太阳能热水器设计工程.doc

一、基本情况一居民小区，共十个单元，每单元楼房占地面积约：18*100m2，共六层每层可住8户人家。二、设计要求1、系统产水量：以每户每天平均用水45150L量设计。2、晴天以太阳加热为主，阴天以电辅助加热为主。3、用水方式：全天候24小时供应热水。表1 昆明市环境条件昆明 纬度25.01经度102.41 海拔高度1892.4 月份 1 2 3 4 5 6 月平均室外气温 8.1 9.9 13.2 16.6 19 19.9 水平面月平均日太阳总福照度 13.322 15.928 18.368 19.423 17.655 14.565 月日照小时数 231.5 227.2 264 252.8 219.6 140.2 月份7 8 9 10 11 12 月平均室外气温 19.8 19.4 17.8 15.4 11.6 8.2 水平面月平均日太阳总福照度13.571 14.681 12.950 11.634 11.590 11.884 月日照小时数128.4 149.5 127.8 149 175.7 208.6 三、热水系统方案的选择 集热上循环管 T2集热下循环管泵1控制器辅助热源控制开关阀2阀1阀4恒温混水器阀3T4储热水箱T3 集热水箱排气阀回水管路泵2自来水T1图1 太阳能储能平板集热器热水系统系统工作方式：1. 定温上水：集热器出口温度T2达到50时，电磁阀1开启，自来水通过集热器下循环管将水顶入集热水箱中，T2温度降至45时，电磁阀1关闭；,2. 当检测到集热水箱中的水达到水位上限时，控制器控制阀2开启，集热水箱中的水被排入储热水箱中；3. 温差循环：集热器出口温度T2比储热水箱中温度T4高出10时，温差循环泵1启动，储热水箱内的水将集热器中的水顶入集热水箱中，集热水箱中的水满后放入储热水箱中，直至T4 比T2高于2时，温差循环泵1停止工作，系统完成温差循环集热；4. 系统在太阳能集热状态下执行温控上水和温差循环功能，在辅助加热状态下执行箱温上水和温控、时控加热功能；5. 箱温上水：首先电磁阀2开启，集热水箱放空至储热水箱中，同时系统检测储热水箱水温，若T4高于50，电磁阀1开启，系统通过集热场上水至储热水箱，直至储热水箱水位满止，若储热水箱中T4低于45，启动空气源热泵进行辅助电加热。6. 温控加热：系统根据储热水箱温度自控加热，T4温度低于45时，辅助电加热启动后，空气源热泵加热储水箱中的水，直至T4达到50停止加热。7. 防冻保护：冬季如果环境温度低于4时，电磁阀4开启，集热系统中的水全部回流至储热水箱中，防止集热系统因温度过低而损坏。8. 即热用水：热水循环管路水温低于38时，电磁阀3开启，启动变频泵2，储热水箱中的热水循环至管路中，延时8分钟后电磁阀3关闭，淋浴末端用水即热。四、集热器4.1集热器类型的确定据建国以来的气象资料统计，昆明年均气温14.5，最热月(7月)平均气温19.7，最冷月(1月)平均气温7.5，年温差1213。一月份日最低气温不会低于0度，可以选着平板型集热器，首先，在日平均效率方面，平板型太阳能集热器要优于真空管太阳能集热器。目前，平板型太阳能集热器热效率一般为60%，而真空管太阳能集热器的热效率一般为50%。集热器内的水温处于50以下时，平板型集热器的瞬时热效率大于真空管集热器。而普通太阳能集热器的温度一般为中温或低温，所以普通的太阳能集热器在运行时，平板型集热器的瞬时效率要高于真空管集热器。故选择平板型集热器。4.2平板集热器面积的确定根据GBT 18713-2002 太阳能热水系统设计、安装及工程验收技术规范A1直接系统的集热器总面积：集热器采光面积可根据用户的每日用水量和用水温度确定，按式(A1)估算：AC=QWCWtend-tifJtcd1-L式中：AC直接系统集热器采光面积，m2 QW日均用水量，kg； CW水的定压比热容，kJ/（kgC）； tend储水箱内水的终止温度，C；ti水的初始温度，C； JT当地春分或秋分所在月集热器受热面上月均日辐照量，kJ/m2； f太阳能保证率，无量纲；根据系统使用期内的太阳辐照，系统经济性及用户要求等因数综合考虑确定，宜为30%80%；cd集热器全日集热效率，无量纲；根据经验值取0.400.55,。L管路及储水箱热损失率，无量纲；根据经验值取0.20.25。日均用水量：QW =150kg*8*6=7200kg；水的定压比热容：CW = 4.2kJ/(kgC)；储水箱内的水的终止温度：tend =50；自来水温度：ti =15；昆明地区集热器采光面上的年平均日辐照量查表可得：JT =14.631103kJ/m2；太阳能保证率：f=70%；平板集热器平均集热效率：cd =50%；管路及储水箱热损失率：L =25%将以上值带入（A1）公式中可得系统集热器的采光面积：Ac=135.0m2每个平板集热器的面积S=2m2；所需集热器的个数：n=AcS=1352=68个；4.3集热器定位2mm1m1.2m 图2 集热器安装示意图4.3.1集热器定向集热器摆放面为正南方位。4.3.2集热器安装倾角根据昆明气候条件，月平均日辐照量及GBT 18713-2002 太阳能热水系统设计、安装及工程验收技术规范等综合考虑，集热器的安装倾角设为30。集热器安装的垂直高度：H=2sin30=1m4.3.3集热器排列间距昆明地区维度：=2512月份平均赤维角：=23.45sin360284+n365将n=354即为12月10日带入上式得：=-23.0时角：以当地中午12点算=0昆明地区12月份9点钟的太阳高度角：sin=sinsin+coscoscos =0.669=42为了避免遮挡，集热器距离遮光物的距离：D=Hcot=1cot42=1.11m 取D=1.2m4.3.5集热器阵列共需135个平板型集热器，每排并联集热器数10个，共需14排。五、水箱设计5.1水箱容积的确定对于太阳能热水系统，由于太阳能资源的不确定及不稳定性，为满足用户24小时用水要求，根据实际情况，考虑储热水箱水量、太阳集热功率和用户用水量之间的关系，太阳能热水系统宜设计为集热水箱和储热水箱组合式系统。该系统水箱有效容积应为7.2t，故将储热水箱容积设计为8t，集热水箱容积设计为2t，自来水中的水进过集热器被加热到一定温度后，先进入集热水箱，当集热水箱中的水储存满后，再由循环泵送入储热水箱(罐)中以供用户使用,辅助热源与储热水箱连接，太阳辐照量不足的情况下，系统控制供热水箱中的辅助热源对储热水箱中的水加热。5.2水箱形状的设计5.21集热水箱的设计集热水箱设计公式：V=R2H；集热水箱半径：R=0.63m集热水箱高度：H=1.75m集热水箱容积：V=0.6321.75=2.0m35.22储热水箱容积设计储热水箱设计公式：V=R2H；储热水箱半径：R=1.01m储热水箱高度：H=2.35m储热水箱容积：V=1.0122.35=8m35.3水箱材料的选择集热水箱：内胆：采用进口SUS304食品级不锈钢0.6mm板材，亚弧焊接而成，外皮：为0.4mmSUS202彩钢板装饰，保温层：50mm厚聚氨酯发泡保温。储热水箱：内胆：采用进口SUS304食品级不锈钢0.8mm板材，亚弧焊接而成，外皮：为0.6mm SUS202彩钢板装饰，中间层：50mm厚聚氨酯发泡保温。5.4水箱位置的选择集热水箱放置在有足够承载能力的房顶梁柱上，于集热器同一高程，设置有上下水管和紧急排水通道，水箱与地面间做防水处理。储热水箱与辅助热源、控制系统一起设置在楼层的底部。六、辅助热源加热系统设计6.1辅助能源的选择太阳能热水系统的辅助能源加热系统有多种形式，实际设计中应根据用户的实际情况，操控方便性综合考虑。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、热泵、燃油锅炉和燃煤炉。由于燃煤锅炉和燃油锅炉会产生较大的污染，对小区的环境造成很大的影响，下面我们只对内置式电加热器、热泵、天燃气锅炉等三中形式的辅助热源的经济效益、安全及操控方便性进行综合分析，从而选择合理的辅助热源方案。表2 辅助热源经济分析辅助加热方式内置式电加热器燃气锅炉空气源热泵能源种类电天然气电安全指数较危险危险安全实际热值817千卡/kwh6450千卡/m33870千卡/kwh燃料价格0.6元/kwh3.5元/ m30.6元/kwh日消耗燃料1107kwh140 m3233 kwh日运行费用664491140年能源费用6059044803.71277510年热泵节约费用478150320287注：制热工作状况为：进水温度15，出水温度45以上。表中每天用水量为7.2吨，热水温度为45、升温30为例计算，燃料价格按市场价为参考，电费0.6元/度；太阳能按每年25%阴雨天气进行辅助能源加热计算。6.2辅助热泵功率辅助能源加热系统的功率单位一般为kW，单位时间转换的能量为kWh,根据能量守恒定律我们可以得到如下计算公式；3600PT=CPmtP=0.001163mtT式中P辅助能源加热系统的功率，kW； T辅助能源加热系统的工作时间，h；辅助能源加热系统的效率，%；CP水的定压比热容，CP=4.1868kj/(kg);t储热水箱水的温升，；m被加热水的质量，kg。需加热水的质量：m=7200kg；水被加热升高的温度：t=30；加热时间：T=8h；转化效率：=1；热泵的功率：P=31.2KW。6.3热泵的选型：由上式计算可知,为了达到热水用量设计要求，主机能力不应小于31.2KW，故选择1台RSJ-380/S-820热泵机组，总制热量为38.5KW，故满足设计要求。6.4工作示意图图3 空气源热泵工作示意图如果遇到阴雨天气，太阳辐照度不足，这时产水量不足以满足用户的使用要求，需要空气源热泵辅助加热。当检测到储热水箱中的水低于45，或低于水位下限时，集热水箱的控制阀门开启，水从集热水箱中全部流入储热水箱中，打开自来水控制阀，将集热器中的水循环至储热水箱中，直至水箱水满为止，同时检测储热水箱中的水温，当水温低于45时，控制辅助热源空气源热泵启动加热，当储热水箱中的水温达到50时，加热停止。七、管路系统设计7.1管路系统示意图 图5 机械循环热水供应系统示意图系统运行原理：图中红色线代表供水管路，绿色线代表回水管路，储热水箱中的水经过水泵加压后，送入恒温热水器，恒温热水器将储热水箱中的热水与自来水中的冷水混合后送出恒温恒压的热水供给用户使用，剩余的水经过绿色管路循环回到储热水箱，循环利用。热水循环管路中设有温度传感器和压力传感器，当温度传感器检测到热水管路中的热水温度低于38时，控制循环水泵启动，将管路中的冷水循环至储热水箱中，再将储热水箱中的热水循环至管路中，用户用水即热。八、水泵的选型水泵选型为广东凌霄BJZ100不锈钢1KW自吸清水泵。BJZ系列自吸泵，自吸性能高达9米，泵体及泵轴采用SUS304不锈钢，机械式轴封，射流器、导叶采用高强度耐热工程塑料，设计轻巧美观、耐腐蚀、不生锈、寿命长、高扬程。适用于输送纯净水、清水、海水、弱腐蚀性液体，液体温度小于60度，符合饮用水卫生标准。其参数为：额定扬程：20m最大扬程：36m额定流量：1.5m2/h最大流量：3m2/h电源参数：220V/50HZ价格：650元/台九、工程预算9.1平板集热器的选型及价格Solera今喜来太阳能平板集热器价格：860元/台 图6 平板热水器表3 Solera今喜来太阳能平板集热器技术参数集热器类型工程类型号P-G/0.6-L/HG-1.88-1外形尺寸（mm）2000*1050*80重量34kg有效采光面积1.88m2制造标准GB/T6424-2007集热器流道类型H型/支管竖置材料无氧铜流道10mm*0.8*8制造工艺钎焊工作压力0.8MPa吸热板材料整板铝涂层进口蓝膜颜色蓝色吸热面1960*960（mm)厚度0.4mm吸收率95%发射率12%焊接工艺激光焊接玻璃类型地铁、布纹、铜化玻璃含铁量0.01%透光率透光率91.6%，达到ANS1297-1975，BS6206A和JIS R3206标准厚度3.2mm保温层类型玻璃纤维棉和聚酯棉保温规格厚度：40mm 密度：40kg/m3厚度：45mm 密度：40kg/m3类型标准镀铝锌板外壳材料：0.5mm接口连接口22mm、25mm单价860元合计860*68=58480元9.2水箱的选型及价格图7 水箱表4 哈密瓜保温水箱技术参数品牌哈密瓜保温水箱集热水箱热损性能环境温度10情况下24小时水温度降幅35容积2t尺寸1260mm*H1750mm内胆材料SUS304厚度0.6mm外胆SUS2020.4mm保温层聚氨酯50mm价格2100元储热水箱热损性能环境温度10情况下24小时水温降幅35容积8t尺寸2020mm*H2350mm内胆材料SUS304厚度0.8mm外胆SUS2020.6mm保温层聚氨酯50mm价格5600元合计7700元9.3空气源热泵的选型及价格表5 美的空气源热泵技术参数品牌美的空气能热水机型号RSJ-380/S-820制热量kW38.5额定功率kW8.7出水温度（默认）55，4860范围内可调电能规格380V 3N50/60Hz运行控制可手动、自动开关机，有多重保护和故障报警功能价格35000元图8 美的空气源热泵9