太阳能集热器论文终稿.doc

毕业设计论文 (2011年) 课题名称 U形管式真空管太阳能集热器及系统设计研究 专业名称 热能与动力工程 学生姓名 学 号 指导教师 2011 年 6 月 10 日南京工业大学本科毕业设计U形管式真空管太阳能集热器及系统设计研究摘 要 南京工业大学南苑2栋宿舍楼位于南京工业大学新校区内，坐北朝南，共有5层，40间宿舍。本设计以此宿舍楼为依据，选择合适的方案，进行太阳能能源供热水。 本设计先对全楼热水用水量进行分析计算，进而得出所需太阳能集热器面积，再根据场地限制，使集热器合理布置联接，产生符合要求的热水，最后把符合要求的热水供给整个宿舍楼。集热器的布置、联接，是整个设计的重要部分，只有集热器布置合理，才能最大限度的吸收太阳辐射，产生热水。辅助能源的应用避免了在阴雨雪等无太阳能天气情况下集热器不产生热水的缺点。控制系统的应用增加了太阳能热水系统的人性化，整个系统的运行不需要人工长期坚守，完全由电脑系统接收信号和发出指令，简化了操作流程。如要改变某些系统参数，只需在控制器上设定就能达到。智能化系统也是太阳能热水系统的一个发展趋势。关键词：太阳能 U形管 辐射 热水系统 集热器IAbstractU-shaped pipe vacuum tube solar collectors and system designAbstractNanjing University of Technology Songyuan No2. Dormitory, tting towards north and facing to south, ies a new campus of Nanjing University of Technology, th a total of five-storey, roms. The design based on this building, selects the appropriate options for solar water heating. The design carries out analysis of water consumption for the whole building and then come to the required area of solar collectors. And then according to space restrictions, the collector will be connected with a reasonable arrangement to produce hot water to meet the requirements. Finally the heat water which reaches to the standard will be supplied to the whole dormitory. The important parts of the whole design are the arrangement and the connectivity of the Collector. Only with the reasonable arrangement, the collector can maximize the absorption of solar radiation in order to heat the water. Application of auxiliary energy avoids the shortage that the solar collect cant work with the snow, the rain and other weather conditions without the sunshine. With the application of the Control system, the solar water heating systems will be operated more convenient .The entire system does not require manual operation with long-term time .The computer system will receive signals and give directions to simplify the operation process. In order to change certain system parameters, it will be achieved just by setting the controller. The solar water heating systems will trend to be an intelligent one.Keywords: Solar energy; haped tube; iation; ter heating systems; Heat collector3南京工业大学本科毕业设计目 录摘 要IAbstractII第一章 绪论11.1 选题的意义11.2 太阳能集热器的现状1第二章 常见的太阳能集热器及性能32.1 平板型太阳能集热器32.2 真空管型太阳能集热器32.2.1 全玻璃真空管集热器42.2.2 热管式真空管集热器42.2.3 CPC 热管式真空管集热器42.3 太阳能集热器的性能42.3.1 集热器的性能方程式42.3. 2 性能系数的确定5第三章 太阳能热水系统概述73.1 U型管式全玻璃真空管太阳集热器的热性能73.1.1 全玻璃真空管太阳集热器热性能分析73.2 总热损系数的确定8第四章 系统设计104.1 太阳能热水系统设计104.1.1 系统选型104.1.2 双水箱联集管集热器太阳能热水系统104.1.3 集热系统选择124.1.4 集热器选择设计124.1.5 室外保温层设计164.2 室内管网设计174.3 管材与泵184.4 控制系统19第五章 系统计算205.1. 工程概况205.2. 设计规范及标准205.3. 设计参数205.4. 计算校核225.4.1 热水需求量计算225.4.2 倾斜面上的太阳总辐照度225.4.3 计算产生用户需要热水所需的能量245.4.4 计算太阳能集热器的面积245.4.5 联集器循环泵255.4.6 集热水箱和恒温水箱255.4.7 辅助电加热器耗电功率255.4.8 供水管网计算265.4.9 回水管网计算30总结33参考文献34致 谢37第一章 绪论1.1 选题的意义能源是人类社会发展的重要基础资源。人类目前正在大规模使用的石油、天然气、煤炭等化石资源是非再生能源，它们在地球地质年代形成，在人类可预期的时间内不能再生。就目前已探明的储量而言，势必有枯竭之日。据资料介绍，以目前储量计算，全世界石油还可以开采40.6年，天然气还可以开采65.1年，煤炭还可以开采155年。因此，节约能源，善用能源，提高能源利用率及单位能源产生的综合经济效益，是目前在能源消耗过程中必须解决的现实问题。我国是一个能源总量比较丰富的国家，能源生产总量居世界第二位，但人均能源储量远远低于世界平均水平，整体的能源使用效率相对于发达国家严重偏低，只相当于节能水平最高国家的50%左右。面对这个现实，节约能源不仅是一件十分迫切的任务，而且是一项大有作为的事业。据有关资料介绍，如果采取有效的节能措施，提高能源的有效利用率20%，节能的能源数量将达到目前已知的天然气储量1。鉴于我国人口多、能源资源特别是优质能源资源有限, 以及正处于工业化进程中等情况, 应特别注意依靠科技进步和政策引导, 提高能源效率, 寻求能源的清洁化利用, 积极倡导能源、环境和经济的可持续发展。现在，我们正面临能源枯竭的危机，不得不重审自己的所作所为。节能和开发新能源这种措施的提出说明人们的意识已经觉醒。为了发展需要，我们必须开发新能源，又为了争得时间，就必须采取节能措施。新能源是一个很笼统的说法，新能源的种类包括核能、太阳能、风能、生物质能、地热能、海洋能等，还会有陆续的新能源被发现，不同专业对应不同的种类，像太阳能的一种，太阳能集热器就是我所研究的方向。1.2 太阳能集热器的现状太阳能热利用具有广阔的应用领域,但最终可归纳为太阳能热发电(能源产出)和建筑用能(终端直接用能),包括采暖、空调和热水。当前太阳能热利用最活跃、并已形成产业的当属太阳能热水器、太阳能热发电和太阳能制冷。此外, 在太阳能热泵、热推进技术等新型领域也有一定的研究与应用。目前太阳能低温热利用所使用的集热器主要有平板集热器、真空管集热器和无盖板塑料集热器。平板集热器是在17世纪后期发明的，但直至1960年以后才真正进行深入研究和规模化应用。平板型太阳集热器是太阳集热器中一种最基本的类型，其结构简单、运行可靠、成本适宜，还具有承压能力强、吸热面积大等特点，是太阳能与建筑结合最佳选择的集热器类型之一。根据IEA报告，截止到2004年底，平板型集热器占总市场份额的35%，真空管集热器占41%。表1-1 截止到2004年底液体工质太阳能热水器保有量如果不统计无盖板的太阳能集热器，欧洲、日本和以色列等国家均是以平板型集热器为主，约占市场份额的90%；国内市场以真空管为主，2005年约占市场份额的87%，平板型集热器只占12% 。国内太阳能市场与世界太阳能市场主流出现如此反差有很多原因。随着太阳能在住宅建筑中的扩大应用，和适应太阳能与建筑结合要求，业界近年来对平板型集热器给予高度关注，充分认识到其固有的优势。很多企业和研究结构积极开展高效平板集热器的研究和产业化，促进平板型集热器从受冷遇迈向新的发展。太阳能热利用是太阳能利用的主要方式,在包括太阳能热水供应、太阳能供热、太阳能空调等系统在内的所有太阳能利用系统中,太阳能集热器是必不可少的组成部件,其性能和成本对整个系统运行的成败起着至关重要的作用,太阳能集热器的合理选择对太阳能热利用系统高效、经济的运行具有重要的意义。第二章 常见的太阳能集热器及性能太阳能集热器是一种吸收太阳辐射并将产生的热能传递到传热工质的装置。太阳能集热器可以有多种分类方式,例如,按传热工质的类型可以分为液体集热器和空气集热器;按进入采光口的太阳辐射是否改变方向可以分为聚光型集热器和非聚光型集热器;按集热器是否跟踪太阳可以分为跟踪集热器和非跟踪集热器;按集热器内是否有真空空间可以分为平板型集热器和真空管集热器;按集热器的工作温度范围可以分为低温集热器(工作温度在100 以下)、中温集热器(工作温度在100200 )和高温集热器(工作温度在200 以上),等等。 而目前最常用的分类方式是将其分为平板型集热器和真空管集热器。2.1 平板型太阳能集热器平板型太阳能集热器一般由透明盖板、吸热板、保温层和外壳4 部分组成。平板集热器的主要热损失是吸热板和透明盖板之间的空间存在空气对流换热损失,在冬季,环境温度较低,平板集热器的热损失很大,还面临集热管破裂、冻结等问题。所以,在寒冷地区,平板集热器不能全年运行,从而使平板集热器的应用范围受到了许多限制。平板型太阳集热器和其他太阳集热器相比具有如下优点:适合与建筑相结合;适合承压系统;单位集热面积大,得热量高,全年同等单位面积产水量要高于其他类型太阳能集热器;后期维修维护费用少。平板型集热器在高温时热效率高,低温时热效率较低,具有承压高、热传递性能好等优点,目前的应用主要集中在华南和云南地区. 从市场的角度来看,受技术成熟度、价格等因素的影响,在国内市场的占有率不足20 %,相比之下,平板热水器在国外市场的占有率可达85 %左右。随着太阳能与建筑一体化的实施,目前国内已有多个城市要求新建12 层及以下住宅必须应用太阳能热水系统,由于平板集热器兼具屋面和集热双重功能,解决了普通真空管热水器由于必须放置在屋顶而带来的屋顶面积达不到配比量的问题,为平板集热器的推广应用提供了有利的条件。2.2 真空管型太阳能集热器2.2.1 全玻璃真空管集热器全玻璃真空管太阳能集热器是由多根全玻璃真空太阳能集热管插入联箱组成,由于真空管采用真空保温,进入玻璃管内的热能不易散失,因此,散热损失比平板集热器显著减小,在60 以上的工作温度下,仍具有较高的热效率;在寒冷的冬季,仍能集热,并有较高的热效率. 由于真空管太阳能集热器具有保温性能好、低温热效率高、成本低等优点,适合在北方地区使用,在家庭太阳能热水器上被广泛采用,国内市场的占有率约80 %。2.2.2 热管式真空管集热器热管式真空管集热器是玻璃金属封接的真空集热管的一种,由热管、金属吸热板、玻璃管、金属封盖等组成。热管式真空管的优点主要来源于热管的独特传热方式,它具有热性能好、热效率高、工作温度高等优点,系统承压能力强、热容小、系统启动快,抗严寒能力强,可在北方地区全年使用。2.2.3 CPC 热管式真空管集热器上述三种集热器都是非聚光型集热器,其共同的特点是直接采集自然阳光,集热面积等于散热面积,所以理论运行温度不可能太高。聚光集热器则可以通过聚集技术,提高入射阳光的能量密度,使之聚焦在较小的集热面上,结合对集热面的处理以降低热损失,提高集热温度和集热效率,进而提高太阳能利用系统的总效率。聚光集热器的种类和型式较多,比较典型的有槽形抛物面聚光集热器、复合抛物面聚光集热器(CPC)等,其中又以复合抛物面聚光集热器最为典型,CPC 复合抛物聚光技术与热管式真空管相结合,构成了CPC 热管式真空管集热器。这种集热器兼具聚光集热器和热管式真空管集热器共同的优点,特别适用于有限空间条件下的使用以及高温介质的获取。2.3 太阳能集热器的性能集热器是太阳能热水器的核心部分,为了大致了解集热器的性能, 我们可以采用一种简便的方法,对它进行一些粗略的估算。2.3.1 集热器的性能方程式集热器的总光热性能,通常可用集热器在某种运行工况下的总光热效率来表示, 它定义为集热器收集到的有用热量与太阳入射热量之比。即=收集的有用热量/太阳入射的热量。以上定义的光热总效率,实质上是由两部分组成:1 )光效率;2)热效率。对于某个具体的集热器, 光效率基本上是个恒定值, 而热效率则与其他很多运行因素有关。它可以通过如下性能方程式来表示: =A-BX (1)其中,A为集热器的光学性能系数,决定于玻璃的透过率,涂层吸收率,以及入射阳光对倾斜面的修正系数; B为集热器的热损失系数;X 为决定于集热器工作状态和环境条件的运行因子。2.3. 2 性能系数的确定确定不同集热器的结构, 式(1)中的光学性能系数A可以分别采用下列公式计算:对单层玻璃盖板平板集热器: A = 。对双层玻璃盖板平板集热器和真空管集热器: A =2。可以看到, 性能系数A主要取决于集热器各部件所使用的材料。国产玻璃的透过率和选择性吸收涂层的吸收率如表2-1所示。表2-1 国产玻璃的骰过率和选择性图层的吸收率 mm材料性能参数参数值玻璃透过率产地厚度123株洲0.9070.8970.886洛阳0.8830.873昌平0.891天津0.8730.886选择性图层吸收率黑漆0.95（凃刷）氧化铝0.89（真空蒸镀）氧化铜0.88（电镀）氧化铁0.85（化学沉淀）黑镍0.96（电镀）黑铬0.95（电镀）集热器的热损失系数B,主要取决于集热器的结构和各部件,比较难以精确计算,可以采用表2-2 所列的数值进行估算。运行因子X定义为X = (Tw - Ta ) /I,其中,Tw为集热器工质的人口温度,;Ta为环境温度, ;I为太阳辐射量, 对平板集热器和真空管集热器, 采用集热器倾斜面上的太阳总辐射的数值,可根据所要估算的具体运行情况进行计算。表2-2 不同集热器的B值形式B值国外国内液体型单层玻璃盖板平板集热器3.615.96（上海）液体型双层玻璃盖板平板集热器2.684.36（上海）液体型单层玻璃盖板蜂窝结构平板集热器2.78（浙江大学）空气型平板集热器液体型真空管集热器空气型真空管集热器2.903.35（清华大学）0.7320.927注：集热层表面均凃有选择性吸收涂层，其发射率=0.17第三章 太阳能热水系统概述3.1 U型管式全玻璃真空管太阳集热器的热性能全玻璃真空管太阳集热器由于集热效率高、价格较低而在太阳能热水供应领域得到了广泛应用。但常规的水在全玻璃真空管集热器中承压能力较低且单管破裂会影响系统整体运行; U型管式全玻璃真空管集热器则克服了上述缺陷。目前,对全玻璃真空管集热器的热性能已有一些研究文献,但对U 型管式全玻璃真空管集热器热性能的研究文献较少，我的论文主要就是针对这一方面的研究。3.1.1 全玻璃真空管太阳集热器热性能分析U 型管连接方式的全玻璃真空管太阳集热器如图3-1 所示。图3-1 U型管式全玻璃真空管太阳能集热器太阳辐射穿过真空管玻璃外壳,投射在内层玻璃吸热管上。吸热管将太阳辐射能转换为热能,通过吸热管和圆柱形肋片将热量传递给管内的工质,使工质不断升温。与此同时,被加热的吸热管和集管则不可避免地经由各种途径向周围环境散失一部分热量。图3-2 U形管式全玻璃真空管集热器的等效热网络3.2 总热损系数的确定从图3-3可以看出,真空管热损系数Ue 与Tp -Ta 是非线性关系, Ta 不变时,它随着Tp 的增大而增大, Tp 不变时,它也随着Ta 的增大而增大,其原因主要是辐射当量传热系数随着Tp 和Ta 的增大而增大。显然,集热器热损系数UL 与Tp - Ta 关系也是如此。图3-3真空管热损系数Ue 与Tp - Ta 的关系曲线新能源（new energy sources或称可再生能源更贴切)是指传统能源之外的各种能源形式。它的各种形式大都是直接或者间接地来自于太阳或地球内部深处所产生的热能（潮汐能例外）。包括了太阳能、风能、生物质能、地热能、水能和海洋能以及由可再生能源衍生出来的生物燃料和氢所产生的能量。也可以说，新能源包括各种可再生能源和核能。相对于传统能源，新能源普遍具有污染少、储量大的特点，对于解决当今世界严重的环境污染问题和资源（特别是化石能源）枯竭问题具有重要意义。同时，由于很多新能源分布均匀，对于解决由能源引发的战争也有着重要意义。 据世界断言，石油，煤矿等资源将加速减少。核能，太阳能即将成为主要能源。 因此，类似U型管式真空管太阳能集热器之类的研究就先得尤为重要。具体意义有：(1)在能量平衡分析的基础上,建立了U型管式全玻璃真空管集热器效率方程,推导了集热器热损系数、效率因子等性能参数的计算公式,集热器效率的计算结果与实验数据吻合良好,证明理论推导是正确的。(2)真空管热损系数Ue 与Tp - Ta 是非线性关系。为了使热损系数的计算结果更接近实际,同时又便于计算,将UL 与Tp - Ta 的计算关系式按Ta 从低到高分段整理较好。(3)涂层发射比对集热器的热损系数和效率影响较大,降低涂层发射比是提高集热器效率的有效途径。采取适当的措施降低吸热管与肋片间的接触热阻后,采用U型管连接方式不会对集热器效率造成太大影响。1第四章 系统设计4.1 太阳能热水系统设计4.1.1 系统选型太阳能热水系统有家用太阳能热水器串并联系统和联集管集热器太阳能热水系统。 家用太阳能热水器串并联系统，是把一定数量的家用太阳能热水器串并联起来组成系统，这种系统的热水量小，适用于需水量小，对水流量要求较低的场合。联集管集热器太阳能热水系统由联集管集热器、管路、循环泵和控制系统组成，采用主动循环，可实现多种控制功能。这种类型的系统应用越来越广泛，其主要特点是，系统可占用较小的楼顶空间，方便实现多种控制功能，并节约成本。故本设计采用联集管集热器太阳能热水系统。4.1.2 双水箱联集管集热器太阳能热水系统这种系统采用两个水箱，适用于对供水温度要求较高，需要连续供水的单位。因为有恒温水箱做缓冲，辅助能源的启动频率较小，系统稳定性高。(1)系统运行原理 （图4-1）(2)系统运行过程控制系统 显示水箱的水温和集热器的温度。自动上水 保温水箱上水通过水位探测器控制，保证水箱常满；保温水箱和恒温水箱在稍低水位连通，两个水箱最高水位高度一致，使恒温水箱和保温水箱水位一致。 温差循环 a.在集热器出水口出和保温水箱中各安装一个温度探头，当集热器的温度T1高于保温水箱温度T2时，达到控制系统设定的启动温差时（T1T2T启动），控制系统控制循环泵启动，保温水箱中的低温水进入到联集管集热器中，集热器中的相对高温水被顶回保温水箱，使保温谁想中的水温升高，当二者的差值降到系统设定的停止温差时（T1T2T停止），循环泵停止运行，如此反复进行，将热量传递到水箱，时保温水箱中的水不断升高。b.当保温水箱中的温度T2高于恒温水箱的温度T3并达到设定值时，循环泵P2启动，当二者的差值降到系统设定的停止温差时，循环泵停止运行。图4-1双水箱联集管集热器太阳能热水系统管路循环 管路循环主要是针对室内的热水管道而言，为了保证一开既有热水，同时减少无效冷水的浪费，必须安装热水循环回路。采取管路循环措施，管路循环可采用定时循环，也可以采用定温循环方式。当采用定温循环时，在室内热水回水管路适当的位置安装温度探头和循环泵，设置一个温度范围来控制泵的运行，当探测点的温度T4低于设定温度（如35）时，启动管路循环泵。将管路中的低温水打入恒温水箱，同时恒温水箱中的高温水进入管道，当探测头的温度达到设定值（如45）时停止循环泵。 恒温控制（自动电加热） 恒温水箱中安装电热管，当探测到恒温水箱中的水的温度低于设定温度的时候（如40），启动电加热管，达到设定温度（如45）后，加热停止。 防冻电热 冬季，当当保温水箱内的温度T2低于5时，电加热启动，当达到10时，电热停止。防冻循环 室外管道（保温水箱和集热器之间）在寒冷的冬天可能被冻坏，因此必须有防冻循环功能。当集热器安装的温度探头探测到温度T510时，启动循环泵，将保温水箱中的热水打入集热器，防止管路冻坏。4.1.3 集热系统选择单水箱联集管集热器太阳能热水系统由于用水后冷水直接进入水箱，系统水温下降快，辅助能源启动频繁，系统稳定性较差，适合用于对用水要求不高，用水量小的场合，如企事业单位职工洗浴、学校学生洗浴等场合，多用于定时放水场合；双水箱联集管集热器太阳能热水系统采用两个水箱，因为有恒温水箱做缓冲，辅助能源的启动频率较小，系统稳定性高。适用于对供水温度要求较高，需要连续供水的单位。根据设计要求，用水人数较多，水量较大。故采用双水箱联集管集热器太阳能热水系统。如图4-2。图4-2设计系统图4.1.4 集热器选择设计考虑到集热面积较大，故采用SLU-1500/16型集热器，集热效率高。表4-1集热器产品型号属性产品型号真空管长度真空管管径真空管支数集热面积m2内胆材质外壳材质保温层材质支架材质水箱容积水箱外形尺寸SLU-1500/161.858484.05316不锈钢镀锌板聚氨酯铝合金30064216001）集热器的方向 太阳能集热器的最佳布置方位是朝向正南，根据本设计建筑实际情况，也采用正南方向布置。 2）集热器的安装方位与倾角 全年使用的太阳能热水系统，集热器的安装倾角应等于当地纬度。为保证系统冬季的使用效果，本设计采用 安装倾角=当地纬度+10。安装倾角误差一般不超过3。 3）集热器前后排间距由于地球绕太阳公转，本身又在不停地自转，且地球绕太阳的轨道式椭圆形的，因此太阳相对地球的方位始终都在变化的，为保证太阳对集热器的辐射量，在集热器平行安装中，要在它们之间留下一定的空间，因此我们需要计算前后排之间的距离。根据国家标准 Smax=Hcoths=cot（66.5） （4-1）Smin=Hcoths=cot（90） （4-2）当地纬度3203，计算得最大1.6H，最小0.7H。如图4-3图4-3 集热器安装间距示意图4集热器组连接设计集热器组的连接方式有三种。串联 一台集热器的出口与另一台集热器的入口相连。并联 一台集热器的出、入口分别与另一台集热器的出、如口相连。 混联 若干集热器并联，各并联集热器组之间再串联，成为并串联；或若干集热器串联，各串联集热器组之间再并联，称为串并联。自然循环系统，因热虹吸压头较小，所以一般都采用阻力较小的集热器组并联方式。为防止流量分配不均，一般一组集热器面积不超过30m2。强制循环式太阳能热水系统，因采用水泵进行循环，压头较大，可根据系统布置，灵活采用串并联或并串联的连接方式。设计中要根据场地灵活应用。根据现场情况设计连接方式如图4-4图4-4 集热器排列示意图5）集热器基础为防止大风天气集热器损坏，集热器要固定在地面上，为了防止破坏防水层，要在屋顶制作水泥基础。 水泥基础的制作是通过加长的膨胀螺栓和结构层相连的基础施工方法，先在屋面上要安装基础的位置上打孔，该孔一定要穿透各种防护层并直接和结构层连通，清理出钻孔内的杂质后，往钻孔内灌入密封膏，同时插入加长膨胀螺栓，拧紧膨胀螺栓。把出屋面的膨胀螺栓做支撑钢筋加以圈钢筋后浇筑混凝土基础；混凝土标号不应该低于C20。如图4-5.4-6.图4-5 水泥基础制作图4-6 水泥基础布置图在设计水箱形状时要考虑安装位置和检修通道的问题，水箱的入孔应设计在便于维修人员进出的位置；支架和保护材料应具有良好的强度和耐腐蚀性，内胆材料也应有良好的耐腐蚀性，不得含有妨害人身健康的重金属和各种有害物质；目前常用的水箱内胆材质有不锈钢，碳钢搪瓷和碳钢衬塑等形式，又以不锈钢(Q235A)内胆应用最广。为了在阴、雨、雪天气，没有太阳辐照时，要在安装辅助能源系统提供制造热水所需的能量，因此辅助能源的总量必须大于太阳能热水系统的总能两需求。对于连续供水系统，如果使用电能，还要考虑是否实施峰谷电价，若实施了峰谷电价，就要考虑适当增加辅助能源功率，以便最大限度利用低谷电来降低成本。目前常见的辅助能源加热形式有：内置式电加热器，电锅炉、燃气锅炉、燃油锅炉和燃煤锅炉。除内置电加热器外，其他辅助热源都要另外提供场地，对场地要求也比较严格，不适于安装在宿舍楼，故本设计选择内置电加热器。水箱同样需要制作混凝土基础，制作方法同集热器基础制作。4.1.5 室外保温层设计首先以“因地制宜，就地取材”的原则选取材料，常用的保温材料有硬脂聚氨酯泡沫塑料、聚苯乙烯泡沫塑料、聚乙烯泡沫塑料、岩棉等，根据相关规定，以上各种保温材料的导热系数可分别取=0035W(m)=O126(kJhm)，=0041W(m)=01476(kJhm)，=0047W(m)=01692(kJhm)，=0052W(m)=01872(kJhm)。 表4-2 不同材料保温层厚度 mm材料管径聚氨酯聚苯乙烯聚乙烯岩棉25242936434025303643502530364380353540501003535405012550405050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，把聚烯烃经过化学架桥和高倍率发泡（二次发泡）得到，具有相当微细的完全独立气泡结构，广泛应用于热水器管路的外层保温。聚乙烯保温管具有如下特性：1.PEF具有耐低温性，在170条件下，物性不变化，空气对流小，传热系数较小。2.难燃性：PEF经过特殊处理，具有难燃性。c.施工方便：PEF泡孔微细，本体柔软，可以任意剪切、贴合，施工过程对人体和环境无危害。保温层口度参照表4-2.4.2 室内管网设计集中供应热水范围较大，热水集中制备，用管道输送到各用水点，为了达到即开即有热水的目的，设置了管道回水循环管路。宿舍楼背面宿舍和正面宿舍结构相同，管网设计相同。 根据实际情况，选择上行下给供水方式。如示意图4-7。图4-7给水管网示意图4.3 管材与泵管件管道采用国标热镀锌管，国标热镀锌管满足集热系统的耐热、防腐要求，且施工效果规整美观；配件为国标热镀锌件，采用国标热镀锌配件，可消除配件夹层气孔及砂眼现象，杜绝了本体渗漏情况发生。系统水泵选型原则在满足扬程和流量要求的情况下，应选择功率较小的泵 。本设计为强迫循环系统，水温50，应选择耐热泵。 . 水泵的流量、扬程应根据给水系统所需的流量、压力确定。由流量扬程查水泵性能表即可确定其型号。4.4 控制系统控制系统主要功能：1水位、水温实时显示；2水位、水温设置；3自动上水、手动上水；4自动电加热或手动电加热；5自动或手动温差循环、防冻循环和定温循环；6异常报警；7恒温出水；8防干烧。控制过程： 自动上水 集热水箱上水通过水位探测器控制，保证水箱常满；当集热水箱水位下降一个水位时，若T120 ，则水泵P4启动，把冷水打入集热器，把集热器中的温水顶入集热水箱；当T120 时则打开电磁阀，让冷水直接进入集热水箱；集热水箱和恒温水箱在低4个水位连通，两个水箱最高水位高度一致，使恒温水箱和保温水箱水位一致。 温差循环 当集热器的温度T1高于保温水箱温度T2时，达到控制系统设定的启动温差时（T1-T210），控制系统控制循环泵启动，集热水箱中的低温水进入到联集管集热器中，集热器中的相对高温水被顶回集热水箱，使集热水箱中的水温升高，当二者的差值降到系统设定的停止温差时（T1-T23），循环泵停止运行，如此反复进行，将热量传递到水箱，时集热水箱中的水不断升高；当集热水箱中的温度T2高于恒温水箱的温度T3并达到10时，循环泵P2启动，当二者的差值降到系统设定的停止温差时（T=3），循环泵停止运行。 管路循环 采用定温循环时，在室内热水回水管路适当的位置安装温度探头和循环泵，设置一个温度范围来控制泵的运行，当探测点的温度T4低于设定温度（35）时，启动管路循环泵。将管路中的低温水打入恒温水箱，同时恒温水箱中的高温水进入管道，当探测头的温度达到设定值（45）时停止循环泵。 恒温控制（自动电加热） 恒温水箱中安装电热管，当探测到恒温水箱中的水的温度低于设定温度的时候（40），启动电加热管，达到设定温度（45）后，加热停止。 防冻电热 冬季，当集热水箱内的温度T2低于10时，电加热启动，当达到15时，电热停止。 防冻循环 室外管道在寒冷的冬天可能被冻坏，因此必须有防冻循环功能。当集热器安装的温度探头探测到温度T55时，启动循环泵，将保温水箱中的热水打入集热器，防止管路冻坏。当T510时，停止循环。第五章 系统计算5.1. 工程概况本工程为南京市南京工业大学南苑2栋学生宿舍，宿舍坐北朝南共5层，共有40间宿舍。该系统设计的主要内容是建筑维护结构耗热量的计算，采暖系统以及热水系统方案的选择与确定，散热器的选择，太阳能集热器面积和蓄热器容积的计算以及水力计算。本课题主要来源于建筑节能实际应用性项目，具有极高的实用价值。该工程采用机械循环上供下回双管顺流式太阳能热水供暖系统。5.2. 设计规范及标准1 GBJ 19-87 2 GJ114-88 3 太阳能热水系统设计、安装及工程验收技术规范GB/T18713-2002 4 GB/T17049-1997 全玻璃真空集热器 5 GBJ15-88 建筑给排水设计规范5.3. 设计参数用水情况：宿舍全天24小时用水，共30个淋浴，水箱热水设计使用温度45。需要管道循环，不需要管道增压。纬度：东经: 11846 北纬: 3203气象资料: 1）.基础水温，使用地下水，由表查得15；表5-1 冷水温度表分区地区地面水温度地下水温度第一分区黑龙江、吉林、内蒙古的全部，河北、山西、陕西偏北部分，宁夏偏东部分 4610第二分区北京、天津、山东全部，河北、山西、陕西的大部分，河南北部，甘肃、辽宁、宁夏的南部，青海偏东和江苏偏北一小部分 41015第三分区上海、浙江全部，江西、安徽、江苏的大部分，福建北部，湖南、湖北东部，河南南部 51520第四分区广东、台湾全部，广西大部分，福建、云南南部 101520第五分区贵州全部，四川、云南大部分，湖南、湖北西部，陕西和甘肃秦岭以南地区，广西偏北一小部分 715202）.全年太阳辐照情况；根据国家气象中心提供的2001年全国各地水平地面日均和年总辐射数据（单位MJm2），因为南京工业大学没有气象观测站，所以我们选取南京站作为参考（东经:11846 北纬:3203 .,区站号57083）太阳辐照量情况如下：表5-2 辐照量表月份辐照量1月2月3月4月5月6月7月8月9月10月11月12月日均MJm25.768.0415.2516.0218.4818.6518.5517.3813.3310.329.295.97年总MJm24796.64因为南京工业大学没有气象观测站，所以我们选距离最近的南京观测站作为参考，如果因此和当地实际情况出入较大，不能够作为“设计问题”的依据。5.4. 计算校核5.4.1 热水需求量计算每人每天60L，国家标准建筑给排水设计规范中关于热水供应定额的规定 热水总需求量为：40460=9600L5.4.2 倾斜面上的太阳总辐照度为获取更多的太阳热量，集热器的安装有一定得倾角，由于气象资料给出的是水平面上的太阳辐照量，在设计时必须把水平面上得太阳辐照量转换成等于集热器安装请教的倾斜面上的太阳辐照量。倾斜表面上的太阳总辐照度I由三部分组成：直射辐射辐照度ID、散射辐射辐照度Id和地面反射辐射辐照度IR ，即I=ID+Id+IR （5-1）斜面上的直射辐射服照度IDID可通过逐时计算准确实现从水平面到倾斜面的转换，图2-1 表示了倾斜面上和水平面上直射辐射的关系。图5-1 倾斜面上与水平面上直射辐射的关系水平面上的直射辐射辐照度： IDH = IDN sins （5-2）斜面上的直射辐射辐照度： ID=IDN cosT =（IDH/sins）cosT （5-3）式中 IDH水平面上的直射辐射辐照度，取春分或秋分日太阳辐照量，此处取15.25（Mm2）； IDN垂直于太阳光线表面上的太阳直射辐射辐照度（Mm2）； T 太阳直射辐射的入射角，太阳入射光线和接收表面法线之间的夹角50-35； Z 太阳直射辐射的入射角，太阳入射光和水平面法线之间的夹角； S 倾斜表面和水平面之间的夹角； s 太阳高度角，太阳入射光线和水平面之间的夹角(s=90Z);北半球正午时刻太阳高度角计算公式如下： s=90 （5-4）式中 当地维度，焦作纬度3203； 太阳赤纬角，春分或秋分日=0。带入数据得s=5757斜面上的散射辐射辐照度Id认为散射辐射式各向同性的，即太阳散射辐射均匀分布在半球天空，则斜面上的散射辐照度Id可用下式计算：Id=IdH(1+cosS) 2 （5-5）式中 Id倾斜面上的散射辐射辐照度； IdH水平面上的散射辐射辐照度。地面上的反射辐射辐照度IR认为地面上的反射辐射是各同向性的，则地面上的反射辐射辐照度IR可用下式计算：IR=G(IDH+IdH)(1+cosS) 2 （5-6）G地面反射率，工程计算中，取平均值0.2，有雪覆盖地面时取0.7由于散射辐照度和反射辐照度很小，可忽略不记，则总辐照度得：I=17.925.4.3 计算产生用户需要热水所需的能量计算公式为 QW=Cm（tendti） （5-7）式中： QW产生热水需要的能量，MJ; C水的定压比热容，4.1910-3MJ/kgK;m水的质量，kg； tend恒温水箱内水的温度，；45 ti水的初始温度；15建筑给排水设计规范中有关冷水计算温度的规定带入数据得QW=4.1910-39600(45-15)=1206.72MJ5.4.4 计算太阳能集热器的面积在计算过程中认为在晴好天气产生用户所需热水的能量全部来自太阳能集热系统，由于不同季节太阳辐照量的平均值也不同，因此要按不同季节分别计算集热面积。计算出各季节的集热面积后，按照春秋季节完全由太阳能系统提供热水，夏季略有富余，冬季需要辅助能源补充的原则来初步确定太阳能集热系统的面积。太阳能集热面积一般根据经验计算，在我国境内不同地区太阳辐照量不同一般按照当地气象局提供的季节平均日照量作为计算依据。经验公式为： Ac=QWf / JTcd(1L) （5-8）式中 Ac直接系统集热器采光面积，m2； JT 当地集热器采光面上春分或秋分日的太阳辐照量，KJm2； f 太阳能保证率，无因次，此处选0.8； cd集热器年平均集热效率，国标经验值取0.450.60；0.56厂定 L管路及储水箱热损失率，无量纲；国标经验取值0.200.30。代入数据得Ac=120.25m2根据计算和场地情况，安装30台SLU-1500/16集热器，总集热面积121.5m2。在辐照量大于17.92（Mm2）的情况下，可将45吨自来水水温提升30。5.4.5 联集器循环泵循环流量计算Q=（0.010.02）Ac，取Q=（0.015）Ac=8.55Ls=30.8m3h。水流通过联集管集热器的水头损失，根据经验取0.1Pa 台。SLU-1500/16集热器由两块集热器组成，所以总水头损失11.4kPa，系统高差3m。集热循环泵的选择要