杭州某别墅太阳能供热系统的设计.docx

杭州某别墅太阳能供热系统的设计作者姓名：王志强专业名称：热能与动力工程指导教师：冉均均 讲师成都理工大学工程技术学院学位论文诚信承诺书本人慎重承诺和声明：1.本人已认真学习学位论文作假行为处理办法（中华人民共和国教育部第34号令）、成都理工大学工程技术学院学位论文作假行为处理实施细则（试行）（成理工教发201330号）文件并已知晓教育部、学院对论文作假行为处理的有关规定，知晓论文作假可能导致作假者被取消学位申请资格、注销学位证书、开除学籍甚至被追究法律责任等后果。2.本人已认真学习成都理工大学工程技术学院毕业设计指导手册，已知晓学院对论文撰写的内容和格式要求。3.本人所提交的学位论文（题目：杭州某别墅太阳能供热系统的设计），是在指导教师指导下独立完成，本人对该论文的真实性、原创性负责。若论文按有关程序调查后被认定存在作假行为，本人自行承担相应的后果。承诺人（学生签名）： 20 年 月 日 摘要太阳能是可再生的清洁能源，并且太阳能供热在建筑中很受人们的欢迎。由于太阳能供热不稳定、时常间断，使太阳能在建筑中应用存在一定的问题。太阳能和辅助热源的结合也许是一个很好的解决办法，当太阳能供热不足时，我们可以将不足部分用用辅助热源作为补偿；当太阳能过剩时，我们可以用太阳能集热器将它收集起来，在我们用的时候才使用。在太阳能供热设计中，我们应计算各个房间的热负荷、散热器的的选型、散热器片的组数和布置以及太阳能集热器的选择等等。关键词：太阳能 太阳能集热器 散热器 AbstractBecause solar power is a renewable, clean energy, so is welcomed by the people of solar heating in buildings. But discontinuous at times unstable due to solar heating, and solar design in architecture there is a problem. Combining solar and electrical energy may be a good solution, solar heating is low, we will not be enough electricity to serve as compensation for solar energy surplus, we can use solar collectors to gather it up, at a time when we used to use.In the design of solar heating, we should calculate the heat load in the room radiator, radiator selection, choice of number and arrangement of groups, as well as solar collectors, and so on.Key words ：solar energy, solar collector, radiator 目录摘要IAbstractII目录III前言11 绪论21.1 论文背景及目的21.2 目前研究现状21.3 小结32 设计概况及依据42.1 项目概况42.2 设计参数42.2.1 室外气象参数42.2.2 室内设计的温度参数42.3围护结构的主要依据43 负荷计算73.1 围护结构的传热系数73.2 基本耗热量的计算公式83.3 该别墅的基本耗热量计算104 散热器的选型134.1 散热器的选择原则134.2 散热器的选型134.3 散热器的布置144.4 散热器的计算145 系统方案的选取175.1 太阳能供热系统的基本要求175.2 太阳能供热系统特点175.3 系统设计方案确定186 系统主要设备选型206.1 太阳能集热器选型206.2 集热系统布置216.3 太阳能蓄热的水箱容积确定226.4 辅助热源的选择与选型237 系统水力计算247.1 水力计算步骤247.2 循环水泵的选型268 供热管道的保温288.1 管道保温的确定288.2 保温材料的选择288.3 管道保温施工29总结30致谢31参考文献32附录A 别墅水平跨越式热水供暖系统管路水力计算表34附录B 别墅水平跨越式热水供暖系统管路局部阻力计算表36前言太阳能是众所周知的新能源。近年来，在生活热水用途的太阳能集热器的不断增多，就可以证明了太阳加热系统的可靠和成熟。每天全球各地的太阳能热水系统都给我们证明了太阳能的环保的优点。受到太阳能热水系统的成功应用启发，越来越多的人们正在思考如何将太阳能用于建筑供暖中。如果能用辅助热源和太阳加热系统结合，让人们能够感受到太阳能供暖系统在建筑中的好处，这是一件让人们非常向往的事情。本文介绍了太阳能供热系统的发展，在建筑中存在的一些问题，怎么去解决他们。重点介绍了在设计过程中，房间的热负荷的计算、散热器的选择以及水平跨越式采暖的水力计算等等。1 绪论1.1 论文背景及目的随着经济发展和科技进步，世界能源消费量的急剧增长，能源和环境成为当今世界最突出的两大社会问题。人类社会目前消费的能源主要是一些石化能源，像这些能源，资源有限且不可再生，终究会用完。像煤、石油等传统能源，会对环境造成严重的污染。这时人们开始把他们的目光注意到哪些可再生的能源上面来，一种具有取之不尽，清洁、廉价等特点的太阳能引起了人们的重视。但是由于太阳能受到天气和季节的方面的影响较大，导致了太阳能系统直接被利用受到了一些限制。随着用的人越来越多或对满足人们供热的要求越来越高，太阳能的哪些不足的地方也就越来越明显。在不同的地区和国家，太阳能辐射的时间和强度是不一样的，就连在白天和晚上太阳能运用都受到的很大的限制。白天太阳的辐射的强度很大，而遇到晚上或者阴雨天气辐射就很弱了。太阳能供热如果没有足够的辐射量，那就很难在我们需要的时候实现连续的供热了。如果我们能在太阳能系统中加入一个辅助的加热系统，那我们也许就可以解决太阳能的这个弊端了。经过人们的不断探索觉得太阳能热泵是一个不错的选择，它工作可靠，结构简单而且效率也比较高。像这种工作可靠，结构简单，效率较高的辅助加热设备，将会被人们广泛的运用，因此研究并且合理利用太能能热水系统是我国能源开发与利用的重要任务1。 1.2 目前研究现状近年来，我国建筑供暖能耗不断下降，太阳能热被利用要求越来越高，使得我国在这方面的技术不得不提高，不得不加快发展的脚步。在太阳能供热系统中集热器有多种多样，他们集热器的设计各有特点，各不相同，多数的集热器还是由太阳能热利用的企业自主设计、安装的，而且大多数设计的者是没有建筑设计单位的。在我国太阳能开发方面有相关的研究，在全球的能源危机下，开发像太阳能这种的新能源越来越受到人们的期待。如何开发并利用太阳能，这是各国科学家都必须先解决的问题。现在的今天，就我们国家而言，在太阳能利用的方面已经获得很多的成果。例如：太阳能电池、太阳能电动车和太阳能供热等等。但是如何保证冬季夜间或阴雨天气太阳能能够连续的采暖，在这方面的研究还有待解决2。1.3 小结由于太阳能资源很多又环保，还是可以再生能源。目前太阳能热泵系统存在像能源的密度有点低，而且具有随机性和不连贯性等一些问题；但我相信在我们这科技时代，我们将很快的得到解决，使其理论不断得到完善。太阳能技术成为解决我国能源和环境两大重要问题的，也将成为我国当前供热行业的主流方向。随着碳氢燃料日渐枯竭，新型能源的技术不断的完善，促使越来越多新型能源被广泛使用，使太阳能为家庭供热也成为可能。2 设计概况及依据2.1 项目概况该项目为杭州市一栋两层的别墅，其中有健身房、厨房、接待室、卧室等功能用途的房间。层高为3米，建筑面积约300m2，采暖面积约为200m2。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。2.2 设计参数2.2.1 室外气象参数纬度：北纬：3014， 东经：12010；冬季大气压力为1038.2 Pa；冬季：采暖室外计算温度为=-1； 最低日平均温度为=-6；室外平均风速为=2.3 m/s； 最冷月相对湿度：77%； 日照率为70%。2.2.2 室内设计的温度参数室内设计的温度参数见表2.1表2.1 室内设计的参数房间功能接待厅卧室厨房健身房室内设计温度（）202018182.3围护结构的主要依据为了保证室内人员的热舒适性要求，根据室内空气温度与围护结构内表面的温差要求来确定围护结构的最小传热阻。其不同室温下的最小传热阻见表2.2所示：表2.2杭州地区不同室内设计温度下的最小传热阻围护结构类型冬季围护结构室外计算温度的计算公式冬季围护结构室外计算温度（）室内计算温度为18的最小热阻（m2/W）室内计算温度为20的最小热阻（m2/W）I-10.3640.403II-30.4030.441III-4.50.4310.469 在计算冬季围护结构室外计算的温度 时，当围护结构类型不同时，选择的公式也不相同。表中为采暖室外计算温度，为累年最低日平均温度。 （2-1）式中：围护结构的最小传热热阻，m2/W冬季围护结构室外计算温度，；采暖室内设计温度，；室内温度与围护结构内表面的温差，这里取6。这里将计算的结果列于表2.2。已知外墙结构如图2.1所示，根据公式（2-2）和（2-3）计算不同砖墙厚度时的热隋性指标和实际传热阻，将计算的结果列于表2.4。这些砖墙结构的热惰性指标按下列公式计算： （2-2）式中：各层材料的传热阻，m2/W；各层材料的畜热系数，W/ m2；各层材料的厚度，mm；各层材料的导热系数，W/m。总结构的传热热阻按下式计算： （2-3）公式中：内表面换热系数，在这里取8.7 W/ m2；外表面换热系数，在这里取23 W/ m2。 表2.3 建筑材料的热物特性建筑材料导热系数W/m蓄热系数SW/m2水泥沙浆0.8710.79砖墙0.8110.53图2.1外墙结构表2.4 不同砖墙厚度的实际传热阻砖墙厚度mm240370490总结构的隋性指标及类型3.616（III型）5.306（II型）6.866（I型）总结构的实际传阻m2/W0.5010.6610.8093 负荷计算3.1 围护结构的传热系数表3.1 围护结构的参数表结构类型具体结构及参数传热系数W/（ m2）外墙外水泥砂浆抹灰加浅色喷浆：20mm；砖墙：240mm；内粉刷加油漆：20mm2外窗双层木框透明玻璃窗，窗高2m，大窗长2m,小窗长1m。3.01内墙240mm普通砖墙，两侧有20mm水泥砂浆抹面，涂白色外墙涂料1.72屋面砖红色粘土装饰瓦屋面，瓦材下面设100mm保温层0.9二层顶棚水泥砂浆找平层：20mm；泡沫混泥土保温层：100mm；现浇钢筋混泥土楼板：70mm；麻刀灰抹面：20mm0.97外门双层实木，尺寸（宽高）为1.82m。2.33内门单层实木，尺寸（宽高）为1.82m。2.91一层顶棚水泥砂浆抹面：20mm；现浇钢筋混泥土楼板：70mm；麻刀灰抹面：20mm1.83.2 基本耗热量的计算公式在计算别墅的热负荷，我们只考虑围护结构传热的冷风渗透和耗热量引起的热负荷计算量，其它的热负荷我们不考虑。（1）围护结构基本耗热量按下式计算： W （3-1）式中： K围护结构的传热系数，W/m2；围护结构的面积，m2；围护结构的温差修正系数； 室内空气计算温度, ； 室外供暖计算温度, 。不供暖房间或空间的空气温度, 。暖通规范规定：不同的朝向，选用不同的修正率。如表3.2所示：表3.2 朝向修正率朝向东、西南东南、西南北、东北、西北修正率 -5%-15%-30%-10%-15%0% -10%风力附加是考虑室外的风速对维护结构影响的修正。而我国的很多的地方的冬季的室外平均风速为23m/s。因此，在暖通规范中明确的规定：在这种情况下，一般不考虑风力附加。高度附加的耗热量是考虑房间的高度对维护结构耗热量的影响而附加的耗热量3。由暖通规范规定可知，该别墅不考虑高度附加。所以该建筑的外部维护结构的总耗热量为： （3-3）式中：外部围护结构的基本耗热量；外部围墙结构的附加耗热量。（2）冷风渗透耗热量的计算公式为： W （3-4）式中：经过门和窗隙入室内的总空气量，m3/h；室外计算温度下的空气密度，kg/m3；冷空气的定压比热，在这里取1kJ/（kg.）； 室内空气计算温度, ； 室外供暖计算温度, 。冷风渗透耗热量公式中V 的确定：V=Lln m2/h （3-5）l 外门和窗缝隙长度，m；L 每米门和窗缝隙的基准渗风量,见表3.3，m3/（hm）；n 渗透空气量的朝向修正系数。表3.3 每米门、窗缝隙渗入的空气量Lm3/（mh）门窗类型冬季室外平均风速（m/s）23双层木窗1.42.2在确定门、窗缝隙渗入空气量V后，冷风渗透耗热量，就可以按下列公式计算 =0.278 W （3-6）（3）冷风侵入耗热量按下式计算： （3-7）式中：N冷风侵入的外门附加率，按表3.4采用；外门的基本耗热量，W。外门布置状况附加率一道门65n%两道门（有门斗）80n%三道门（有点个门斗）60n%公共建筑和生产厂房的主要出入口500n%表3.4 外门附加率N值注：n建筑物的楼层数3.3 该别墅的基本耗热量计算这里我们以该别墅的厨房（102）为例，进行该房间的基本耗热量计算，厨房（201）房间见图纸。厨房（102）供热设计热负荷计算步骤：1. 围护结构传热耗热量的计算：围护结构传热耗热量的计算全部列入表3.5中，其围护结构总传热耗热量=399+700+218+158+97+135+170+2=1879 W2. 冷风渗透耗热量的计算：该别墅厨房（102），因为有相邻的两面外墙，所以其门、窗缝隙的计算长度全部计入门、窗的可开启部分的缝隙长度，即 l=12+10=22 m。在杭州市冬季室外的平均风速vpj =2.3 m/s下，由表3.3可得，双层木窗的每米缝隙的冷风渗透量L=1.64 m3/（hm）。所以总的冷风渗透量V为：V = Lln=1.64221=36.08 m3/h冷风渗透耗热量=0.278=0.27836.0811.29818-（-1） = 247 W表3.5 102房间的围护结构传热耗热量房间编号房间名称围护结构传热系数室内计算温度供暖室外计算温度室内外计算温度差温差修正系数基本耗热量耗热量修正围护结构耗热量朝向风向修正值修正后热量高度名称及方向面积Ktnt/wtn- t/wQ/1jxcnxf1+xcn+ xfQxgQ1/m2W/（m2）W%W%W102厨房北墙10.5218-1191399001003990399西墙19.42737-595700700西窗43.01229-595218218南墙4.92186-1585158158南窗23.01114-15859797南门3.62.33159-1585135135地面一190.471700100170170地面二0.40.2320100223. 外门冷风侵入耗热量的计算外门冷风侵入耗热量的计算,由于该门的开启时间不长。则： =0.651159=103 W4. 厨房（102）设计热负荷总计为（按十位数汇总）= +=1879+247+103=2230 W该别墅的其他房间用面积指标法进行概算，其公式为：kW式中：建筑物的供暖设计热负荷，kW；F建筑物的建筑面积，m2；建筑物的供暖面积指标，W/m2，它表示每1m2建筑面积的供暖热负荷。通过查找热网规范4，可得出杭州市的建筑物供暖面积指标=40 W/m2。该别墅的其他房间的供暖设计热负荷列入表3.6中。房间编号房间名称房间面积（m2）热负荷（W）101接待室572280201客卧17680202主卧331320203客卧19760204健身房22880表3.6 其他房间的供暖设计热负荷该别墅房间总的供暖热负荷为：=2230+2280+680+1320+760+880=8150 W =8.15 kW4 散热器的选型4.1 散热器的选择原则散热器是最常见的一种散热设备，对散热器的设计要求主要有以下几方面5： 1. 散热器在成本方面的要求，散热器单位时间向房间释放的热量越多，用的金属材料越少，且用的成本越少，这样它的经济效果就越好。 2. 散热器在热工性能方面的要求，如果散热器的传热系数越大，那么它的热工性能就越强，我们可以增大散热器的散热面积，增大散热器的辐射强度和加快散热器周围的空气速度等方法来提高散热器的热工性能。 3. 散热器在卫生和美观方面的要求，不仅要让散热器方便清扫上面的积灰，而且还不能影响散热器的美观。4. 散热器在工艺方面和安装使用方面的要求，散热器应该便于安装，且占用房间和空间的面积要小，并且它能承载在使用过程中的机械强度，也要方便厂家能够大批量的生产。 5. 散热器在使用年限方面的要求，散热器应该不容易损害，且具有耐腐蚀性，使用年限越长越好。在散热器的选取方面，我们优先考虑铸铁型的散热器。因为它结构简单，防腐蚀性好，并且使用年限很长以及它的热稳定性较好等一些优点。在这设计中，我们选用M132型散热器。这种散热器金属热强度及传热系数高，外形也好看，清除积灰也比较容易，容易组成所需的面积，安装也方便。 4.2 散热器的选型散热器在设计中应该具有耐用性和经济性，本工程选用铸铁柱型M132散热器，其具体性能及参数见表4.1。表4.1 散热器性能参数型号散热面积水容量重量工作压力传热系数KM132型0.24m21.32L/片7kg0.5MPaK=2.4264.3 散热器的布置背部与墙面间距不小于25mm，顶部与窗台板之间的距离不小于50mm，底部距地面之间的距离不小于60mm，一般为150mm。散热器在布置的过程中，应该满足以下的一些规范6：1. 散热器在安装过程中，一般安装在外面墙体的窗子下面。这样可以通过散热器热空气的对流改善窗子的冷辐射和冷空气对流对房间的供热影响，使房间暖和一些。2. 为了减少散热器的散热损失，散热器一般都不在外面作其它的装饰，除非有明确的要求说明时，那就特殊的处理。3. 两道外门之间禁止设置散热器，主要是为了防止散热器被冻裂。 4. 在楼梯间布置散热器时，应布置在底层，主要是为了热气上升使房间更加暖和些。5. 同一个房间的散热器可以串连，但是串联的管径的的大小必须一样，这样主要是为了散热器管道中的水能够顺利的流出。像厕所、浴室等一些辅助性的房间，我们可以让它与较近的一些供热房间串联供热。6. 铸铁散热器M132型的组装片数一般不易超过20片。 4.4 散热器的计算散热器的散热面积F按下式计算： m2 （4-1）式中： Q一组散热器的散热量，W；散热器内热媒平均温度 ；散热器组安装片数的修正系数；散热器连接形式的修正系数；散热器安装形式的修正系数。该建筑供暖的供回水温度分别为50/30,散热器内热媒的平均温度为：（）/2（5030）/240 （4-2）式中：散热器进水温度，；散热器出水温度，。这里我们以该别墅厨房（102）为例进行散热片的计算。已知：厨房（102）设计热负荷Q=2230 W ，=（50+30）/2=40，=18，=-=40-18=22。由表4-1可知，M132型的散热器:K=2.426=2.426220.286=5.87 W/（m2） 修正系数：先假定 =1.10；查找可得：=1.0；=1.02=19.37m2M132型散热器片数为：n/=F/f=19.37/0.24=80.71片81片查供热工程7，当散热片n20时，=1.10；与前面的假设一致，即：实际所需的散热器的面积F=F/=19.37m2实际采用片数n为：n=80.71片取整数，应采用M132型散热器81片。该别墅所有房间的散热片数的计算结果，见表4.2。表4.2别墅采暖散热器片数计算表房间编号房间名称设计温度平均温度散热器组数散热器片数片数修正系数修正后散热器片数房间负荷W 101接待厅20405931.0932280102厨房185811.0812230201客卧202281.028680202主卧203541.0541320203客卧202311.031760204健身房182321.0328805 系统方案的选取5.1 太阳能供热系统的基本要求 （1）系统必须全部灌满水，主要是保证系统在密闭的环境下进行。因此，在系统的最高处要设一个水箱（一般为开口式的），也是防止管道中的水受热而流出来，这个水箱叫做高位膨胀水箱。现在在系统设计中一般采用低位（落地）隔膜式膨胀罐，这主要是为了与空气隔绝，减少空气中的氧进入管道中。采暖系统管道中的热水是密闭的，这样对散热器的工作非常有好处。在封闭式的系统中，系统的总阻力跟水泵的扬程有关，跟系统的高度没什么关系。在暖通设计规范中规定，为了控制整个系统的静水压力，当建筑物采暖系统的高度超过50m时应该在竖向设立分区。 （2）必须保证有足够的循环水量 采暖系统的总循环水量（G），等于建筑物的总采暖热负荷除以供水温度减去回水温度的差，即G=0.86 kg/h；式中：G系统的循环水量，kg/h；系统各采暖房间热负荷的累积值，W；、分别为系统供、回的水温； 0.86换算系数。按照同样的计算方法，可以计算一个房间或着一组散热器所需的循环水量。5.2 太阳能供热系统特点 太阳能系统的集热不均匀性，其主要的影响因素有三个方面：一是季节的变化，不同的季节太阳的辐射是不一样的，例如：在冬季太阳的辐射是最小的，夏季辐射是最大的；二是天气的变化，即使在同一个季节不同的天气状况，太阳的辐射强度也不一样；三是即使在同一天太阳的辐射也不一样，白天有太阳的辐射 ，晚上没有太阳的辐射8。 太阳能系统集热不均匀，使的太阳能系统的热水供应也就不稳定，夏天供热水的水温高，冬天供热水的水温低；有太阳时供热水的水温高，没有太阳时供热水的水温低；天亮时供热水的水温高，傍晚供热水的水温低等一些特点。采暖系统的运行也不均匀，在冷的时候我们才供暖，系统才运行；天气热的时候就不用供暖，自然系统也就不用运行了。系统在运行时，随着天气温度的降低，系统供的热水温度也就会逐渐增大。此外，对于一天连续采暖的系统，提供热水的温度基本是不会变化；对于一天间断式采暖的系统，提供热水的温度变化很大。5.3 系统设计方案确定对于这个工程我们只需要设计一个小型的供暖系统就可以了。选用太阳能加热泵热水的系统，在楼顶装饰构架上的集热器我们的集中布置，并给它配上自己可以实现进水或加热的一些辅助控制装置。太阳能集热器用来采集热量并且加热管道中的水，另外在系统外配备的一个辅助加热的热泵。当太阳能加热的水温不足时，辅助加热的热泵自动开始工作，使水温满足人们的需求；同时也确保了该系统都有人们所需要的热水9。当太阳能的辐射充足时，建筑物的全部热负荷由太阳能系统提供，并把多余的热量储存在蓄热器中，以备太阳能供热不足时使用；如果遇到太阳辐射不强的天气时，太阳能供热就不能满足该建筑物全部的需求，这时热泵就开始工作，使水温达到人们所需要的温度。该系统的自动控制装置，是由一般有两组测量温度的电偶和其控制作用的仪器组成。一组电偶和控制仪器相连控制着水泵，当房间的温度低于设计的温度时，这时热泵就自动开始工作，直到房间的温度达到设计温度的要求，热泵才会停止工作。另一组电偶和控制仪器相连控制着热泵的开关。使用者可以根据自己需要自由的设计水温。整体的太阳能供热系统原理见图5.1，是其它部件以及自动控制器没有表示出来。图5.1 太阳能热泵联合供暖系统图最后综合考虑到本工程的实际规模、材料的节俭和施工的方便等存在的因素，本工程最后决定采用太阳能+热泵机组的水平跨越式系统热水供热。本工程设计的供、回水温度分别为50、30，最后根据建筑的实际情况，分布水平管和跨越管，把散热器分别分配到每个房间中。详细的情况请见图纸。6 系统主要设备选型6.1 太阳能集热器选型由国家对排水设计的相关规定可知，系统供热水温度设计成50，一般情况下水的温度是15，太阳能系统的热水我们按50设计10，所以太阳能集热系统热水升高的温度为：T=50-15=35。该别墅有6人居住，假设50的热水每人每一天用100kg，及6个人一共需要50的热水量为：6100=600kg。6个人每小时用的热水量为：60024 =25kg/h ；每一天用水的高峰期约为4小时，则6个人在高峰期用水量为254=100kg ；所以6个人在高峰期用的热水量为：1006=600kg ；该别墅采暖循环所需循环水量为G，由公式：G=0.86 （6-1）则采暖用水量G0.868150/（50-30）=350 kg/h。则太阳能热水系统热水负荷25（50-15）/0.86=1017 W；太阳能采暖系统热水负荷350（50-30）/0.86=8150 W；因此太阳能热水系统负荷为1017+8150=9167 W9.2 kW；TMQRZ18-18P型能量输出值：0.95kW/组，则太阳能集热面积为3.0 m2/组；本太阳能热水系统需要TMQRZ18-18P型的全真空玻璃热管集热器11：9.2/0.9510组其该集热面积为30m2，则需要蓄能式热管真空管（581800mm）300支，其中南北屋顶面各水平装置的集热器5组。其所选太阳能集热器的性能参数见表6.1：表6-1 蓄能式热管真空管集热器性能参数产品型号TMQRZ18-18P/3.0/581800外形尺寸（mm）16502000108集热器件玻璃真空集热管规格数量58180018支蓄能材料无鸣蓄能固体粉末传热器件14铜管水平热管 冷凝端1465集热面积3.0承压能力（kg/cm）6能量输出值日太阳辐射量（杭州）17MJ/m2热水补偿速度杭州地区参考值：30L/h，t=35集管材料38铜管外壳材料茶色彩涂铝板自重（kg）108保温材料35mm高密度聚氨酯6.2 集热系统布置由建筑物的结构可知，标准TMQRZ18-18P型的集热器5组摆放于别墅南面屋顶，集热管南北朝向，这就和屋顶面同坡，集热器采用串联连接；水平TMQRZ18-18P型的集热器5组摆放于别墅的北面屋顶，集热管沿东西水平方向放置，北屋顶的集热器和南屋顶的集热器的连接方式一样。楼梯间顶层梁柱结构平台上。对于集热循环管，我们这里用热镀锌管并且暗装12。6.3 太阳能蓄热的水箱容积确定根据上面计算结果，本太阳能热水系统需要一个可以储存1200kg热水的蓄热水箱，此蓄热水箱内胆采用6mm的钢板焊接并渡上一种防腐的物质，蓄热水箱的外壳用PVC的装饰板拼装，确保不易生锈漏水；保温层用30mm的厚苯板复合而成，热损耗小，保温效果良好13。一般情况下的太阳能蓄热是通过水的热容量的变化来实施的。太阳能供热蓄热的水箱的有效容积可以按公式6-2来确定： （6-2）式中V蓄热水箱计算有效容积，m3；蓄热开始时水箱内水的平均最高温度，；蓄热开始时水箱内水的平均最高温度，；K1箱输送到用户时所发生的热损失的安全系数；K2由于蓄热水箱的散热损失的安全系数；供热的时间，h；水的密度，kg/m3；水的比热容，kJ/（kgK）；总的计算热负荷，W。 则经估算所需蓄热水箱的容积V为2.91 m3，本设计可选型号为CV3-1.0蓄热水箱，其性能参数见表6.2：表6.2 蓄热水箱性能参数 型号公称容积（m3）长（mm）宽（mm）高（mm）公称压力（MPa）总蓄热量（k cal）CV3-1.03.0900200013501.04.3106.4 辅助热源的选择与选型由于太阳能提供的热量可能不能满足房间的需要，或者由于天气的影响所存储的热量不足，不能满足人们的需求，这时我们就需要用一个辅助的热源来弥补这些不足。在太阳能加热系统中我们通常选用的辅助热源就是热泵。根据太阳能热水系统要求，为了实现太阳能供热系统一整天都有人们需要的热水，就应该增加辅助热源，则本设计利用空气源热泵作为补热方式，非晴天气热泵系统补充热负荷为9167W，则可以选择1台型号为HNRB-5D的空气源热泵热水机组。其性能参数如表6.3：表6.3 型号HNRB-5D的性能参数阻力：50kPa额定输入功率:6.44kW额定制热量：24kW最大输入功率：9.3kW小时制水热量：600L最高出水温度：657 系统水力计算7.1 水力计算步骤（1）在房间的轴侧图上，进行管段的编号，水平管与跨越管编号并注明各管段的管长和热负荷，如图7.1所示： 图7.1 水平跨越式系统轴侧图（2）计算各管段的管径（d）；a. 水平管段的流量计算公式为G=0.86 kg/h （7-1）b跨越管段流量的计算公式为Gk=（1-0.36）G kg/h （7-2）从而确定各管段的管径，见附录A。（3）根据流量和管径（d）确定比摩阻（R）和流速（v）；（4）各管段的局部阻力系数（）的确定，见附录B；（5）通过查供热工程的附录表4.3，由管段的流速（v），可找到动压头（）的值； （6）局部阻力（）和沿程阻力（）的计算；a. 局部阻力计算： （7-3）b. 沿程阻力计算： （7-4）（7）计算管段的总阻力； （7-5）（8）将计算的所有结果列于附录A。这里我们以该别墅第一层的一号管段为例来计算该管的水力计算： 一号段为水平管，其热负荷为3800W，管长为2.0m； 计算一号管段的管径：一号管段的流量为：G=0.86=0.86380020=163.4 kg/h根据流量G和推荐的比摩阻（Rp.j=40Pa/m至60Pa/m），从而确定一号管的管径为15mm； 根据流量和管径可以确定一号管的比摩阻R=81.83Pa/m，流速v=0.23m/s； 一号管段的闸阀有一个，90度的弯头有三个，即=1.5+32.0=7.5 查供热工程附录表4.3，根据管段流速（v），可查出动压头（）的值=26.01Pa 局部阻力（）和沿程阻力（）的计算：=81.832=163.7Pa=26.017.5=195.1Pa 一号管段的总阻力为：=162.8+195.1=357.9Pa其余的管段算法一致。7.2 循环水泵的选型水泵是热水采暖系统的主要设备之一。水泵的选择应该注意以下的几个方面：首先应该满足系统在最高的运行的工作状态下流量和扬程，且水泵的流量和扬程必须要有一定的富余量。当系统所需要的流量和扬程较大时，我们可以用几台水泵串联使用，选用的水泵同型号最佳，但串联的台数一般不超过3台14。其次，在系统的供热循环中，最好有一个水泵作为备用。并且我们在选用水泵时，必须要考虑系统在循环时所产生的静压力对泵体本身影响。选用水泵的应该明确注明所承受的静压值是多少，特殊的情况由制造厂家做特殊的处理。由采暖规范进行的换热站的设计可知，主要设备的选型方法如下：选择水泵时，必需考虑它与热水管的安装条件、是否便于调节、是否经济可行等特点。选择水泵所依据的流量L和扬程H如下确定：水泵扬程H=（1.11.2）Hmax m （7-6） 式中：Hmax 设计的最大的扬程 m；1.11.2 放大系数。水泵L=（1.11.2） Lmax kg/h （7-7） 式中：Lmax 设计最大流量；1.11.2 放大系数，水泵单台工作时取1.1。采暖的热水按供回水温差20计算，热水最大流量Lmax =163.47+104.66+2588+165.17=4988.3kg/h，取1.1安全系数，循环水泵的流量选择5487kg/h。扬程按下式计算： （7-8）式中：水系统总的沿程阻力和局部阻力损失，Pa；设备阻力损失，Pa；g在这里取10m/s2。本工程选择热泵机组阻力损失为50kPa，则Hp=（4286.4+11721.8+50000）100006.6m。取1.1安全系数后，水泵扬程选7.26m。所以根据扬程和流量可选择型号为:DJB11-JS-25CP的循环水泵。其参数见表7.1表7.1 DJB11-JS-25CP的循环水泵的参数最大扬程：8 m最大工作压力：1000kPa最大流量：5500 kg/h介质温度范围-10至1108 供热管道的保温8.1 管道保温的确定为了节约能量、保证使用者的使用温度、也为了减少热水在运送过程中的热量损失等等一些不利的因素。需要对运送的管道及其那些附件作保温。在下列的情况下需要对管道保温：a. 室外管路采用橡胶管保温，厚度大于或者等于40mm，其在外面还需要制作保护层。b. 在室内的供回水主干管、主要的立管以及暗装的采暖支管，要作保温层；c. 在那些容易被冻裂管道的地方，要给管道设保温层；d. 在管道通过的需要保温的地方，要对管道作保温。 8.2 保温材料的选择矿棉、岩棉和玻璃棉的管壳，保温性能不错而且耐久、无毒施工也比较方便。水泥膨胀珍珠岩管壳，它具有较好的保温性能，并且可以大量的生产，这样的话就使得卖出去的价格比较便宜，是现在管道保温材料最好的选择。在民用建筑节能设计标准中我们常常采用以上两种保温材料。当系统管道中的热水的温度与管道周围空气的温度相差小于60时，供热系统中的管道最小保温厚度为40mm。详细解释请见民用建筑采暖设计与施工安装手册15。管道的保温材料不是越厚越好，当保温层厚到一定的量时，保温层表面积增大损失的热量反而比管道本身损失的热量大。科学家们经过大量的实验和总结，最终得出了表8.1的管道保温层的极限厚度，只有这样的搭配才是最经济合理的。表8.1 保温层极限厚度参数公径3240507080100125150200250极厚45556580951101151201251308.3 管道保温施工（1）在供热管道做完水压试验和防腐试验并且合格后才能做管道的保温工作。如果要提前要对管道做保温处理，应该把管道的焊接缝口留出来，等做完管道的防腐工作和水压试验后在做保温处理。 （2）通常我们不会对管道上像阀门、法兰等这些附件不作保温处理。但在它们的两侧要留70mm至80mm空隙，在这里保温层端部要抹成60至70的斜坡。（3）保温管外壳的残缺处或缝隙要用水泥石棉灰填好，在保温层的搭接应该错开搭接。（4）为了防止保温层的热胀冷缩的现象对保温层的破坏，及在保温层的管道上每隔5至7m就要留一个缝宽 5mm的缝隙，并且缝隙用玻璃棉塞堵着。总结（1）根据别墅供应热水以及采暖要求设计了太阳能热泵系统，并计算出房间维护结构的的热负荷。（2）在太阳能集热器设计计算中，设计出杭州地区相适应的全真空玻璃热管集热器，并计算出其及热量。（3）太阳能系统集热器经常采用水平热管技术，使太阳能集热器水平分布，这样不仅占地面积小，而且可起到屋顶隔热层作用，在抗风方面也有着相当不错的作用，避雷方面也不错。太阳能集热器的支架采用热镀锌型钢制的防风设计，既安全可靠又科学节能，方便使用。（4）设计蓄热体，尽可能满足蓄热量与别墅供暖的要求。综上所述，太阳能热泵系统极大的给人们的方便，填补了太阳能系统的不足，使得该系统的性能全面的改善，运行费用也得到了改善。从而降低了整个系统的成本。现在国内外开展的试验研究多数是中小型的热水系统，随着研究的进展和技术的成熟，太阳能热泵系统将逐渐与大型供热系统相结合，以便在更多的地方可以使用，也可以为更多的人们服务。致谢本人的学位论文是在我的指导老师冉均均的亲切关怀和认真指导下完成的。他温柔的表情，耐心的指导，深深的感染着我，让我没有任何的理由不保质保量的完成论文。从论文选题到论文的最终出稿，冉老师都一直给予我耐心的指导和绝不放弃的勇气。在此谨向冉老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。 除此之外，我还要感谢在一起度过的每个可爱的同学们和尊敬的老师，正是有了你们无微不至的帮助，我才能够不被困难击倒，勇往直前。 我的论文即将完成，我的心情热血澎湃，在我论文的写作的过程中，有太多的朋友、同学帮我梳理思路，给我前进的勇气，在这里请接受我诚挚的谢意，真心感谢你们！参考文献1 王长贵.郑瑞澄.新能源在建筑中的应用 M.北京：中国电力出版社，2003.2 陆耀庆.供暖通风手册 M.北京：中国建筑工业出版社，1987.3 J R Simonson. Compuuting Methods in Solar Heating DesignM,London: The Macmillan Press LTD,1984.4 中华人民共和国行业标准，城市热力网设计规范（GB34-2002）.北京：中国建筑工业出版社，2002.5 ASHRAE.Solar energy useA.In:ASHRAE Handbook ApplicationsCAm