太阳能热水系统课程设计计算书

太阳能应用技术太阳能应用技术 课程设计计算书课程设计计算书 题 目 杭州市现代宾馆 公寓 太阳能热水系 统设计 姓 名 杨超 学 院 建筑工程学院 专 业 建筑环境与能源应用工程 班 级 建环 142 学 号 6 指导教师 候景鑫 2017 年 12 月 25 日 目录目录 1 1 设计参数设计参数 2 1 11 1 气象参数气象参数 2 1 2 热水设计参数 2 2 太阳集热系统设计 2 2 1 集热器面积确定 2 2 2 太阳集热器的定位 3 2 3 太阳集热器模块总数确定 3 2 4 太阳集热器间距 3 3 贮热水箱选型 4 4 集热循环管路水力计算 5 4 1 集热循环管路流量 5 4 2 集热循环管网热水流速及管径的确定 5 4 3 集热循环最不利环路管道阻力的确定 6 4 4 集热系统循环水泵选型 7 5 热水供应系统管路水力计算 8 5 1 热水供应系统管路流量的确定 10 5 2 热水供应系统最不利环路管道阻力的确定 11 5 3 热水供应系统循环水泵的选型 12 6 辅助热源 13 7 自动控制系统 14 7 17 1 运行控制运行控制 14 7 27 2 防冻控制防冻控制 15 7 37 3 过热防护过热防护 15 8 阻垢除垢 15 9 参考文献 16 1 1 设计参数设计参数 1 11 1 气象参数气象参数 本工程为杭州市现代宾馆的太阳能系统设计 杭州地区纬度为北纬 30 14 根据 民 用建筑太阳能热水系统工程技术手册 表 1 10 查得该地区的水平面年总辐照量为 4068 653 MJ a 水平面年平均日辐照量为 11 117 MJ d 当地纬度倾角平面年 总辐照量为 4252 141 MJ a 当地纬度倾角平面年平均日辐照量 11 621 MJ d 1 21 2 热水设计参数热水设计参数 根据 民用建筑节水设计标准 表 3 1 7 酒店的热水平均日用水定额取 110 140 L 床 d 本设计取 120 L 床 d 热水温度按 60 计 根据 民用建筑太阳能热水系 统工程技术手册 表 1 16 杭州地区冷水计算温度取 5 地面水 2 2 太阳集热系统设计太阳集热系统设计 2 12 1 集热器面积确定集热器面积确定 根据我国现行标准 太阳能集热系统的热性能指标以贮热水箱容积 600 L 为界限 本 工程贮热水箱容积大于 600 L 故其集热器面积的确定为 式中 系统集热器总面积 m2 C A 日平均用热水量 考虑太阳能热水系统全年提供宾馆客房用热水 客房总数 w Q 为 72 床 则日平均用热水量为 8640 L d c 水的定压比热容 4 187 kJ kg 水的密度 1 kg L r 贮热水箱内水的终止设计温度 取 60 end t 水的初始温度 取 5 L t JT 当地集热器采光面上的年平均日太阳辐照量 取 11621kJ m2 f 太阳能保证率 上海地区属于太阳能资源一般区 由 民用建筑太阳能热水 系统工程技术手册 4 4 3 1 并参照表 4 6 取 0 45 集热器年平均集热效率 由 民用建筑太阳能热水系统工程技术手册 cd 4 4 3 1 1 wrendL C TcdL Q cttf A J 太阳能热水工程中集热器效率一般在 0 25 0 5 间 本工程全年使用 取平 均 值 0 375 管路及贮热水箱热损失率 由 民用建筑太阳能热水系统工程技术手册 L 4 4 3 1 取 0 20 将数据代入 计算得系统集热器总面积 256 82 m2 C A 2 22 2 太阳集热器的定位太阳集热器的定位 根据 太阳能集中热水系统选用与安装 8 2 1 条 在全年使用时 集热器的安装倾角 宜与当地纬度相同 即与建筑同方位 朝向正南 倾角为 30 14 2 32 3 太阳集热器模块总数确定太阳集热器模块总数确定 由 太阳能集中热水系统选用与安装 选用 PGT 2 0 平板型太阳能集热器作为一个 单元集热器 单元平板集热器的尺寸为 2000 mm 1000 mm 单元集热器的集热面积为 1 83 m2 根据集热器的总面积及单元集热器的集热面积 计算需要集热器的数量为 141 块 则总集热面积约为 258 03m2 2 42 4 太阳集热器间距太阳集热器间距 1 由 民用建筑太阳能热水系统工程技术手册 4 4 1 2 本工程集热器的安装方位 为正南 即集热器方位角为 0 因此 全年运行的太阳能集热系统 集热器前 后排间 不相互遮挡的最小间距的计算时刻选择春分日上午 9 点 sinhsinsincos coscos 式中 太阳高度角 h 地理纬度 取 30 14 赤纬角 春分日为 0 太阳时角 上午 9 点对应的时角为 45 太阳方位角 计算得 则 太阳高度角为 37 73 太阳方位角为 sin 0 612 sin 0 894 63 38 所以 38 0 63 38 0 63 2 以上为集热器倾角为 30 14 的集热器侧视图 可知集热器高度为 504mm 宽度为 864mm 由 民用建筑太阳能热水系统工程技术手册 4 4 1 2 集热器前后排间距 0 SHcot hcos 式中 日照间距 m S 前排遮挡物高度 女儿墙高度取 1 3 m 集热器高度为 0 504 m H 计算时刻的太阳高度角 h sincossin cosh 计算时刻太阳光线在水平面上的投影线与集热器表面法线在水平面上的投影 0 线之间的夹角 计算得 太阳能集热器距南墙的距离为 0 75m 前后排太阳集热器的日照间距为 0 31m 3 3 贮热水箱选型贮热水箱选型 根据本建筑所需的日平均用热水量 8640L d 选择 3 m 2 m 2 m 的贮热水箱 其实际 容积约为 12 吨 4 4 集热循环管路水力计算集热循环管路水力计算 集热环路采用同程连接 各环路相同 取其中任一环路为最不利环路 即管段 1 2 3 4 5 6 7 8 图 4 1 集热循环最不利环路 4 14 1 集热循环管路流量集热循环管路流量 根据 民用建筑太阳能热水系统工程技术手册 4 4 4 平板型太阳集热器的工作流量 可按 0 02 L s 计算 则本工程太阳能集热系统的总流量为 0 02 0 02 256 82 5 13 4 24 2 集热循环管网热水流速及管径的确定集热循环管网热水流速及管径的确定 由 太阳能集中热水系统选用与安装 8 8 2 太阳能集热系统管网热水流速 宜按下 表选用 表 4 1 集热系统管网热水流速推荐值 公称直径 DN mm 15 2025 40 50 流速 m s 0 8 1 0 1 2 根据下列公式 可计算出管段管径 式中 q 集热系统循环管道内流量 m3 s d 集热循环管道直径 mm v 集热循环管网中热水流速 m s 太阳能集热循环管路中最不利环路的管径及流速计算结果如下 表 4 2 集热循环管路中最不利环路的管径 管段编号流量 m3 s 管径 mm 流速 m s 10 00544 1000 69 20 00432 800 88 30 00288 700 73 40 00144 401 12 50 00144 401 12 60 00288 700 73 70 00432 800 88 80 00513 1000 65 4 34 3 集热循环最不利环路管道阻力的确定集热循环最不利环路管道阻力的确定 本设计集热循环管网采用镀锌钢管 2 4 d qv 1 管道的沿程水头损失 y PiL 管道单位长度水头损失可查 建筑给水排水工程 第六版 附表 2 1 将各数据带入 具体计算结果见下表 表 4 3 集热循环最不利环路管道沿程损失 2 管道的局部水头损失 考虑阀门 弯头及三通所造成的局部阻力 按沿程阻力的 20 取值 则局部阻力为 0 2 0 2 8 370 1 674 3 集热器的阻力 根据 太阳能集中热水系统选用与安装 8 8 2 集热器单位面积流量为 q 0 02 L s 时 单个集热器的阻力一般为 0 5 kPa m2 本次设计中最不利环路中共有 35 个单元集热器 故 集热器总阻力为 35 2 0 5 35kPa 4 管网总阻力 最不利环路的总阻力即为沿程损失 局部损失和集热器的阻力之和 即 8 370 1 674 35 45 044 管段编号管径 mm 流量 m3 s 管道单位长度 水头损失 kPa m 管道长度 m 沿程水头损 失 kPa 11000 00544 0 08926 3190 564 2800 00432 0 223 1 170 261 3700 00288 0 2541 170 297 4400 00144 0 9351 171 094 5400 00144 0 9351 171 094 6700 00288 0 2541 170 297 7800 00432 0 2231 170 261 81000 00513 0 074960 114 502 y P 8 370 4 44 4 集热系统循环水泵选型集热系统循环水泵选型 本工程太阳能集热系统的总流量为 5 13L s 即 18 47m h 此流量即为集热系统水泵的 流量 扬程考虑到沿程损失 局部损失 集热器阻力 即管网的总阻力 相当于 4 5mH2O 考虑流量储备系数 1 1 则集热系统循环水泵的扬程 H 为 4 95mH2O 根据流量和扬程 选择 2 台 IRG 15 80 型热水循环泵 其中一台为备用 具体性能参 数见下表 表 4 4 IRG 15 80 型热水循环泵性能参数 型号扬程 m流量 m h功率 kW IRG 65 100A72 00 18 5 5 热水供应系统管路水力计算热水供应系统管路水力计算 图 5 1 热水循环系统最不利环路 5 15 1 热水供应系统管路流量的确定热水供应系统管路流量的确定 该酒店建筑中 一个客房中热水供给的卫生器有洗脸盆 浴盆或淋浴器 由 民用建筑 太阳能热水系统工程技术手册 4 6 1 洗脸盆的给水当量为 0 5 额定流量为 0 10 L s 浴 盆的给水当量为 1 0 额定流量为 0 20 L s 热水给水设计秒流量为 酒店 取 2 5 若所求值大于计算管段卫生器具额定流量累加值 按累加值计 计算结果如下 表 5 1 热水供水管路流量 管段编号浴盆数量 洗脸盆数 量 给水当量qg L s 17373109 55 23 2515176 54 37 3454567 54 11 44242633 97 53030453 35 61818272 60 71212182 12 86691 50 9 44 61 22 10 22 30 87 5 25 2 热水供应系统最不利环路管道阻力的确定热水供应系统最不利环路管道阻力的确定 本设计热水循环管网采用镀锌钢管 根据 民用建筑太阳能热水系统工程技术手册 4 6 2 为保证各立管的循环效果 尽量减少干管的水头损失 热水供水干管和回水干管均 不宜变径 可按其相应的最大管径确定 根据 建筑给排水设计规范 GB50015 2010 表 5 1 1 2 查得酒店旅馆的浴盆小时 用热水量为 250 L 0 07L S 洗脸盆的小时用热水量为 180 L 0 05L S 并由此确定回水管 的流量 管网热水流速的确定 可参照 民用建筑太阳能热水系统工程技术手册 表 4 19 0 2 gg qN 表 5 2 热水管道内的流速 公称直径 DN mm 15 2025 40 50 流速 m s 0 8 1 0 1 2 1 管道的沿程水头损失 y PiL 管道单位长度水头损失可查 建筑给水排水工程 第六版 附表 2 1 将各数据带入 具体计算结果见下表 表 5 3 热水循环最不利环路管道沿程水头损失 管段编号 管径 mm 流量 L s 管道单位长度水头 损失 kPa m 管道长度 m 沿程水头损失 kPa 11005 23 0 079 19 61 554 2804 37 0 237 0 610 145 3804 11 0 213 0 180 038 4703 97 0 460 8 2123 778 5703 35 0 321 8 42 696 6702 60 0 210 8 41 764 7502 12 0 525 8 44 410 8501 50 0 237 5 1151 212 9501 22 0 182 3 30 601 10400 87 0 252 3 30 832 11320 72 0 501 11 055 536 12501 44 0 255 8 42 142 13502 16 0 503 8 44 225 14703 60 0 377 8 43 167 15805 04 0 311 7 52 333 16805 40 0 362 0 90 326 17806 12 0 433 0 610 264 181008 76 0 203 5 81 177 36 199 2 管道的局部水头损失 考虑阀门 弯头及三通所造成的局部阻力 按沿程阻力的 20 取值 则局部阻力为 0 2 0 2 36 2 7 24 3 环路最不利出水点所需的最低压力 因水箱位于楼顶 水箱与最不利出水点的静水压大于最不利出水点的最低工作压力 故环路中可不计最不利出水点所需的最低压力 4 管网总阻力 最不利环路的总阻力即为沿程损失 局部损失和集热器的阻力之和 即 36 2 7 24 43 44 5 35 3 热水供应系统循环水泵的选型热水供应系统循环水泵的选型 1 设计小时耗热量计算 式中 Qh 设计小时耗热量 kJ h m 用水计算单位数 本次设计客房总床数为 72 床 qr 热水用水定额 日均用热水量为 120 L b d c 水的比热容 4187 J kg 水的密度 1 kg L 热水温度 为 60 r t 冷水温度 为 5 L t Kh 小时变化系数 由 民用建筑太阳能热水系统工程技术手册 表 4 4 取 6 84 代入计算 得设计小时耗热量为 W 2 水泵的流量为循环流量 根据 民用建筑太阳能热水系统工程技术手册 4 6 1 全天供应热水系统的循环流量可按下式计算 式中 循环流量 L h x q 配水管道系统的热损失 W 按设计小时耗热量的 3 5 采用 本次计算 s Q 取 5 则热损失为 7876 W t 配水管道的热水温度差 根据系统大小确定 一般取 5 10 取 10 水的密度 1 kg L 代入计算 得热水循环流量为 677 L h 故水泵流量为 677 L h 即 0 677 m h 11 3L min 3 热水循环水泵扬程即为克服管道所产生的阻力 43 44 kPa 相当于 4 344 mH2O 86400 rrL hh mq ctt QK 1 163 s x Q q t 考虑流量储备系数 1 1 则 H 为 4 778 mH2O 根据流量和扬程 选择 2 台ISG 15 80型热水循环泵 其中一台为备用 具体性能参 数见下表 表 5 4 IRG 15 80 型热水循环泵性能参数 型号扬程 m流量 m h功率 kW IRG 15 80720 18 6 6 辅助热源辅助热源 本设计采用空气源热泵机组作为辅助热源 按照阴雨天太阳能供热量为 0 计算辅助 热源的设计小时供热量 其值可按下式计算 式中 空气源热泵的设计小时供热量 kJ h g Q m 用水计算单位数 本次设计客房总床数为 72 床 热水用水定额 日均用热水量为 120 L b d r q c 水的比热容 4 187 kJ kg 热水密度 1 kg L r 热水温度 为 60 r t 冷水温度 为 4 L t 热泵机组设计工作时间 本次设计取 20 h 1 T 代入计算 得到辅助热源的供热量为 kJ h 即为 30 95kW 由此选用 1 台格力 KFRS 1 1 10 rrlr g mq c tt Q T 36s 型号的空气源热泵机组 具体性能参数见下表 表 6 1 KFRS 36s 型号的空气源热泵机组性能参数表 型号制热量 kW水流量 m h额定功率 kW KFRS 36s366 08 7 7 7 自动控制系统自动控制系统 根据 民用建筑太阳能热水系统工程技术手册 4 8 控制系统在设计时需要考虑到系 统所以可能的运行模式 并遵循简单可靠的原则 选择可靠的控制器和温度传感器 7 17 1 运行控制运行控制 太阳能热水系统的控制方式主要有定温控制 温差控制 光电控制 定时器控制四种 定温控制和温差控制以温度或温差作为驱动信号来控制系统阀门的启闭和泵的启停 是最 为常见的控制方式 强制循环一般采用温差控制 因此 本次设计对太阳能集热系统采用温差控制方式 在水箱与集热器回水管上分别设置温度探头 T1 T2 当 T2 T1 10 时 启动集热循环泵 循环 T2 T1 5 时 停止集热循环泵的运行 对与用户相连的热水循环系统采用温差控制方式