五星太阳能热水系统工程设计培训.ppt

太阳热水系统设计知识讲座,主要内容,1、太阳热水系统的组成2、太阳热水系统的分类3、太阳热水系统的设计的主要方面4、太阳热水系统的设计的详细内容,太阳热水系统的组成,设备与管道支架太阳集热器贮水箱管路、泵、阀设备防腐与保温自动控制系统辅助能源设备,太阳热水系统的分类,太阳热水系统设计的主要方面,1、用户情况与要求2、系统运行方式确定3、太阳集热器选型4、太阳集热器面积确定5、贮水箱设计6、辅助热源选择与系统设计7、系统布局8、太阳集热器倾角与前后排间距确定9、泵、阀及管路选型与管路系统设计10、电气控制系统设计11、管路与设备的保温与防冻12、系统安全防护（防雷/防雨/防漏电/防腐蚀/抗风雪等）,用户情况与要求（1）-原始资料收集,（1）用户所处地理位置和环境条件（2）水源情况（3）电力供应情况（4）安装场地情况以上内容有些可以通过查资料获得，有些则必须向用户了解，才能弄清楚。但必须向用户了解有无特殊情况，如安装现场是否在风口、易发生雷击的地方等。,用户情况与要求（2）-用太阳能系统的要求,（1）安装太阳能系统的用途用于生活热水供应/工业用热水/游泳池加热/采暖、制冷等。太阳能全年工作/季节性工作（2）用水方式定时用热水/全天24小时用热水用水温度/全天总用水量/用水流量/用水压力。（3）辅助能源情况是否要求配置辅助能源/配置辅助能源的种类（电/燃油/燃气/蒸汽/暖气/热泵等）如果使用原有的辅助能源设备，应了解设备的型号、类别，供热方式等。（4）其它要求管理方式，有无专人管理/是否要求全自动控制/是否要求自动计量计费等。,用户情况与要求（3）-原始资料核实,太阳能系统的技术性很强，也比较专业，并非所有的用户都能十分全面、清楚地表达其要求。有些用户所表达的要求与其实际上真正的需要不一致;有些用户所提的要求可能无法实现。因此，设计人员必须对用户所提供的情况进行分析判断，如果可能，应进行现场考察核实，以便掌握真实客观的第一手资料。在了解了实际情况后，设计人员应将其了解的情况向用户反馈。双方认可后，设计人员才能根据双方已经确认的设计条件和要求进行设计。,用户情况与要求（4）-个人体会,1、要有为用户负责的态度去做这件事，而不是一味的唯用户是是是2、要引导用户，公正客观地向用户解释清楚如：只要装了太阳能，就能100%解决你的问题。,太阳能系统常见的运行方式（1）-基本的运行方式,以加热介质的流动方式分1、自然循环系统2、强制循环系统3、直流系统实际应用的太阳热水系统是以上某一种基本运行方式为主的多种运行方式的组合，由于现场的情况不同，用户的要求不同，因此，组合的形式也多种多样,太阳能系统常见的运行方式（2）-自然循环系统,自然循环系统的两大类别类型一：由水箱、支架、管路和多个集热器等部件在工程现场连接成一个较大的自然循环系统。类型二：以多台家用太阳热水器组成的热水系统。由于每台家用太阳热水器实际上也是一个小型的自然循环系统，因此，这种设计方式也属于以自然循环系统中的一类,太阳能系统常见的运行方式（2）-自然循环系统(1-1),多个集热器与一个水箱连接组成的系统自然循环系统的优点是不需要外来动力，依靠系统流体本身的密度差自动循环。但自然循环系统的循环水箱必须高于集热器，由于系统流体本身的密度差形成的动力很小，因此必须采取多种措施减小系统循环阻力。如：选用较大的管径，管路尽量短，尽量少拐弯，防止出现反坡，造成气堵等。因此，自然循环系统的规模一般较小，较大规模的自然循环系统常常分解成多个并联的小系统,太阳能系统常见的运行方式（3）-自然循环系统(1-2),落水使用的系统1、在白天太阳能加热期间，由于水箱内的水温达不到使用温度，所以不能使用。2、储热水箱上部水温高，下部水温低，若水箱下部水温未达到使用温度，则使用热水时，需将下部未达到温度的温水放掉，才能用上部达到温度的热水，因此存在能量和水资源的浪费问题,太阳能系统常见的运行方式（4）-自然循环系统(1-3),顶水使用的系统1、使用时，冷水从水箱下部进入水箱，而将热水从上部顶出。2、避免了落水系统的缺点，可以随时使用热水，而且冷水上水也是自动完成，因此管理也很方便。3、如果冷水供应慢，热水下水快，就会造成断断续续出热水4、如果没有冷水，就无法将热水顶出。5、存在冷热水混水问题，造成热水使用率下降。,太阳能系统常见的运行方式（5）-自然循环系统(1-4),定温放水形式的自然循环系统1、当循环水箱上部水温达到设定温度时，热水出水管上的电磁阀自动打开，热水自动流入另外一个储热水箱，同时，冷水自动补入循环水箱下部。当循环水箱上部水温低于设定温度时，电磁阀自动关闭。2、这种系统必须解决储热水箱水满溢流的问题,太阳能系统常见的运行方式（6）-自然循环系统(1-5),带辅助加热的自然循环系统1、当阴雨天或太阳能不足时，用辅助能源将水箱内的水加热到所需温度。辅助能源系统可以用电加热，也可以用蒸汽加热，还可以用燃油（气）锅炉加热。2、带辅助加热的自然循环系统，可以解决仅靠太阳能加热存在的热水供应受天气影响的问题，达到天天有热水供应,太阳能系统常见的运行方式（7）-自然循环系统(1-6),共用一个储热水箱的系统可以解决因一个系统采光面积过大，造成管径过大，不便安装的问题。,太阳能系统常见的运行方式（8）-自然循环系统(2-1),以多台家用热水器组成的系统采用多台家用太阳热水器串并联的方式，组成一个较大的太阳热水系统。这种系统实际上是把单个自然循环系统表转化、工厂化生产。优点：1、安装简单，施工方便，一般不需储热水箱，因此也省去了因储热水箱的承重、安放、吊装或制作带来的麻烦；2、工程成本相对较低。缺点：1、多个小储热水箱带来的管理和用水不便；2、多个小储热水箱单位体积的散热面积是大水箱的好几倍甚至十几倍，在同等保温条件下，小水箱的散热量明显较大3、辅助加热系统不便与整个系统匹配等,太阳能系统常见的运行方式（9）-自然循环系统(2-2),多台家用热水器并联组成的系统1、使用：将家用热水器充满冷水，白天经过太阳能加热后，每个水箱内的水温都达到了使用温度，下午或晚上从水箱下部落水法用水。使用结束后，再重新加满冷水。2、缺点：a)水箱上部水温高，下部水温低，若水箱下部水温未达到使用温度，需将下部未达到温度的温水放掉，才能用上部的热水，存在能量和水资源的浪费问题.b）各个家用热水器上冷水时的水力不易平衡，会出现有些热水器已经溢流，还有一些还没上满冷水的问题,太阳能系统常见的运行方式（10）-自然循环系统(2-3),多台家用热水器并联顶水使用的系统1、使用：冷水从每台家用热水器水箱下部进入，而将热水从上部顶出。可随时用热水，冷水上水也是自动完成，因此管理很方便。2、缺点：a)如果冷水供应慢，热水下水快，就会造成断断续续出热水b)如果没有冷水，就无法将热水顶出。C)存在冷热水混水问题，造成热水使用率下降。,太阳能系统常见的运行方式（11）-自然循环系统(2-4),多台家用热水器串、并联组成的定温放水系统1、使用：当最后一台热水器水温达到设定温度时，电磁阀自动打开，热水流入另外一个大的储热水箱，同时，冷水从第一台热水器补入，依次将热水顶入下一台水箱；当最后一台热水器水箱上部热水出口处的水温低于设定温度时，电磁阀自动关闭。2、缺点：a)需解决储热水箱水满溢流的问题。b）单个水箱的温水蓄存了较多的有用能量，从而造成了能量浪费。,太阳能系统常见的运行方式（12）-自然循环系统(2-5),多台承压家用热水器串、并联组成的系统1、使用：冷水从第一台热水器进入，依次将前台热水器的温水顶入下台热水器，从而使前后的热水器形成了温度差。第一台热水器温度最低，最后一台热水器温度最高。当最后几台热水器水箱内的水温温度低于设定值时，电辅助加热自动启动。这种系统能保证随时使用热水。2、缺点：辅助加热贮存的热水有限，当阴雨天时，热水不能保证供应,太阳能系统常见的运行方式（13）-强制循环系统,优点|1、系统的动力来自于循环水泵，单个系统可以不受采光面积的限制，可以做到上百甚至上千平方米；2、储热水箱放置位置不受限制，可以根据现场情况，摆放在任一安全的位置。缺点1、需要配置循环水泵、电控装置等，工程成本较高；2、应注意选用可靠的控制系统，以确保系统运行得可靠性；3、要求较高的施工技术。,太阳能系统常见的运行方式（14）-强制循环系统常见形式（1),普通的强迫循环系统1、系统的循环水泵可以选用温差/光照/定时任一控制器控制；2、温差控制是最合理的循环方式，近年来被较多地采用；3、光照控制常用于需要大流量的游泳池太阳能加热和太阳能温水养殖系统；4、定时控制用于比较简易的系统。,太阳能系统常见的运行方式（15）-强制循环系统常见形式（2),定温循环系统1、循环水泵受温控器控制。当集热器的出口温度达到设定温度时，循环水泵自动启动，将水箱下部的冷水泵入集热器，同时将集热器内达到设定温度的热水顶入储热水箱上部；2、采用定温循环和顶水用水方式，可以使系统实现随时使用热水。3、存在当储热水箱内的水温全部达到温控仪设定水温时，循环水泵将一直循环的问题,太阳能系统常见的运行方式（16）-强制循环系统常见形式（3),辅助加热强制循环系统1、当太阳能不足时，用辅助能源（电/燃油/燃气/蒸汽）将水箱内的水加热到所需温度。2、可以解决阴雨天热水供应不足的问题。,太阳能系统常见的运行方式（16）-强制循环系统常见形式（4),太阳能常压/水箱承压间接系统1、在太阳能系统中设置了一个回流水箱，循环水泵将回流水箱内的热水泵入换热器换热后，被送到太阳集热器加热，然后又会到回流水箱，构成了开路循环回路。2、开路循环回路的循环介质容易蒸发散失，利用回流水箱可以很方便地添加循环介质。这种系统解决了不能承压的集热器在承压热水供应系统上的应用问题；3、这种系统太阳能加热系统的循环介质可以采用普通的水。,太阳能系统常见的运行方式（17）-强制循环系统常见形式（5),太阳能承压/水箱常压间接系统1、太阳能加热的一次回路采用防冻液作为循环介质，解决了一次回路循环系统防冻和防垢的问题。热水供应为开路系统的间接换热强制循环系统。2、这类系统适合于高寒地区全年使用的大规模平板太阳热水系统,太阳能系统常见的运行方式（18）-强制循环系统常见形式（6),太阳能常压/水箱常压间接系统1、太阳能加热回路采用防冻液作为循环介质，解决了一次回路循环系统防冻和防垢的问题。贮热水箱为常压系统。可在高寒地区使用，并比承压系统显著降低工程成本、且安全可靠。2、系统配有辅助加热。3、该系统可用于别墅太阳能系统,太阳能系统常见的运行方式（19）-强制循环系统常见形式（7),太阳能承压/水箱承压间接系统1、太阳能加热回路采用防冻液作为循环介质，解决了一次回路循环系统防冻和防垢的问题。热水供应系统为承压系统，利用自来水的压力将水箱中的热水自动顶出，实现了“开阀门用水，关阀门走人”的傻瓜化管理。2、系统配有辅助加热。3、该系统可用于别墅太阳能系统。,太阳能系统常见的运行方式（20）-直流系统,优点：1、该系统可随时将达到设定温度的热水顶入储水箱储存。水箱内储存的是达到温度的热水。可以实现随时使用热水。2、储热水箱可以根据现场情况，摆放在任一安全的位置。缺点：1、定温放水系统需要解决储热水箱水满溢流的问题；2、同时也需要配置控温装置等。工程成本较高；3、应注意选用可靠的控制装置，以确保系统运行的可靠性。4、要求较高的施工技术。,太阳能系统常见的运行方式（21）-直流系统常见形式（1),单一直流式定温系统1、当集热器内的水温达到设定温度时，电磁阀打开，冷水进入集热器，并将达到设定温度的热水顶入储热水箱。2、单一的直流式定温放水太阳热水系统存在储热水箱水满溢流的问题，水满时必须将冷水关闭，以防止储热水箱溢流。,太阳能系统常见的运行方式（22）-直流系统常见形式（2),定温/温差循环系统1、当水箱满水位时，冷水管路上的电磁阀自动关闭，系统自动转入温差循环。2、该系统不仅解决了储热水箱水满溢流的问题，还充分利用了太阳能。,太阳能系统常见的运行方式（23）-直流系统常见形式（3),辅助加热定温/温差循环系统1、先利用太阳能加热；2、当太阳能产热水不足时，用辅助能源补充热水，确保全天24小时热水供应。3、广泛用于宾馆、饭店等要求24小时供热水的单位。,太阳能系统常见的运行方式（24）-直流系统常见形式（4),程序控制的全自动供水系统1、控制器（PLC编程）可根据系统集热器的水温、水箱水温、水位、管路水温等信号，依照事先设计好的程序，实现定温、满水位温差循环、太阳能不足辅助加热、低水位保护、任意时间自动控制等功能，并可远传、监视等。2、未来的发展方向，近年来已被更多地采用。,太阳能运行方式设计与选择原则,1、上述列举了十几种方式，实际设计中还有其它更多的方式。但所有这些运行方式，都是根据自然循环、强迫循环和直流定温系统的原理，结合实际情况设计的。GB/T18713规定：系统运行方式应根据用户基本条件、用户的使用需求及集热器与储热水箱的相对安装位置等因素综合加以确定。2、一般来说，较小面积的系统，如果水箱可高置，多采用自然循环系统；较大面积和水箱不能高置的系统，多采用强制循环系统；需要24小时或白天需要使用热水的，多采用直流系统；每天都需要热水的，应配置辅助加热系统。3、目前国内的太阳能热水系统多采用开式系统，别墅型太阳能热水系统多采用闭式承压二次回路系统。,太阳集热器选型与摆放方位-太阳集热器选型（1）,集热器类型的选择主要考虑下列因素：1、当地的地理位置；2、环境温度；3、全年的使用时间；4、使用水温；5、投资与收益等因素。1、在不结冰地区全年使用或虽是结冰地区，但仅在春、夏、秋季不结冰的时候使用时，一般选择平板集热器。2、结冰地区全年使用的，不需要承压运行的，除高寒地区外，均可选用全玻璃真空管集热器。3、高寒地区全年使用的，可选择热管集热器，也可选择各种金属流道式真空管集热器，做成双回路系统,太阳集热器选型与摆放方位-太阳集热器选型（2）,太阳集热器选型与摆放方位-太阳集热器朝向与倾角（1）,1、集热器朝向与倾角的确定主要使集热器得到最大的太阳辐射能。当采光面与太阳光线垂直时，就能得到最大的太阳辐射能2、对于跟踪式太阳集热器，通过自动跟踪使集热器的采光面与太阳的入射光线垂直就可以。但跟踪装置复杂，成本太高，一般采用固定朝向与倾角。3、对于固定式集热器，为了得到最大的太阳辐射量，应使当地正午的太阳光线与集热器的采光面垂直。因此，对于在北半球使用的集热器，应正南放置。4、考虑到早上气温低，易有雾，光照不好，而下午气温高，一般光照较好，因此也可将集热器正南偏西5放置，使集热器在下午能得到更多的太阳辐射能。,太阳集热器选型与摆放方位-太阳集热器朝向与倾角（2）,从上图可以得出：当太阳光线与集热器的采光面垂直时，集热器倾角与当地纬度角以及太阳赤纬角有如下关系：=,太阳集热器选型与摆放方位-太阳集热器朝向与倾角（3）,1、当全年使用时,可认为全年的平均赤纬角为0，=2、当侧重于夏季使用时,可认为该期间的平均赤纬角为10，=-103、当侧重于冬季使用时,可认为该期间的平均赤纬角为-10，=+10,全年各月代表日太阳赤纬角的近似值,太阳集热器选型与摆放方位-太阳集热器朝向与倾角（4）,1、当真空管集热器南北竖放时，具有日自动跟踪功能。在相邻两支真空管不发生光线遮挡时，无论太阳是在东、西任何位置，有效采光面积都一样。但当大于临界夹角0时，相邻的真空管之间将产生光线遮挡。由于真空管集热器南北竖放时，不具有季节自动跟踪功能，因此，集热器的倾角仍应按上述推论确定。2、当真空管集热器东西横放时，具有季节自动跟踪功能，无论太阳是在南、北回归线之间任何位置，有效采光面积都一样。但为了保证在全年时间内，相邻两支真空管不发生光线遮挡，集热器的倾角应满足下列条件2327+-0+02327式中：2327表示太阳在南北回归线时的赤纬角的绝对值；0相邻的真空管之间产生光线遮挡的临界夹角,太阳集热器选型与摆放方位-太阳集热器朝向与倾角（5）,：阳光入射线在集热器横截面上的投影与真空管法线方向的夹角。当大于临界夹角0时，相邻的真空管之间产生光线遮挡。0计算公式为：0=cos-1（D1+D2）/2B式中：D1D2分别为真空管内、外管的直径，如：D1=37mm，D2=47mm。B相邻两支真空管之间的中心距,太阳集热器选型与摆放方位-太阳集热器朝向与倾角（6）,以上关于集热器倾角的推论，没有考虑各地不同季节天气的影响。实际上，不同地方在不同季节的实际太阳辐照量是不同的。a)某一地方在每年的某一季节，总是雨季，太阳辐射量相对很少，在此时段内，即使太阳光线与集热器采光面垂直，也得不到太多的太阳辐射能；而在另一季节，经常是晴朗天气，太阳辐射量相对较多，在此时段内，由于太阳光线与集热器采光面不垂直，从而失去了得到较多太阳辐射能的机会。b)在太阳辐射较强的季节，热水过剩，而太阳辐射较少的季节，热水不足，因此可以让太阳辐射较少的季节尽可能多地吸收辐射能确定集热器倾角最理想的方法是综合考虑当地各时段的太阳辐照量和热水使用需求等因素，求出在满足使用需求的条件下，在整个使用期内能得到最大太阳辐射量的集热器倾角值。,太阳集热器面积确定-确定原则,1、理论上，集热器面积应根据用户所需热负荷来确定。在不考虑投资/场地等因素时，太阳能系统得到的有用能量应等于用户所需要的热负荷能量。2、从系统投资和使用效果两方面综合考虑确定当全年使用时，以满足春秋季使用为原则季节使用时，以满足季节使用为原则3、根据现场实际摆放情况确定当现场太阳集热器摆放场地受到限制时，以现场实际的摆放面积作为设计面积，不足部分，由辅助加热补充4、以投资能力确定系统集热器面积当资金不足时，可以投资能力确定系统规模。可以将工程分成一期二期来考虑，以解决资金问题,太阳集热器面积确定-注意事项,1、注意不同产品的集热效率不同；2、注意灰尘的影响，一般在0.900.98；3、注意管路和水箱散热的影响，在0.900.95；4、注意系统加热方式的影响间接系统在0.900.95；5、注意太阳能系统运行方式影响，强迫循环的运行方式，其平均热效率比自然循环和直流系统低35%。,贮水箱设计-贮水箱的作用,太阳能热水系统只能在白天有阳光的条件下产生热水，而且是一种比较缓慢加热的过程。而使用热水的时间却并不一定都在白天，因此，需要将白天产生的热水储存，以供其它时间使用。储热水箱的作用就是储存太阳集热器产生的热水,贮水箱设计-贮水箱的容积确定,储热水箱的容量V应根据其蓄热容量VX、热水膨胀量VP和循环回流水量VH等因素确定。V=VX+VP+VH1、储热水箱的蓄热容量VX应根据晴天时太阳集热器的产热水量来确定2、储热水箱的热水膨胀量VP当水温大于4时，体积会随水温升高而膨胀。因此应考虑水的体积膨胀量对储热水箱容量的影响。一般在5%以内。3、储热水箱的循环回流水量VH对于常压系统，当循环水泵停止后，回水管道内的水要回流到水箱里；对于回流防冻的系统，当循环水泵停止后，集热器和管道内的水都要回流到水箱里来。因此必须考虑系统的回流水量。以确保停泵后不发生储热水箱溢流的问题。,贮水箱设计-贮水箱形状确定,贮水箱的结构形状应根据其容量大小、结构的合理性、现场放置的位置、水箱制作的难易等因素来确定。储热水箱应选择体面比最小的形状。这样既能减小散热面积，还可节省水箱制作的材料。1、圆球形状的水箱体面比最小，但制作困难。因此储热水箱的形状一般都选择圆柱形或方形2、对于圆柱形水箱，当高度等于直径时，表面积最小。如果圆柱形水箱高度过高，一般将水箱卧放。要求水箱承压的系统，圆柱形水箱的两个端盖应采用球形端盖，材料厚度应加厚，制作完成后，应按要求作耐压试验。3、对于方形水箱，当长、宽、高相等时，体面最小。方形水箱不承压，不易设计的太高。在高度相同的的条件下，长度与宽度相等时，体面比最小。方形水箱可以现场制作，运输方便。方形水箱的承压能力差，需要在水箱内部或外部加拉筋。方形水箱只能用于不承压的系统中。,贮水箱设计-贮水箱的材料,1、钢板水箱2、搪瓷水箱3、不锈钢水箱4、玻璃钢预制水箱5、水泥预制水箱。6、塑料水箱由于贮水箱储存的是热水，不宜采用耐温性能差的水箱。如塑料水箱等,贮水箱设计-贮水箱的开口位置与尺寸（1）,1、检修人孔：大于3m3的水箱应留检修人孔，以备将来检修时用。人孔的尺寸不应小于400400mm2，圆形人孔的直径不应小于400mm。2、通气孔：常压水箱应留有通气孔，以避免形成负压，使水箱受损，并使下水通畅3、排污口：排污口应留在水箱最低的位置，以利于排污。排污口的尺寸不应小于25mm。4、溢流口：开式常压系统的水箱应留有溢流口，应不小于进水口，且最小不应小于25mm,贮水箱设计-贮水箱的开口位置与尺寸（2）,5、用热水口：a)对于承压水箱，用热水口应位于水箱的顶部；b)对于顶水使用的开式水箱，用热水口应位于水箱的中上部，且不能低于上循环口；c）对于落水使用的开式水箱，用热水口应位于水箱的底部，但应不低于排污口；d)对于底部带有电加热管的水箱，用热水口应高于电加热管的位置，以确保电加热管始终浸没在水中，防止电热管无水干烧。用热水口的尺寸应根据热水流量大小来确定，一般承压系统不应大于1m/s；常压系统不应大于0.5m/s。,贮水箱设计-贮水箱的开口位置与尺寸（3）,6、上、下循环口：1、下循环口位于水箱的底部，但应不低于排污口，不高于用热水口。2、上循环口位于水箱的中上部，不高于用热水口。对于顶水使用的承压水箱，上循环口应在水箱的中下部，但无论何种系统，上循环口都应高于下循环口。上、下循环口的尺寸也应根据单位时间的流量大小来确定，一般不应大于1m/s。7、其它开口：有些系统还需预留测量水温、水位、压力的开口。带有辅助加热的系统还需留有辅助加热系统所需要的各种开口，设计者应根据系统要求合理设计。,贮水箱设计-贮水箱的开口位置与尺寸（4）,在满足以上要求的前提下，水箱的开口位置还应尽量注意消除死水区，或者尽量减少死水区。但为了防止顶水使用时冷水供应不上，造成热水断流的问题，有意在水箱出热水口上部留出一部分热水高度，当冷水供应不上时，起缓冲作用。,贮水箱设计-贮水箱进出水管的布置,1、当水箱进出水口处流速、温差过大时，容易造成水箱混水。对于需要水箱水温分层的储热水箱，如顶水使用的储热水箱，应降低管口流速。在设计水箱进、出水口处水管的布置时，下循环管口流出的为低温水，其在水箱内的开口方向应水平或向下；上循环口流进水箱的水为高温水，其在水箱内的开口方向应水平或向上；冷水补水进口的开口方向应水平或向下。以上措施，可以有效降低进出水管处造成的混水问题。2、对于自然循环系统，下循环口兼有下循环管的自动排气功能，因此，其在水箱内的开口方向应水平，不能向下，否则将造成下循环管无法自动排气而使系统无法自动循环。3、对于落水使用的循环系统，设计时，有意将上循环管口向下开口，有时甚至将上循环口向下延伸至水箱的下部，有意使水箱混流，以减轻水箱的温度分层。对于直流式定温放水系统，设计时也有意将从集热器进入水箱的热水管延伸至水箱的下部，以达到混合水箱水温的作用。,辅助热源选择与设计-辅助热源种类的选择,辅助热源一般应具有可靠、稳定、随时可以供给等特点1、燃气（天燃气/煤气/石油液化气/沼气等）2、燃油（煤油/柴油）3、电能4、蒸汽5、暖气6、热泵,辅助热源选择与设计-辅助热源功率的确定原则,1、辅助加热系统的目的是当阴雨天或太阳能不足时，由辅助加热系统提供所需的热能。因此，应按能满足最不利情况下的热能供应来确定辅助加热设备的功率。2、对于太阳热水系统来说，太阳能完全不起作用的情况就是最不利的情况。因此，辅助加热设备功率的确定应根据太阳能完全不起作用时，全部靠辅助加热设备来满足用户所需的热能来计算确定。,系统整体布局的原则与方法-布局原则,布局设计，应从多方面综合考虑，使系统紧凑合理、可靠实用、美观协调、维护方便。,系统整体布局的原则与方法-布局形式（1）,前后布局一般情况下，集热器在前面，水箱在后面，以避免水箱遮光。但当前面有较高的遮光物时，可将水箱放在前面，集热器后置，加大集热器与前面高遮挡物的距离。左右布局水箱可以在左边，也可以在右边，主要根据承重、管路短近等因素确定。,系统整体布局的原则与方法-布局形式（2）,左中右布局水箱在中间，集热器围绕水箱前后左右排列。这种布局可以很方便的共用一个水箱做成几个并联的自然循环系统上下布局水箱和集热器上下放置。如水箱放在地面或低处。,系统整体布局的原则与方法-布局选择原则,布局形式的选择，主要应根据现场地形确定，并考虑以下几点。（1）水箱承重在系统布局中，首先需要考虑水箱的位置。因为，水箱是太阳热水系统最重的负载，因此，水箱的放置位置应考虑该位置的承载能力能否能满足水箱装满水后的承重需求。（2）集热器摆放应尽量使集热器集中在一片位置摆放，这样便于布局，系统比较整洁、紧凑，管路距离也比较短，。（3）系统各部分的距离系统布局应尽量使集热器距水箱的距离、水箱距用热水点的距离、冷水供水点距集热器和水箱的距离相距较近，以减少管路过长造成的热损失，并减少安装用料，降低工程成本。（4）协调性与方便性系统整体应协调、可靠、美观，施工和维护管理应方便。,太阳集热器阵列-太阳集热器间的连接,1、并联连接2、串联连接3、并串联连接,太阳集热器阵列-排与排之间的连接（1）,并联连接无论是平板集热器还是真空管集热器，一般情况下，集热器排与集热器排之间的连接多采用此种连接方式,太阳集热器阵列-排与排之间的连接（2）,串联连接当集热器只有两排，且每排集热器的数量不太多时，可采用此种连接方式。,太阳集热器阵列-排与排之间的连接（3）,串并联连接当集热器数量超过两排时，在每排集热器的数量不太多时，为了管道连接的方便，有时会采用此种连接方式,太阳集热器阵列-前后排间距,前后排集热器之间应留有一定的距离，以避免前排集热器影响后排集热器的采光1、当春夏秋季使用时，只要保证春分、秋分日前后排不遮挡，其它时间就不会遮挡2、当全年使用时，只要保证冬至日（此时）前后排不遮挡，其它时间就不会遮挡。一般情况下都要求在当地正午时刻，前后排不发生遮挡正午时，h=90-()OB=OC=OActgh=OAtg(),系统管路选择与设计-常用管材种类（1）钢管,无缝钢管分为热轧管和冷拔管两种，广泛用于压力较高的管道，如高压供热系统和高层建筑的冷、热水管。以外径壁厚表示。有缝钢管焊接钢管通常称为有缝钢管（水煤气管）。壁厚不同，分为普通管和加厚管两种，普通钢管的工作压力不大于1MPa,加厚钢管的工作压力不大于1.6MPa。以公称直径DN表示。将有缝钢管镀锌处理后，其抗腐能力提高，内壁不易生锈，可以保护水质。镀锌钢管常用于生活饮用水管道及热水供应系统。铸铁管耐腐蚀性强，但质脆，承压能力低。分为给水铸铁管和排水铸铁管。其规格以公称直径表示，分低压、普压、高压三种。,系统管路选择与设计-常用管材选择（2）新型管材,聚氯乙烯(PVC)和硬聚氯乙烯(UPVC)管材具有良好的耐老化和耐化学腐蚀性能，可在-1560之间使用3050年。目前主要用于建筑给水、排水、落水、排污、穿线、通风等方面。聚乙烯(PE)和高密度聚乙烯(HDPE)管材可耐多种化学介质侵蚀的管材，据有良好的挠性，可以盘卷，具有良好的耐冲击强度。主要用于输送水、可燃性气体、腐蚀性流体等。交联聚乙烯（PEX）和聚丁烯（PB）管材PEX和PB管材完全无毒，使用温度范围最宽，为-70110，可输送90左右的热水，长期使用温度为95。PEX管材一般只有小口径管(20-63mm)，热膨胀系数较大，采用金属管件受压连接，其配件成本较高，连接时问题较多。PB管材适合制作小口径受压管，安装时可以熔焊与压接相结合，连接牢固。PEX和PB管材可作为包括饮用水和热水在内的各类流体。PEX比PB管材价格低3050%。无规共聚聚丙烯（PP-R）管材具有耐压、保温等优点，长期使用温度为70，比较适合温水输送。它可以采用熔接方式连接，连接可靠，其废料还可再利用，是名副其实的绿色建材,系统管路选择与设计-常用管材种类（3）新型管材,铝塑复合管（PAP）有两种类型，一种是采用HDPE的PAP管材，只能用于低温介质的输送；另一种是采用PEX的PAP管材，气密性好，耐压较高，耐爆破应力大，热膨胀系数小，抗静电，使用寿命长，可输送包括饮用水和热水在内的各种流体，可在95高温和小于1MPa压力的条件下长期工作。PAP管的缺点是管材连接不能用热熔连接和胶粘接，只能用专用铜制管件，废品不能回收再用ABS管材由丙烯腈、丁二烯、苯乙烯组成的共聚物或共混物。它是通用塑料中强度和韧性较好的一种。在-40100范围内能保持韧性和刚度。但它的耐候性较差。,系统管路选择与设计-常用管材种类（2）新型管材,铜管和塑覆铜管随着人们对饮用水卫生性能要求的愈来愈高，铜管和塑覆铜管在城市的高层、超高层以及中高档商品房中大量使用。塑覆铜管一般是用含铜量99.9%的无缝T2紫铜管为基体，外壁覆上具有特殊造型的聚乙烯为主体及其它多种添加剂的保温层，经物理和化学反应相结合而成的的新一代供水管材，特别适合用做热水管。薄壁不锈钢管和不锈钢保温管薄壁不锈钢管是厚度为0.71.2mm的不锈钢板制成的1550mm的给水管，通过管壁薄壁化，可大大降低管材的成本。不锈钢管强度高，耐压、耐高温，使用寿命长，适用范围广，可广泛用于建筑的冷、热水供水系统,系统管路选择与设计-常用管材选择,GBJ15-88建筑给水排水设计规范（1997版）对管材的选用作了如下规定：1、对于洗浴热水供应系统，热水管管径小于及等于150mm时，应采用镀锌钢管和相应的配件；宾馆、高级住宅、别墅等建筑，宜采用铜管、聚丁烯管或铝塑复合管。2、对于饮用水管，应采用铜管、不锈钢管、铝塑复合管、聚丁烯管，配件应采用与管材相同的材料。3、对于给水系统，生活给水管径小于150mm时，应采用镀锌钢管或给水塑料管；管径大于150mm时，可采用给水铸铁管；生活给水管埋地敷设，管径等于或大于75mm时，宜采用给水铸铁管；生产和消火栓系统消防给水管一般采用非镀锌钢管或给水铸铁管，自动喷水灭火系统消防给水管应采用镀锌钢管或镀锌无缝钢管；根据水质要求和建筑使用要求等因素生活给水管可采用铜管、聚丁烯管、铝塑复合管、涂塑钢管、或钢塑复合管等管材。,系统管路选择与设计-常用阀门种类（1）,（1）闸板阀门无方向性，比较严密，安装长度较短，由于闸板阀的进出口和阀底在同一直线位置，故介质流动的局部阻力很小，异物也不易被阻塞，因而其常用作排污和管道系统或水箱底部的泄水阀。闸板阀门常用于作全开全闭的位置，不能用于蒸汽管道上，不宜用它作调节流量，如果闸板阀门长期处于半开半关的状态下工作，闸板的密封面会因受介质冲刷而不能密封严密。(2)截止阀和节流阀截止阀阀芯的端部是平的，节流阀阀芯是锥形的，安装时应注意介质的流向应该是下进上出。截止阀流体阻力大，调压作用明显，但不宜用在输送粘性介质的管道上。带橡胶密封的截止阀广泛用于冷水管道，铜阀芯密封的截止阀广泛用于热水和蒸汽管道上。,系统管路选择与设计-常用阀门种类（2）,（3）球阀及旋塞球阀和旋塞是靠阀体内可以旋转的关闭件来打开和关闭阀门。当塞子中心的通孔与管路的进出方向一致时，阀门全开，垂直时阀门全关。球阀和旋塞启闭迅速，流动阻力小，流量大，操作简单快捷。但它密封面易磨损，适合低温低压和粘度较大的介质管道和要求快开快关的的部位。（4）蝶阀蝶阀可以围绕阀座内的一个固定轴旋转90，以实现蝶阀的开启和关闭。通过改变蝶阀的旋转角度，可以分级控制流量。蝶阀启闭迅速、方便，但因其密封材料是橡胶，因此多用于压力和温度较低的管道上。（5）逆止阀（止回阀）逆止阀可使液体介质只能向一个方向流动，阻止其逆向流动。逆止阀有方向性，安装时应特别注意（6）浮球阀浮球阀可以自动控制水箱中的水位。,系统管路选择与设计-常用阀门种类（3）,（7）减压阀减压阀的作用是降低管路介质的压力，使经过减压阀流出的介质的压力符合设计要求。（8）安全阀（泄压阀）安全阀的作用是自动泄除管道或设备中的过高的压力，当压力恢复正常后，自动关闭。(9)自动排气阀自动排气阀的作用是自动排出管路或设备内的空气，使系统正常工作。(10)电磁阀和电动阀电磁阀和电动阀的作用是根据控制元件给出的通断电信号，自动开启或关闭阀门，从而起到自动控制的作用。,系统管路选择与设计-常用阀门选择,（1）根据介质特性、工作压力和温度，选择阀体材料。阀体材料有灰铸铁、铸钢、铸铜、不锈钢等。（2）根据阀体材料、介质的工作压力和温度确定阀门的公称压力级别。低压阀门的使用压力PN1.6MPa，中压阀们的使用压力1.6MPaPN6.4MPa，高压阀门的使用压力10MPaPN100MPa，超高压阀门的使用压力PN100MPa（3）根据公称压力、介质特性和温度，选择密封面材料。使其最高使用温度不低于介质工作温度。（4）根据管道的管径计算值，确定阀门的公称直径。一般情况下，阀门的公称直径和管道的公称直径相同。(5)根据阀门的用途和要求，选择阀门的驱动方式。阀门的驱动方式有手动、电动、气动、液动、机械传动等。(6)根据管道的连接方式和阀体公称通径大小，选择阀门的连接形式。一般小管径的阀门采用螺纹连接，大管径的阀门采用法兰连接。（7）根据阀门的公称压力、公称直径、介质特性和工作温度选择阀门类别、结构形式和型号。,系统管路选择与设计-常用水泵选择（1）泵的种类,根据泵的工作原理，通常将泵分为以下三类。1、叶片式泵：叶片式泵是由装在主轴上的叶轮产生旋转作用，对流体做功，使流体能量增加。根据流体的流动情况，又分为离心式、轴流式、混流式等。2、容积式泵：容积式泵是靠机械运转时，内部的工作容积不断产生变化，对流体产生挤压，使流体获得能量。如活塞泵、柱塞泵、齿轮泵、螺杆泵等。3、其它类型的泵：它是通过流体的相互紊动混合来传递能量，使流体能量增加。如射流泵、空气抽水机、漩涡泵、真空泵、水锤泵等。,系统管路选择与设计-水泵的工作参数（1）,1、流量：流量是泵的重要参数之一，如果流量发生变化，其他参数（如扬程、功率、效率）也将相应的跟着变化。泵标牌上的流量，通常是指额定流量，泵的尺寸和形状是根据这一特定的流量设计的，因此又称为设计流量。一般泵在这个流量下工作，效率最高，如偏离这个流量，效率就会下降，偏离愈多，效率下降愈多。2、扬程：泵的扬程是指泵能扬水的高度。泵标牌上的扬程，一般是指通过额定流量时的扬程，所以又称额定扬程。扬程的单位一般为m。3、转速：泵的转速是指泵轴单位时间旋转的次数，单位一般为r/min。泵标牌上的转速，称之为额定转速，标牌上所标的扬程、功率等参数都是在泵的额定转速下运行，在额定流量下的参数。当转速发生变化后，这些参数都随之变化。一般情况下，泵的转速是不会变化的。,系统管路选择与设计-水泵的工作参数（2）,4、功率泵的功率包括有效功率、轴功率和配套功率三种。有效功率是单位时间内，流过泵的流体从泵那里得到的能量。它可以用泵的流量和扬程进行计算，计算公式见（5-）。轴功率是指原动机输送给泵的功率，配套功率是指泵应选配的原动机的功率值。配套功率一般是轴功率的1.051.13倍。5、效率水泵的效率是指泵的有效功率与轴功率的比值。它是水泵比较重要的技术经济指标，名牌上所标的效率是指这台水泵在额定转速下运行时可以达到的最高效率。6、比转数比转数又称比速，泵的比转数愈高，其流量就愈大，扬程愈小；反之，比转数愈低，其流量就愈小，扬程愈大。不同类型的泵，其比转数差别很大，离心泵的比转数一般在30300之间；混流泵的比转数一般在300600之间；轴流泵的比转数一般在5001400之间，某些低扬程的轴流泵的比转数可达1800左右。,系统管路选择与设计-水泵的选型(1),选择泵时，主要看其扬程和流量是否符合实际需要。（1）流量的确定太阳热水系统循环泵的流量的计算方法如下：Q=qA式中：q系统设计流量（M3/s）；一般取(3672)L/hA太阳热水系统采光面积，（M2）太阳热水系统其它用途的泵的流量应根据其用途确定泵的流量。（2）扬程的确定太阳热水系统循环泵的扬程的计算方法如下：H=(1.11.2)(Hs+Hx)式中：Hs太阳热水系统提升液体介质（水）的高度，mH2O；Hx太阳热水系统总流动阻力（沿程阻力和局部阻力之和），mH2O。从上式可知：太阳热水系统循环水泵的扬程取决于两个因素，一个是水泵提升水的高度，另一个是系统循环回路的流动阻力。,系统管路选择与设计-水泵的选型(2),关于提升液体的高度水泵提升水的高度等于太阳热水系统太阳集热器水位与水箱水位的高度1、对于闭式循环回路，Hs=0。2、对于开式循环回路，当水箱与集热器同在一个水平面上，且最高水位一样时，Hs=0；当水箱与集热器不在一个水平面上，或虽在一个水平面上，但最高水位不一样时，Hs等于二者最高水位的高度差。,系统管路选择与设计-水泵的选型(3),关于系统循环阻力1、系统循环回路的流动阻力的计算可以分别计算沿程阻力和局部阻力，然后相加；2、也可以按沿程阻力值估算局部阻力值3、注意：a)当集热器并联连接时，系统由多个回路，计算流动阻力时，应选择阻力最大的回路计算。b）集热器串联连接时，集热器的阻力较大，应单独计算。c）集热器阻力的计算应根据厂家提供的集热器的流体压降数值计算。根据经验，系统循环回路的流动阻力一般在25mH2O。,电气控制系统设计-设计原则,（1）最大限度的实现太阳热水系统对电气控制系统的要求应弄清楚系统电气控制的要求，控制元件之间的关系，从操作和安全角度考虑应配置的指示和控制内容。（2）在满足生产工艺要求的前提下，力求使控制线路简单、经济a)尽量选用标准电器元件，选用相同的电器元件，减少电器元件的数量b)选用经过实践考验的控制元件；减少不必要的触点，简化电气线路；c)尽量缩短连接导线的长度；d)在工作状态，除必要的电器元件必须通电外，其余的尽量不通电。（3）保证电气控制线路的可靠性包括正确连接触点，正确连接电器的线圈，避免出现寄生电路等。（4）保证电气控制线路的安全性应具有完善的保护环节，避免发生事故。如：短路保护、过电流保护、过载保护、漏电保护等。（5）力求操作、维护、检修方便设置电气隔离，避免带电检修；设置手动、自动转换开关，以备急用；设置紧急情况下，人工停止按钮等。,电气控制系统设计-常用控制元件（1）,太阳热水系统常用的控制元件主要有以下几种。（1）温度控制仪温度控制仪是太阳热水系统最常用的控制仪表。利用温度控制仪可以很方便的实现太阳热水系统的各种温度控制，如单点定温控制，区间温度控制等，（2）温差控制仪利用温差控制仪可以实现水箱水温和太阳集热器水温的温差控制。当太阳集热器水温高于水箱水温时，温差控制仪可自动给出通电或断开信号；当太阳集热器水温不高于水箱水温时，温差控制仪可自动给出断开或通电信号。（3）光控仪当太阳光达到一定辐射强度后，光控仪可自动给出通电或断开信号；当太阳光强度不足时，光控仪可自动给出断开或通电信号。,电气控制系统设计-常用控制元件（2）,（4）水位仪可显示和控制储热水箱水位。（5）定时器可设定某一时间区间或若干时间区间的通电、断电信号。(6)模拟电路可按预先编制好的程序，实现水温、水位、时间、压力、流量等多种控制功能。（7）可编程控制器（PLC）可根据太阳热水系统的需要，设计控制程序，实现水温、水位、时间、压力、流量等多种控制功能和显示、储存、计算等功能。并可与电话线相连，实现太阳热水系统的远程监视和控制。,系统防冻设计-防冻设计的目的,对于太阳热水系统，为了减少热能散失，太阳集热器和系统管路都有保温措施。这些保温措施可以显著地减少热能散失，同时也可延缓系统结冰，但这些保温措施，不能确保系统不结冰。因此，太阳热水系统必需考虑防冻问题。系统防冻包括太阳集热器防冻和管路防冻。对于平板集热器，如果冬季在结冰地区使用，就必须考虑防冻问题；对于真空管集热器，当在低于-20的环境下使用时，也需要考虑防冻问题；对于管路系统，当在低于0的环境下使用时，也需要考虑防冻问题。,系统防冻设计-防冻方法（1）,（1）循环防冻连续循环：在冬季结冰的季节，使循环水泵连续不停的循环，以防止结冰。这种方法的缺点是既浪费电能，又增加水泵的磨损。间歇循环：在冬季结冰的季节，通过定时器，使循环水泵间歇循环，即循环一定时间，停止一定时间，以防止结冰。这种方法解决了连续循环防冻的缺点，但如果停止循环的时间过长，有可能造成结冰。定温循环：定温循环有两种控制方法。一种是由温控仪根据环境温度来自动控制水泵，当环境温度低于某一温度值时，温控仪使循环水泵启动；当环境温度高于某一温度值时，温控仪使循环水泵停止。另一种方法是由温控仪根据太阳热水系统管路内水的温度来自动控制水泵，当管路水温低于某一温度值时（一般为2），温控仪使循环水泵启动；当管路水温高于某一温度值时（一般为6），温控仪使循环水泵停止。显然定温循环防冻的方法比较科学。两种定温循环防冻的方法相比，前一种方法可靠，但存在浪费；后一种方法合理，但应注意温控仪感温探头的位置一定要放置在最容易结冰的位置。,系统防冻设计-防冻方法（2）,（2）伴热带防冻伴热带防冻就是通过在太阳热水系统的管路上加装电加热带的方式，从而达到防止管路结冰的目的。电伴热带也有几种控制方式。温控伴热防冻：通过温度控制仪来自动控制电加热带通电与断电的方式，来达到防止管路结冰的目的。当温度低于某一温度值时，温控仪使电加热带通电；当温度高于某一温度值时，温控仪使电加热带断电。监测的温度可以是环境温度，也可以是管路的水温。自限温伴热防冻：伴热带本身的发热电阻水温度变化而变化。当温度升高时，发热电阻增大，通过伴热带的电流减小；当温度达到某一数值时（一般为6085），发热电阻很大，几乎使伴热带不导电；当温度下降后，发热电阻又逐步变小。由此可见，自限温伴热带具有温度自调功能。,系统防冻设计-防冻方法（3）,（3）排空防冻排空防冻就是通过排空太阳热水系统管路和集热器中的水，来达到防止管路结冰的目的。排空防冻有两种方式。防冻排空阀防冻：在太阳热水系统管路的最低处安装一防冻排空阀，当环境温度达到可能使管路中的水结冰时，防冻排空阀自动打开，使太阳热水系统中的水从防冻排空阀