【《某小区别墅太阳能供暖系统设计》16000字】

某小区别墅太阳能供暖系统设计摘要面对人口数量激增的态势，环境恶化，资源分配不足等一系列问题，带给了人们不小的挑战，同时，人们对于能源的需求日益增长也加重传统能源利用的负担，所以全世界将解决问题的方法关注在了如何合理利用新能源。而太阳能热利用局限性,在于日照强度不足的天气难以保证满足建筑的热负荷需求。近年来燃气锅炉供暖方式逐渐替代了传统燃煤锅炉，其具有燃气量计算方便、供热迅速、燃料清洁，不含灰分、环境友好等优点。但不可再生的天然气也具有局限性，燃气炉的单独使用会造成天然气消耗量增大。北京房山德龙苑D户型采用的新型太阳能供暖系统利用太阳能作为主热源，燃气壁挂锅炉作为辅助热源，为太阳能补充加热，达到稳定供暖。将当地的太阳能资源与燃气能源做到综合利用，达到热能最佳利用。本系统不但能克服两者独立使用时缺点，还合理的将二者优势充分发挥出来。北京房山区德龙苑D户型别墅太阳能供暖系统设计，根据屋面与墙体材料的导热性能进行别墅围护结构的基本热负荷，冷风渗透附加负荷、冷风侵入负荷确定别墅总热负荷；根据建筑热符合选择合适的壁挂燃气炉与太阳能集热器的型号以及集热器的布置方式、根据建筑户型设计合理的地板辐射采暖。关键词：[太阳能热利用]；[壁挂式燃气锅炉]；[供热热负荷]；[太阳能集热器]目录第一章绪论 1.1课题研究意义与背景11.2我国的太阳能资源与热利用技术1.2.1我国的太阳能资源 1.2.2太阳能热利用技术 1.3太阳能集热系统1.3.1真空管太阳能集热器的简介 1.4燃气壁挂炉系统1.4.1燃气壁挂炉的简介 1.4.2燃气壁挂炉原理 1.5国内外研究状况第二章建筑概况 。2.1建筑概况22.2​设计参数22.2.1当地气象参数 102.2.2别墅室内相关参数 11第三章热负荷计算 23.1围护结构的传热系数23.2基本耗热量计算23.2.1室内外计算温度 133.2.2温差修正系数 143.3围护结构附加耗热量153.3.1风力附加耗热量 153.3.2高度修正耗热量 153.3.3朝向修正耗热量 153.4冷风渗透耗热量23.5冷风侵入耗热量23.6房间热负荷计算第四章太阳能热水采暖系统设计 4.1供热系统方案的确定 4.2集热器集热面积的计算 4.2.1热水负荷的计算 214.2.2集热面积确定 224.3集热器的选型4.4集热器布置4.5热水蓄水箱规格的确定与布置 4.5.1蓄热水箱容积确定 23第五章太阳能采暖系统辅助热源 5.1燃气热水壁挂炉5.1.1燃气壁挂炉的选型及参数 25第六章低温地板辐射采暖系统设计 6.1低温地板辐射采暖6.2地板采暖盘管计算实例第七章太阳能采暖项目造价评估 7.1太阳能采暖集热系统总造价第八章总结 参考文献 附录 2第1章绪论1.1课题研究意义与背景人类社会在不断地发展进。对于建筑面积以及对于建筑舒适度的要求的不断提高，使得人类对于能源的需求与消耗大幅增长。根据我国的能源消费报告中显示：在多数国家对于建筑能耗的平均水平占该国一次能源总消费的三成以上。对于发达国家，美日欧等发达国家的建筑能耗更是超过了世界平均水平[1]。近年来，我国的经济，军事，科技都在稳步发展，势如破竹，但是在高速发展的背后，是能源的大量的消费[2]。关于能源消费，我国目前面临的最大问题在于无论是能源种类还是能源储备量都在世界前沿，对于利用能源，消费分配不甚合理。根据数据显示，我国煤炭可采储量占世界前列，但相较于煤炭天然气和石油等其他形式的化石能源，我国还是很依赖于从别国进口，这样会造成别国对于我国能源的封锁，严重影响着我国的国家安全。作为一个人口大国，我国人均能源占有量与消费量相较世界发达国家仍有一定差距。目前我国已在着手对能源消费结构进行战略性改革，一次能源消费二十年内已下降了3%左右，但收效甚微[3]。以中美两国为例，依据2017年两国一次能源消费结构比较显示（表1.1），中美两国的差异在于美国主要依赖石油与天然气能源，而中国主要依赖煤炭化石能源，表1.1一次能源消费比较对于煤炭资源的需求更是在六成以上，这一比例远超一众发达国家，偏科严重，这一长期现象，体现出了中国是一个对煤炭资源依赖性很强的能源消费大国，根据图1.2中的数据显示，中国煤炭消费量所占比例高达60.2%，但美国的煤炭资源消费量所占比例只占14.86%。即使对比2016年我国煤炭消费量下降了1.14%，但对比于美国仍有很大差距。依据数据显示，2016年，中美两国煤炭消费比例差距为40.06%，而2017年我国图1.22017年我国各形式能源占比情况图1.32017年美国各形式能源占比情况煤炭消费占比高出美国45.56%[4]。这也体现出，虽然我国的煤炭消费占比有所下降，但美国与我国的差距却在不断地加大，但是差距并未缩小很多，进步空间极大，因此需要对我国能源消费结构的改革是非常有必要且具有很强的必要性。并且亟需摆脱对煤炭资源的依赖性，形式非常严峻。为尽力摆脱我国对一次能源的依赖性，可再生能源的环境友好性与清洁性是解决我国面临的能源问题的最佳方案。相较于其他形式能源，我国的地理优势决定了我们发展太阳能的必要性，太阳能产业的崛起是大势所趋。对于环境的保护也具有正向的，积极的作用。在全世界范围内，无论是学术界还是工程领域都对清洁、无限量的太阳能做了大量的实验与研究，目前，太阳能热利用的困难在于能源密度低，受天气影响稳定性差。在此条件下，目前使用实施的各种太阳能热利用方案几乎都不仅仅只利用太阳能一种能源形式，而是结合其他热源作为辅助热源以弥补单一能源形式的缺陷，从而实现互补互利的最优解决方案，既节约了能源，又增加了太阳能热利用系统的稳定性。而采用这种太阳能系统不失为一种新能源采暖新形式，根据研究表明，此种方案为太阳能热利用技术这一领域的研究提供了新的方向，在国内已有一些高校浴室中装配有燃气锅炉辅助太阳能联合采暖与热水系统的事例[5]。作为少数的利用后不产生有害物质的清洁能源，太阳能具有易获取、随时利用、分布广等特点。其环保价值和经济性不可估量。我国幅员辽阔，拥有得天独厚的地理优势，，全年日照时间超过2200小时的地区占全国的2/3，北京市地处京津冀平原，其经纬所在使得该地的冬季寒冷，又由于在郊区山地较多海拔高。供暖期间，主要供暖形式依赖于燃煤或燃气，尤其是燃煤，对于大气的污染是非常严重的，使得冬季采暖直接造成呼吸道疾病的人数每年都在攀升。根据数据显示，项目所在地北京市房山区当地阳光照射时长超过3000h，当地太阳能能源较为丰富，非常具备太阳能热利用经济价值的条件[7]。1.2我国的太阳能资源与热利用技术1.2.1我国的太阳能资源利用可再生能源作为未来的清洁能源已经成为了未来社会发展的必要趋势，为保护生态环境，减清化石能源开采利用的压力。在世界范围内，太阳能资源最为丰富的地区在澳洲，非洲北部等地。而我国与朝鲜，欧洲西南部，非洲中部等区域均列为太阳能资源中等丰富地区。作为世界上太阳能资源较为丰富的国家，我国拥有着广袤的青藏高原和内蒙古草原，与印巴等国不相上下，若用于发电可满足全国所需发电量。另外，太阳能也有这些特点：1、使用方便，易获取。不需要像天然气专门布置供应管道，使用方便。2、能量巨大，其基数远高于现有任一单一资源。3、经久不衰，从某种意义上来讲，太阳是永不消亡的，其能量取之无尽，用之不竭。4、清洁，干净，在利用后不产生任何类似于二氧化碳等温室气体，反之若合理应用还可吸收。二氧化碳减少温室气体的含量。5、安全可靠，相较于核能，其可靠性不言而喻，即使相比于传统化石能源也要安全数倍。我国西部地区塔里木、内蒙、青藏高原等地日照时数超过3000小时，年日照率＞70%是我国太阳能得热最多的地域[8]。相较于其他地区，有着极强的地理优势，若利用好该地区的荒漠，草原等平坦地势的特点，则可以大大缓解我国能源利用急迫的形式。另外，我国幅员辽阔，经纬度跨度大，因此太阳资源分布差异性明显，北部高于南部，西部高于东北部。对于本项目而言，北京地处华北平原，相较于南方，更适合太阳能热利用系统的安装与使用，只有选择适宜的安装区域，才能保证高效的利用率。如表1-1所示，按照太阳能辐照量的大小分布情况，各省市自治区可归于如下五类：表1-1我国太阳能分布区1.2.2我国的太阳能利用技术目前，应用技术较为成熟的太阳能利用方式有：太阳能热水系统（光-热转化）、太阳能发电（光-电转化）、光-化学能转化、光-生物能转化。本课题所设计的太阳能-燃气锅炉联合供热系统为典型的光-热转化型系统。集热器经太阳能照射吸收，将传热介质加热至所需温度，经由散热装置达到供暖目的。当下市面常见且生产技术和使用效率比较高的集热器形式有真空管与平板型两种，二者各有优缺点，根据系统需要，选择合适的集热器完成系统设计。1.3太阳能集热系统1.3.1真空管太阳能集热器的简介真空管太阳能集热器通常由若干只真空管组成，真空集热管由透明的外管和吸热体组成，吸热体可以是圆管状、平板状、或其它形状，材质可以是玻璃，吸热体放在透明的外管内，吸热体与外管之间抽成真空。1975年，美国Owens公司和GM电气公司首次将全玻璃真空集热管展示给世人，该产品的横空出世预示着太阳能热利用进入了多元化发展阶段。之后各发达国家也开始了对集热管的设计开启了探索之路，可见太阳能的利用在科学领域上的重要地位。目前，真空集热管应用广泛，应用于供暖用水、生活用水、产品原料的脱水处理，太阳能制冷空气调节、利用闪蒸技术实现淡水制取等各个工业用途[10]。按照吸热体材料，真空管太阳能集热器可分为：（1）全玻璃真空管集热器（2）金属吸热体真空管集热器本项目涉及太阳能热水系统部分设计计划采用真空管集热器。作为集热器的主体部分，集热管的结构为一端开口，一端封闭，水从开口处进入，被吸热涂层通过热交换被加热至所需温度。弹簧支架将内玻璃管圆头端支撑在外玻璃管内表面形成消气剂通过高频感应加热蒸散，在集热管圆头端的内玻璃管外表面和外玻璃管内表面和外玻璃管内表面形成消气剂膜，用于吸收集热管在工作中玻璃，弹簧卡子、涂层等释放出来的气体以及通过内、外玻璃管渗透到集热管真空夹层的真空度[11]。1.4燃气壁挂炉系统1.4.1燃气壁挂炉的简介燃气壁挂炉，顾名思义是通过利用天然气燃烧后产生的热量加热热媒通过水泵经管道循环在散热端实现供暖。近年来煤改气的新政的改革，目前的燃气壁挂炉技术比较成熟且高效，使用燃气壁挂炉可以减少对煤炭等化石燃料的消耗，相较于一般以煤为燃料的锅炉，该设备具有安装方便，体积小，清洁，环保，升温快等特点，为响应国家“煤改气”的政策，改用燃气锅炉已是大势所趋，同时也能促进我国的能源消费结构的改革与调整。天然气的污染小排放清洁。该系统主要由如下几部分组成，包括主体、内置循环水泵、控制系统、管道和阀门等部件。燃气壁挂炉无论在学校、办公楼，还是家用，均可以轻松为大面积各楼层提供房屋所需耗热量。可以根据需求单独控制各房间供暖，设定不同温度，可轻松的实现差异化供暖，某些燃气锅炉还可以提供恒温热水，如东莞市艾瑞科热能设备有限公司生产的L1PB24-D型号燃气壁挂炉，可以提供30-60℃的卫浴用水，30-60℃的恒温采暖热水。作为煤改气的主角，燃气壁挂炉的主要任务为房间供暖，次要功能提供恒温热水用于厨房与卫浴等场所。燃气壁挂炉兼具了供暖与热水功能，夏季可直接只供应热水。由于燃气壁挂炉需要长期工作，因此从工艺角度上而言，壁挂炉的安装过程要求十分严格。为保证精准的室温控制以及用户的使用安全，燃气壁挂炉的温控以及安全保护措施也是有着严格的要求。相比于常规燃气热水器，壁挂炉的应用更加广泛，可靠性更高[12]。1.4.2燃气壁挂炉原理如图1.4，工作流程如下：温控传感器向锅炉传递加热信息。风机鼓风向燃烧仓施加负压，为燃烧仓提供空气。此时，天然气进入炉体经与空气混合后点火燃烧。加热传热介质即供暖用水，通过循环水泵在散热端为室内供热，温度下降后重复上述循环过程。由于壁挂炉自带循环水泵，因此，不需要再增设多余的循环水泵。燃气壁挂炉优势还在于可以供暖，还能将水加热后作为日常洗漱，沐浴使用，具有“一机两用”的优点，为日常的生活提供了便利，本课题将太阳能真空集热器与燃气壁挂锅炉协同工作，力求采暖，生活兼备使用的特点。图1.4燃气壁挂炉工作原理图我国目前的能源利用背景依然是以煤炭占比较高，石油天然气占比低的尴尬处境。在城市集中供暖常见形式通过燃烧煤炭、天然气等燃料取暖，其具有采暖消费较低，经济性优的特点，但这种方式对于环境的影响是巨大的，同时随着供暖质量、采暖收费、煤改气的政策实施等问题的日益凸显。使得新形式的供暖方式——燃气壁挂炉供暖问世。它的优势明显：1、节省了城市供热配套设施费用2、免除了采暖费收取工作并节约了人员支出等费用3、其使用花费与集中供暖花费相差无几，大约8-10m³/日。2、一机两用，不但加热采暖用水还可加热卫浴用水，综合性强。5、节省了管网铺设费用。6、独立供暖，可根据自身情况随时调节供热温度与开始供暖时间。7、克服了常规锅炉房耗资巨大、设备复杂，产生大量灰尘，有害气体污染环境的缺点8、操作简单，安全可靠[13]。第二章建筑概况2.1建筑概况北京房山区德龙苑D户型别墅太阳能供热系统，形式为太阳能+辅助热源供热系统，响应国家节能减排，合理利用新型能源的号召，为实现2030年碳达峰碳中和的战略目标打好坚实基础。根据实际热源使用情况选择燃气锅炉作为辅助热源进行辅助采暖。本项目为二层别墅，建筑面积为216.9m2，一层126.9m2房高3.5m；二层90m2，层高3.0m，平面图如图2.1与2.2：一楼户型设计集用餐，休闲，学习工作于一身，兼具了多项功能，设计非常人性化，满足家庭各成员的各项基本需求。二楼包含主卧、次卧共四间卧室，同时有浴室以及男女更衣室等私密空间满足当代人对于私密性，采光等要求。对于现代人的生活习惯具有良好的契合度。该别墅具有浓厚的美式乡村风格，结合中国的建筑元素独具创新。开放式的庭院既将美国人的开放自由体现的淋漓尽致同时与别墅相结合兼顾了中式特有的内敛包容的特点。使得该建筑的独特性得以体现。图2.1房屋一层分布图图2.2房屋二层分布图2.2​设计参数2.2.1室外气象参数本项目系统地处北京市房山区市，根据当地气象资料可知海拔:26m（最低）纬度:东经115°25′-116°15′北纬39°30′-39°35′平均大气压:102.04kpa室外采暖温度：-9℃(冬季)；采暖天数:129天；室外平均风速：2.80m/s；年辐射总量：5016-5852mj/(㎡▪a)日照百分率:42％冬季平均日照辐射时间：9h/day2.2.2别墅室内相关参数冬季采暖原则就是保证人员舒适，为满足人体基本的需求，在选择室内计算温度时，要依据并严格按照现有的国标，根据国标显示，室内计算温度的范围选择在15-22℃这一区间[14]。依照行标并参照专业教材《供热工程（第四版）》中附录表1-1，中辅助建筑物与辅助用室的冬季室内计算温度规定，除个别特殊辅助用室外，认为当人经常活动的房间，当室内计算温度在18℃-20℃左右时为人体能感知的最舒适温度，因此住宅以房间为单位室内计算温度的取值统计如下：餐厅、起居室、早餐室、厨房、门厅：18℃ 卧室1 、卧室2、卧室3：20℃家庭室：18℃ 浴室：25℃ 卫生间：20℃学习室 ：20℃洗衣间：18℃工作室：20℃主卧室 ：20℃更衣室 ：23℃第三章热负荷计算3.1围护结构的传热系数1、外墙(外围护结构，240砖墙，外铺加泡沫保温板，两面附水泥平面）:主体厚度:0.24m，λ=0.81W/(m·℃)抹灰厚度:0.04m，λ=0.86W/(m·℃)保温层厚度：0.02m，λ=0.03W/(m·℃)总厚度：0.3mRK2、采暖房间与无热负荷需求房间的墙体（房间温差过大，为保证室内温度，防止热量损失，墙体需做保温）:主体厚度：0.24m，λ=0.81W/(m·℃)抹灰厚度：0.02m，λ=0.86W/(m·℃)挤塑泡沫保温：0.01m，λ=0.04W/(m·℃)R2K3、采暖房间之间的墙体（温差小，不需要再做保温）:砖墙厚度：0.24m，λ=0.81W/(m·℃)抹灰厚度：0.02m，λ=0.86W/(m·℃)R3K4、外窗:金属框两层玻璃窗。K=3.27W/(㎡·C)（北方冬季干燥，实木窗虽然保温性好，但易开裂，寿命短。）5、双层实体木外门，K=2.32W/（㎡·℃）6、单层实体木内门，K=2.92W/（㎡·℃）7、一层屋顶（钢混结构制楼板）:楼板厚度：0.12m,λ=1.75W/（㎡·℃）抹灰厚度：0.02m，λ=0.86W/(m·℃)R4K8、二层顶棚（铺设木屑保温，铺沥青油毡做防水层）:主体厚度：0.12m，λ=1.74W/（m·℃）保温层厚度：0.05m,λ=0.03W/（m·℃），沥青油毡厚度：0.005m，λ=0.17W/（m·℃）抹灰厚度：0.01m，λ=0.87W/（m·℃）RK以上数据由，均通过查阅《供热工程》附录1-4得9、地面传热系数:由于内外温差较大，建筑外地下土壤与室内进行换热，室内热量在逐渐向室外传导。但因在建筑中心与建筑外围距离不同，对于热量的影响也不甚相容，因此工程上设定地带传热系数，用以更为精准的估算出房间实际热负荷数值，一般分为四个地带，四个地带划分原则及尺寸面积计算如下图：图3.1地带划分（黑色部分需要计算两次）不同的地带传热系数取值如下表3.1非保温地面传热热阻与传热系数所示：表3.1非保温地面传热热阻与传热系数3.2基本耗热量计算​计算说明：本项目的建筑采暖所需热负荷包括外围护结构耗热量与外门外窗的冷风渗透耗热量，不计其他形式耗热量。由于人体散热、照明设备和电器散热等对于采暖有利，因此不包含在建筑基本耗热量的计算中。围护结构基本耗热量计算公式如下：Q1=KF(t式中:K-各围护结构传热系数；F-围护结构的传热面积，m2;α-围护结构的温差修正系数;tn-室内空气计算温度，℃;tw-室外计算温度,℃；3.2.1室内外计算温度(1)室内计算温度我们规定：该温度为别墅内从地面开始算起向上2米范围之间的空间的各房间室内平均空气温度。参考国标《暖通空调设计规范》规定:在冬季，民用建筑中人员长期活动的房间的供暖温度一般选取18℃的主要房间,取值范围为16-20℃。北京当地室外设计温度为-9℃[12]。故常见温差在27℃，其中浴室为25℃，更衣室23℃。(2)室外设计温度由于地理位置不同，因此在冬季，不同地区的室外温度也不同，并且随着温室效应的加剧，每年的平均温度也会有出入，其确定原则为自开始统计那一年起至今的平均温度。另外，由于气候变化，一年中总会有几日的温度低于设计温度，一般不作为参考。各个国家对于该数字的规定也不太一样，常见的有1、3、5天？。3.2.2温差修正系数围护结构的温差修正系数的取值采暖有着至关重要的影响，由于各房间温度不同，两房间的温度相差过大会导致温度较高的房间的热量散失，两屋之间存在着换热，因此需要利用修正系数使耗热量更加准确。围护结构的墙厚、是否增铺保温材料、透气好坏均是修正系数的影响因素。保温性能与通风性能较佳的围护结构其值偏大，因为就非采暖房间而言，该温度与室外环境空气设计温度相差不大一般不进行修正，其温差修正系数取值更接近于1。若两个相邻房间或空间的温度相差超过5°C，要将各空间之中的隔墙或楼板由于温差产生的传热量计算在内，视具体情况选择合适的维护结构修正系数取值。由于本项目中各房间之间的内墙两侧房间温差并未出现超过5摄氏度的情况，因此不需考虑两房间的传热量。3.3围护结构附加耗热量围护结构附加耗热量按基本耗热量的百分数计算。考虑了各项附加后，某面围护物的传热耗热量（3.2）式中： -该围护物的基本耗热量，W；-朝向修正；-风力修正；-两面外墙修正；-窗墙面积比过大修正；-房高修正；-间歇附加。3.3.1风力修正耗热冬季刮风会降低室外温度，同时也会带走室内的热量，增加围护结构的耗热。因此，必须要将室外空气流动带走的这部分热量包含在内。需要对维护机构负荷进行附加修正。冬天的北方风速较大，绝大多数城市的一般平均风速的取值范围在3米每秒上下，北京市的风力速度为2.8m/s。因此在《暖通空调设计规范》中认为:除特殊场景，一般不进行风力修正。对于建在周边无障碍物不避风的建筑物，或在城市与厂内楼层较高的建筑物，作为修正，必须在该建筑垂直方向上外围护结构增加5%-10%左右热负荷，以考虑风力增大的影响。本项目位于北京市房山区，年平匀风速在2.8米每秒,因此不进行风力修正热负荷。3.3.2高度修正耗热由于部分建筑超过四米因而增大了房子围护结构的热负荷有一定的作用，会干扰最终结构热负荷。因此设定建筑高度附加耗热量作为围护结构耗热量的修正。规定如下：一般工业与民用建筑的围护结构热负荷，随高度增加而增加。以四米为基础，每上升1米就会多出2%的外墙热负荷。对于常见工程案例而言，一般附加率不会超过总负荷的0.15倍。注:建筑总热负荷等于所有修正后的附加热负荷，包括高度修正，若建筑高度≤4m,不再进行修正。3.3.3朝向修正耗热无论是国内还是国外，多数建筑的建筑形式均是坐北朝南，目的是尽可能利用南面朝阳面吸收太阳的能量以减少白天建筑总热负荷，以达到节能的目的。又因为太阳能对于热负荷的影响比较大，因此建筑总热负荷的计算的过程中必须要进行建筑热负荷朝向修正。此耗热量的计算是非常有必要的。由于建筑的阳面在得热，建筑热负荷减少；阴面在失热，建筑热负荷增大。所以修正规则为，朝阳面进行负向修正，阴坡面进行正向修正。具体修正率的取值在《规范》中有明确规定各个朝方修正率如下：表3.2房屋不同朝向修正率朝向北（0~10%）东北，西北（0~10%）西南，东南（-10%—-15%）东（-5%）西（-5%）南（-15%—-30%）修正系数1%1%1%0%0%-5%-5%-15%/-20%3.4冷风渗透耗热量计算无论现在工艺如何成熟，都无法做到完全无缝隙。因为门窗存在缝隙，在内外大气差的存在，冷风经缝隙进入到房间内。由于存在温差，室内的热量会加热进入到房间的内的冷风。所耗费的热量增大了室内的热负荷，吸收室内热量后渗出。由于渗透进室内的空气耗热较高，因此不能忽略不计。门窗渗入空气量:V=L×L0×nL0-每米缝隙进入房间的空气，L-独立窗间隙的总长度，n—朝向修正系数冷风渗透耗热量:Q2=0.278VρCp式中:V-由缝隙进入建筑中空气体积，m³/h;ρ-室外空气密度，kg/m³；Cp-冷风定压比热；tn-室内空气计算温度，℃;tw-室外采暖温度,℃；3.5冷风侵入耗热量计算建筑外冷内热，室内气体由于热胀冷缩，体积膨胀。室内气压大于室外气压。当人员从外部经门进入到建筑中时。室内空气从门溢出，冷风补充到室内。由于存在温差，低温空气被加热至室内温度。加热这部分的冷空气还需要继续耗热，这无疑会增加室内的热负荷。计算如下：Q3=Q'N（3.5）式中:N-冷风侵入附加率Q'-外门耗热量,W表3.4门附加率3.6各房间总热负荷计算面积丈量原则：=1\*GB3①外墙面积：标准层高度取值从由该层地面开始到第二层地面的距离确定。二层计算方式参照上例。宽度取值为外表面墙长宽尺寸由别墅建筑外墙轮廓计算。若两个空间相近时，则认定两者间的墙体中轴线为分隔标准。=2\*GB3②门窗面积：依照建筑外表面墙不计墙厚的内空净尺寸，即净空尺寸。=3\*GB3③地面面积丈量：对于一层需计算建筑地面热负荷，一般从建筑外墙内部开始空间中心方向向内计量房间内部地面周长的长度计算。=4\*GB3④顶棚面积：从外墙外部开始按建筑外部周长长度计算总面积。1、建筑一层起居室热负荷计算过程：一层起居室及围护结构尺寸如图3.2：图3.2一层起居室户型平面图室内设计温度：18℃室外计算采暖温度：-9℃传热面积计算:南外窗:F=1×1.8×2=3.6㎡西外窗：F=2×2×2=8㎡南外墙：F=（4.1+0.3+0.13）×3.5−3.6=12.26㎡西外墙：F=6×3.5−8=13㎡地面1：F=4.1×2+6×2=20.2㎡地面2：F=2.1×2+2×2=8.4㎡地面3：F=0.1×2=0.2㎡围护结构基本耗热量计算：=1\*GB3①南外窗:查表可知，双层钢窗传热系数K=3.26W/(㎡·℃)温差修正系数α取1（由于建筑内各房间设计温度相差低于5℃，因此不进行温差修正）围护结构基本耗热量：Q朝向修正：-20%（南向修正）修正后围护结构基本耗热量：Q==2\*GB3②南外墙：传热系数K=0.85W/(㎡·℃)温差修正系数α取1围护结构基本耗热量:Q朝向修正：-20%（南向修正）修正后围护结构基本耗热量：Q==3\*GB3③西外窗:K=3.26W/(㎡·℃)温差修正系数α取1围护结构基本耗热量：Q朝向修正：-5%（西向修正）修正后围护结构基本耗热量：Q==4\*GB3④西外墙：传热系数K=0.85W/(㎡·℃)温差修正系数α取1围护结构基本耗热量：Q朝向修正：-5%（西向修正）修正后围护结构基本耗热量：Q==5\*GB3⑤地面1:传热系数K=0.47W/(㎡·℃)温差修正系数α取1围护结构基本耗热量：Q=6\*GB3⑥地面2:传热系数K=0.0.23W/(㎡·℃)温差修正系数α取1围护结构基本耗热量：Q=7\*GB3⑦地面3:传热系数K=0.12W/(㎡·℃)温差修正系数α取1围护结构基本耗热量：Q维护结构总耗热量：Q=1796.38W门窗渗入空气量：V=L·L0×n=1.8×11.2×0.15=3m³冷风渗透耗热量：Q一层起居室房间总耗热量：Q2、建筑二层卧室2热负荷计算过程：二层卧室2及围护结构尺寸如图3.3所示：图3.3二层卧室2户型平面图室内设计温度：20℃室外计算采暖温度：-9℃传热面积计算:南外窗:F=1×1.8×2=3.6㎡西外窗：F=1×1.8=1.8㎡南外墙：F=（4.1+0.3+0.13）×3−3.6=10㎡西外墙：F=（4.3+0.3+0.13）×3−1.8=12.39㎡屋顶：F=（4.3+0.3+0.13）×（4.1+0.3+0.13）÷cos30°=24.74㎡围护结构基本耗热量计算：=1\*GB3①南外窗:查表可知，双层钢窗传热系数K=3.26W/(㎡·℃)温差修正系数α取1围护结构基本耗热量Q朝向修正：-20%（南向修正）修正后围护结构基本耗热量：Q==2\*GB3②南外墙：传热系数K=0.85W/(㎡·℃)温差修正系数α取1围护结构基本耗热量：Q朝向修正：-15%（南向修正）修正后围护结构基本耗热量：Q==3\*GB3③西外窗:K=3.26W/(㎡·℃)温差修正系数α取1围护结构基本耗热量：Q朝向修正：-5%（西向修正）修正后围护结构基本耗热量：Q==4\*GB3④西外墙：传热系数K=0.85W/(㎡·℃)温差修正系数α取1围护结构基本耗热量：Q朝向修正：-5%（西向修正）修正后围护结构基本耗热量：Q==5\*GB3⑤屋顶:传热系数K=0.52W/(㎡·℃)温差修正系数α取1围护结构基本耗热量：Q围护结构总耗热量：Q=1223.01W门窗渗入空气量：V=L·L0×n=0.15×1.8×（1+1.8）×2×2=3.02m³冷风渗透耗热量：Q一层起居室房间总耗热量：Q其余房间热负荷计算见附录表1本设计总热负荷：14767.54W本项目建筑面积为216.9m2，一层126.9m2房高3.5m；二层90m2，最高3.0m采暖热指标为：68.1W/㎡第四章太阳能热水采暖系统设计4.1供热系统方案的确定本系统为民用别墅建筑，选择热水供暖系统，利用太阳能集热器和燃气锅炉联合供暖，既可以满足人员在室内对于温度稳定性的要求，也可满足室内成员对于生活用热水的需求，一举两得。考虑到该建筑的结构特点，此系统利用真空管太阳能热水集热器为主，家用燃气壁挂炉作为辅助。真空管集热器排列在别墅主体屋顶与连廊屋顶进行安装，同时还需满足该系统可以自动补充热水、燃气锅炉及时点火加热和及时向散热器端泵送热水等功能，力求达到操作便捷，简单，安全的最终目标[15]。该系统的特点就是运行过程不需人为过多干预，自控系统自主控制运行。以太阳能集热器系统为主要供热系统，白天，当太阳升起时，此刻真空管集热器开始工作，吸收太阳热量，加热热水。直至水温到达至设计温度。若遇到光照不能满足室内热负荷的情况时，其余热量由辅助热源补充加热。以满足供暖需求。4.2集热器集热面积的计算4.2.1供热负荷的计算1.采暖负荷根据前面计算可知，该别墅各房间总采暖负荷为14767.54W2.热水负荷查阅相关资料参考《建筑给排水规范》可知，可将建筑内供暖给水温度为50℃，北京房山当地水度为5℃。依据集热器供水温度设计标准可取为44℃，则真空管集热器系统中介质温度变化值△T=44℃−5℃=39℃。别墅住宿人口6人，要满足别墅内人员每天用水需求，至少每人需要约50kg的生活热水量（50℃），总需热水量：300kg，平均用水量：12.5kg/h,每天晚6:00-晚10:00,为高峰用水时间，用水总和：50kg系统中，该太阳能采暖系统中具体循环热水流量可由下式确定：G=0.86∑Qgit式中，G太阳能采暖所需热水流量，kg/h；∑Qgi建筑总热负荷，W；tg采暖设备供水温度，℃；th采暖设备回水温度，℃；0.86为换算系数。循环用水流量G＝0.86×14767.54/(45−5)=317.5kg/h。真空管热水集热器采暖系统总负荷：12.5×（45−5）/0.86=581.4W；系统附加上热水符合后实际总负荷：14767.54+581=15348.54W；4.2.2集热面积的确定1.太阳辐照量计算通过查询相关气象资料，可得北京市房山区全年各月太阳辐射平均值如表4.1表4.1北京房山区太阳辐照量平均值（千卡/cm²）月份123456789101112辐照量6.67.911.713.115.915.413.112.411..由表可知：北京房山区全年太阳辐照量128.3千卡/cm²采暖期太阳辐照量：Q=6.6+7.9+（11.7+6.2）《北京市供热采暖管理办法》中明确规定：北京市2020年供暖时间段为2020年11月15日到2021年3月15日，不考虑延迟情况，共120天。太阳辐照量采暖期日平均值：Q2.太阳能集热器集热面积：Ac=86400×Q式中Ac-实际所需真空管太阳能集热器面积，㎡; Qh-建筑物耗热量,W;JT-太阳辐照量采暖期日平均值，取10.08MJ/(㎡·d)％;f-太阳能保证率，取30%;ηcd-相较于实际所需面积集热器平均集热效率，取0.59%;ηL-水箱和输送设备热损失率,取11%。代入公式，得集热面积Ac=60.12㎡4.3集热器的选型根据计算所得集热面积，结合工程实际情况以及安装现场施工条件，由于屋顶可铺设集热器面积有限，为提高效率而选择使用带有反射器的真空管集热器，以提高集热效率。集热器具体参数如下：1.横置双排全玻璃太阳能真空管集热器，型号MGCBUK58/1800/50/30°厂家：四季沐歌太阳能，管数50根，真空管集热管外径为58mm，管长为1800mm,集热面积为8.4㎡。联箱材质：外彩钢板，内304（2B）不锈钢，支架材料：热镀锌角钢。外形尺寸：3800mmⅹ2080mm。2.横置双排真空管集热器，MGCBUK58/1800/30/30°厂家：四季沐歌太阳能，管数30根，集热管直径为58mm，长度为1800mm,集热面积为5.04㎡。联箱材质：外彩钢板，内304(2B)不锈钢，支架：热镀锌角钢。外形尺寸：3800mmⅹ1205mm,如图4.1所示。图4.1太阳能真空管集热器4.4集热器的布置根据计算所需集热面积，确定集热器台数，共需6台标准MGCBUK58/1800/50/30°与3台标准MGCBUK58/1800/30/30°，其中6台大型集热器摆放着别墅二层屋顶正南面，3台小型集热器摆放在门廊顶，所有集热器均平面安装在屋顶，采用混和联接的形式东西向横置[16]，见图4.2。集热水箱置于车库角落.这9台集热器理论上可以完全满足建筑热负荷，当天气晴朗，阳光充足时不用燃气锅炉工作。图4.2太阳能集热器平面布置图4.5热水蓄水箱规格的确定与布置4.5.1蓄热水箱容积确定由前计算结果可知，本系统应配套使用用以储存流动工质的蓄热水箱，要求能够容纳所需热水量和保温能力。同时该蓄热水箱也应具有一定防腐蚀性能。一般内胆材料为304不锈钢，外壳材料不一，二者间必须需填充用以保温的复合材料以保证水温。蓄热储水箱的容量根据实际用水选择合适的水箱型号[17]。公式如下：（4.3）式中V有效容积，m3；C比热容，kJ/（kg·℃）；密度，kg/m3；水箱内水的平均最高温度，℃；水箱内水的平均最低温度，℃；K热水供给过程中热量损失修正；K水箱储水过程中热量损失系数；h箱中热水热量可供采暖使用时间，小时；系统所需总供热量，W。结合系统实际数据，代入公式中，确定要满足别墅采暖该系统的蓄热水箱需要容纳2.89m3体积的热水。选择3台容积为1m³保温水箱，其参数如表4.2：表4.2蓄水箱参数表型号公称容积M3长(mm)宽(mm)高(mm)公称压力(MPa)总蓄热量(Kcal)CV3.0-1.03.03000100010000.112.4×104第五章太阳能采暖系统辅助热源5.1燃气热水壁挂炉5.1.1燃气热水壁挂炉的选型及参数在气温骤降而蓄热水箱的热水量有限时，因此太阳能集热系统需要搭配辅助热源以确保能在稳定工况下运行。对于吸收的太阳能热量应满足在阳光光照充足条件下能够独立完成采暖任务。在考虑到太阳能热利用具有些许不确定因素，在采暖过程中应优先选择太阳能系统，将辅助热源系统作为应急保障。因此，当气温突变，阴雨雪天时，为应对上述可能会出现的问题，选择辅助热源为太阳能系统补充热量就显得尤为重要。本项目选用燃气壁挂炉。要求燃气壁挂炉能满足建筑总负荷的50%以上，型号为欧能（Auron）JLG20-BTB（冬日阳光）型燃气锅炉（图5.1）。图5.1欧能燃气壁挂炉单台燃气壁挂炉工作时的负荷率≥50%，为7383.77W。选用欧能（Auron）JLG20-BTB（冬日阳光）型燃气锅炉，其技术参数如下表5.1：壁挂炉不但能够满足日常的采暖需求还可提供卫浴需求，但是燃气壁挂炉提供卫浴需求和采暖所需消耗功率不同。长期高低功率运转会导致燃气壁挂炉寿命缩短。而太阳能集热器既能供给低成本的生活用水又能提供低成本采暖用水。单独使用燃气壁挂炉采暖，这无疑会浪费掉化石能源。为节约燃气，可以利用太阳能集热器提供卫浴用水。因此选用太阳能-燃气壁挂炉联合供暖系统可以将二者优点结合起来，同时也解决各自存在的缺陷[18]。表5.1欧能燃气锅炉技术参数表第六章低温地板辐射采暖系统设计6.1低温地板辐射采暖地板辐射采暖，老百姓俗称地暖。目前国内常见且最为广泛使用的采暖散热方式有散热器和地暖两种形式。后者是将充满热水的管材埋在建筑地面以下。利用地板进行辐射换热。虽然较换热器进入国内的年头较短，但技术也足够成熟。只需要按照合适的场景选择合适的散热方式即可。地暖与散热器供暖相比较，地暖更加高效、供热均匀，占地少等诸多优点由于其先天的优势，地板辐射采暖系统在欧美日等发达国家广泛应用，约占全部建筑采暖形式的50%[19]。目前在国内，地板辐射采暖被广泛应用在民用住宅以及办公住宅中，其在建筑采暖各形式中占比也大大提高[20]。本系统选择埋管式热水地暖作为太阳能采暖系统的散热末端，加热管材料选择埋置更耐腐蚀耐高温的PE-X加热管材，设置三台分集水器。6.2地板采暖盘管具体计算举例例：起居室1.原始资料如下：室内计算温度：18℃，房间总围护结构耗热量：1822.4w,修正系数：0.95，房间使用面积：24.6㎡2.地面辐射采暖热负荷等于原始资料中的各房屋维护热负荷经修正系数修正后的值（取值范围为0.9-0.95），3.单位面积地面耗热量：q4.地板表面温度：t2=t15.平均水温：t查《供热工程》附录2-6确定：管间距：ω=300mm管径：d=16mm埋深：H=50mm形状因子：S=2ΠLln⁡(回路流量：G=6.导热系数：λ=δ地面材料选用红松实木厚度δ=12mmλ=0.22w/(m·K)C20豆石混凝土填充层δ=40mmλ=1.49w/(m·K)水泥自流平层δ=25mmλ=0.95w/(m·K)w/（m·K）7.单位长度耗热量：Q8.管长：L=Q其余计算结果见附录表2。第七章太阳能采暖项目造价评估7.1太阳能采暖集热系统总造价关于此项目有如下说明：1.太阳能集热器布置在别墅阳面屋顶与门廊顶部，为了不影响冬季系统的正常工作，必须对室外管路进行保温处理（必要时还需安装电热防冻带），同时对于燃气壁挂炉、水泵、蓄热水箱等工作时会产生噪音的设备，安装在车库。2.工程预计总花费如下：设备及型号单位数量单价总价真空管热水集热器（MGCBUK58/1800/50/30°）台613007800真空管热水集热器（MGCBUK58/1800/30/30°）台38002400燃气壁挂炉（欧能冬日阳光JLG20-BTB）台135903590分集水器（四组；五组；六组）台3800（均价）2400蓄热保温水箱（定制）台150005000水泵（GNC450）台26001200阀门及各类管材///2200总计24590表7.1总预算7.2总结目前，随着生活水平和受教育程度的提高，使得人们对于环保的重视程度逐渐增加。尤其，在近几年，国家和世界各国都在大力推行，发展利用新能源。就供暖而言相较于新能源，传统形式的天然气、煤采暖不仅会消耗不可再生的化石能源，还会增加CO2等温室气体的排放。不利于环保。大力发展太阳能和风能等清洁能源已经成为了我们现在面临的最大挑战。本项目的创新点在于将新能源与传统锅炉结合，形成有机结合体使得二者在发挥各自优势的同时也能将各自的缺点进行互补。不是一味的推陈出新，而是将新型采暖建立在传统以利用化石能源采暖的系统之上，充分利用其技术成熟应用的稳定性，在革新的同时也保证了实用性。未来，世界能源格局必定会掀起一场大变革的热潮，而每一次创新都会面临一个是否使用能“落地”能契合实际的问题。对于该系统应用的场景，为坐落在北京市房山区的移动别墅。虽然作为一座独栋的建筑，相较于本系统，集中供暖仍有非常明显的采暖经济性的优势。但由于该别墅位于北京郊区，所以该系统的优势便显现出来了就是独立自主供暖，不受供暖管路和采暖时间等因素的影响。另外燃气锅炉具有快热的特性，可以做到随开随用，调节方便。不需像燃煤锅炉一样需要长期照看，调节不方便。综上，在本次论文中，我通过利用学习过的专业知识和自主查阅资料解决了一个又一个的问题。同时老师的指导也是对我的设计有着很大的帮助。纸上得来终觉浅，须知此事要躬行。通过独立设计相当于做了一个实践活动，使我对于自己所学专业有了进一步的了解。这不只锻炼了我的知识应用能力，也锻炼了我自主学习能力。相信此次论文一定能为我日后的工作提供指导。参考文献[1]ZhangJ,WangRZ,WuJY.Systemoptimizationandexperimentalresearchonairsourceheatpumpwaterheater[J].AppliedThermalEngineering,2007,27(5-6):1029-1035.[2]Pérez-LombardL,OrtizJ,PoutC.Areviewonbuildingsenergyconsumptioninformation[J].EnergyandBuildings,2008,40(3):394-398.[3]袁益，舒展.中美能源安全现状比较与启示[J].中外能源,2019(02):01.[4]BP.BP世界能源统计年鉴[M].2020版.2020.06.15-61.[5]杜晓楠，梁言.分散式太阳能-燃气锅炉低温热水地板采暖系统探讨[C].山东济南:山东科技大学,2020.10.[6]侯隆澍，刘幼农.北京市冬季清洁取暖的演变与发展研究[J].建设科技,2019(1):11-16.[7]戈强.太阳能在建筑中的有效运用和发展分析[J].产业观察,2020(2):8.[8]罗运俊，何梓年，王长贵．太阳能利用技术[M]．北京：化学工业出版社，2014：18-20．[9]季海蓉.民用建筑主动式太阳能采暖技术研究[J].工业加热2021(No.2):1-9[10]孙如军，卫江红.太阳能热利用技术[M].冶金工业,2019(22):100-104.[11]张建龙.真空热管集热器太阳能热水系统热利用研究[D].南京师范大学,2020.[12]宋冠峰.燃气锅炉供热系统节能运行设计与实现[D].山东建筑大学，2020.[13]李晓强.壁挂式热水采暖两用燃气炉技术[J].内蒙古石油化工，2009（22）[14]徐伟.民用建筑供暖通风与空气调节设计规范技术指南[M].中国建筑出版社,2012.[15]李云飞.燃气壁挂炉互补太阳能供热技术应用研究[D].燕山大学,2020.[16]任红军.太阳能热水系统在住宅项目中的应用研究[J].研究探讨,2020：189-190[17]周志刚，王维.太阳能蓄热水箱实验特性研究[J].创新与实践,2021：32-36[18]尹奎超，刘继磊，聂金哲.空气源热泵与燃气壁挂炉采暖在清洁取暖中的节能环保效益分析[J].建设科技,2020（400）.[19]周明.地板辐射采暖系统的水力计算[M].建筑节能与绿色建筑，2020:17-18[20]杨国勋.地板辐射采暖系统的研究进展[J].信息记录材料，2017:187

附录附表1：热负荷计算围护结构传热系数室内计算温度室外计算温度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冷风渗透耗热量冷风侵入耗热量朝向修正后耗热量名称方向面积KtntwαQ1’XcnQQ1Q2Q3㎡℃℃℃W%WWWW主卧室南外窗3.63.2620-9291340.34-20%272.281451.0332.140南外墙9.990.920-9291260.74-20%208.59东外墙18.990.920-9291495.64-5%470.86屋顶33.110.5220-9291499.300%499.301483.17餐厅北外窗3.63.2618-9271281.661%284.481075.541.240北外墙12.260.918-9271264.821%267.47西外窗1.83.2618-9271140.83-5%119.71西外墙11.610.918-9271250.78-5%213.16地面1150.4718-9271169.20%169.2地面23.990.2318-927122.020%22.021116.81更衣室北外窗1.83.2623-9321187.781%189.661153.717.750北外墙11.790.923-9321339.551%342.95东外墙11.790.923-9321339.55-5%322.57屋顶17.940.5223-9321298.550%298.551171.48浴室（大）北外窗1.83.2625-9341199.511%201.5739.1718.860北外墙8.490.925-9341259.791%262.39屋顶15.570.5225-9341275.280%275.28758.03卧室1西外窗1.83.2620-9291170.17-5%161.661321.4