= 16558.1L/h,即16.6m3/h。扬程只考虑位置高度、沿程损失、局部损失以及配水最不利点所需的流出水头热水系统循环泵。该泵的流量即为热水系统的循环量=8326.4L/h,即8.3m3/h。水泵扬程，仅考虑循环水量通过配水管、回水管的水头损失水泵的选择：选择EBARA品牌水泵，型号为3M-3S-3P系列不锈钢离心泵3M-3S-3P参数及特性应用行业: 生活供水 热水暖通 普通工业 农业流量:6132m3/hr 扬程:672m 介质温度：-1090（标准型） -20110（H型） 环境温度：最大+40 最大工作压力：1.0MPa 电源：3相/380V/50Hz 电机转速：2900r/min,1450r/min 7.6管道、配件 、保温楼顶循环管道采用国标热镀锌管。热镀锌管满足集热系统的耐温、防腐要求，且施工效果规整美观；配件为热镀锌件，以消除配件夹层气孔及沙眼现象，杜绝本体渗漏情况发生。聚乙烯保温管用于室外管道的保温。聚乙烯保温管是一种化学交联独立气泡聚乙烯高发泡体，它采用先进的发泡技术，把聚乙烯经过化学架桥和高倍率发泡（二次发泡）得到的，具有相当微细的独立气泡结构，它用于热水器上下水管的外层保温。聚乙烯保温管具有以下特性：PEF具有耐低温性，在-170条件下，物性不发生变化,空气对流小，故热传导系数小；难燃性：PEF经过特殊处理，具有难燃性。施工方便：PEF泡孔微细，本体柔软,可以任意切割、贴合，施工过程对人体和环境无害。8、经济性分析投资等基础参数热水器（万元/平方米）0.34热水器（万元）217水箱（万元）2.5控制器价格（万元）2泵（万元）2阀门（万元）2换热器（万元）0间接工质价格（万元）0锅炉（万元）18总投资（万元）244运行参数分析能量当量热值MJ/m337.62锅炉效率0.85燃料价格（元/m3）3.9年平均日照时间（h）255515年设备费(万元)015年人工费（万元）5.415年燃料费（有太阳能系统，万元）36515年燃料费（不含太阳能系统，万元）940总耗费（含太阳能系统，万元）397总耗费（不含太阳能系统，万元）945.4注：以上参数均为估计值，与市场值有一定偏差回收期计算：不考虑银行利率。n=217/(940/15-397/15)=6.0年，可以知道用户在第6年即可收回投资成本，此时的运行成本与不安装太阳能热水系统成本本一致，在第9年7月即可开始使用免费的太阳能。实际的经济节省值为342.5万元9、安装注意事项79.1集热器安装集热器摆放位置应符合设计要求，安装倾角误差为3，并与钢结构支架连接牢固，且要留出检修保养通道。集热器与集热器之间的连接应做到密封可靠、无泄漏、无扭曲变形。集热器之间的连接件，应便于拆卸和更换。所有集热器安装完毕后应进行检漏试验，检漏试验应符合设计与GB 50364 的相关规定。真空管集热器的联接管（联箱）安装完毕后才能安装真空管。为达到防冻目的所采用的排空系统，应保证集热器中的传热工质顺利排空。集热器之间连接管的保温应在检漏合格后进行，保温应符合GB 50185 的相关规定。连接方式：采用串并联的混联方式，即将串联成单