【《某办公楼冬季供暖系统的太阳能集热系统设计案例》4400字】

某办公楼冬季供暖系统的太阳能集热系统设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u7356某办公楼冬季供暖系统的太阳能集热系统设计案例 17831.1太阳能集热系统供暖原理 112291.2太阳能集热器系统的设计过程 1247371.3太阳能集热系统设计及设备选型 2277551.1.1太阳能集热器的设计计算 2255801.1.2蓄热水箱的选择 67061.1.3辅助热源选择 7216011.1.4建筑供暖末端选择 8231811.1.7温度控制器的选择 91.1太阳能集热系统供暖原理太阳每时每刻都在散发着光和热，太阳表面接近6000℃，源源不断向外以光辐射的方式传递能量，有阳光的地方就有太阳能资源。在政府相关部门大力推广清洁供暖的大环境下，太阳能供暖已成为新兴的供暖方式。但是却无法保证它的供暖稳定性，比如夜间没有太阳光，就无法收集热量提供达到要求的循环水。阴雨天时太阳光强度不大，太阳能集热器所能收集到的热量很可能不能够满足设计需要，同时建筑供暖系统由于夜间室外温度更低，需求供热量也就更大，所以太阳能集热器作为热源可能无法满足夜间或者阴雨天太阳辐射量小的时间的建筑供暖热负荷需要，因此往往需要设置有由常规能源驱动的能提供稳定供暖所需要的热水的常规热源来给之辅助。同时当太阳能集热器收集到过多的太阳辐射时，会产生多余的热水，为了避免能源浪费，通常采用蓄水水箱将这部分水储存起来，等太阳辐射不强，太阳能集热器不能提供足够的热水时，在将这部分热水供应给建筑物，以保证建筑供暖系统的正常且有效地运行。1.2太阳能集热器系统的设计过程本节将介绍太阳能集热器热水系统的设计方法，通过上文对包头市气象参数的分析及建筑负荷的逐时模拟，可以清楚地看出本文研究的包头市某办公楼所在地包头市的气候特征，特别是冬季较为寒冷的气候特点。另外，通过全年逐时负荷模拟可以发现，本次研究的包头市某办公楼的冬季供暖期内的负荷特征，在冬季包头市办公楼供暖负荷较大且较为连续，因此在太阳能集热器设计时要充分考虑建筑负荷的连续性。其热水系统的设计，首先要模拟建筑物的年逐时负荷，然后将年逐时负荷累加得到年逐时负荷。根据所研究的太阳能集热器的类型和规模，确立了太阳能集热器单位面积的循环水的流量。一旦确定了太阳能集热器的循环水流量，就确定用于将热水储存在太阳能集热器系统中的蓄热水箱，并确定蓄热水箱的尺寸。然后根据管路等水力计算和流量分配情况进行循环泵的选择，从而完成太阳能集热器热水循环系统的设计。

太阳能集热器热水供暖系统的另一个重要设备是辅助热源。由于太阳能集热器的不稳定性和不连续性，使得建筑物的热水加热过程中不存在瞬间现象，因此，在常规的水循环供暖系统中，太阳能集热器往往选择太阳能作为辅助热源，以达到节能的目的。太阳能热水系统集热器定时循环，热水支撑，保证热水的连续性和室内温度的可靠性。1.3太阳能集热系统设计及设备选型本节将对太阳能集热系统进行设计，太阳能集热系统用作建筑供暖时，通常包括太阳能集热器、循环水泵、蓄热水箱、辅助热源等。本节将根据第二章计算的建筑逐时供暖热负荷和建筑供暖累计热负荷对该办公楼供暖系统进行设计和选型。1.1.1太阳能集热器的设计计算1.1.1.1太阳能集热器的选择太阳能集热器是太阳能热水供暖系统的心脏，太阳能集热器为建筑供暖系统提供热水，根据太阳能集热器的类型不同，其出水温度也会不同，由于太阳能集热器不同类型有不同构造，所以当太阳能集热器的热水水温不同时，太阳能集热器集热效率也会不同。根据建筑供暖系统的供水温度的特点即要求供水温度较低，45℃左右即可[21]，要求热水连续供应不间歇，因此本文选用在集热器产生60℃以下热水温度时，集热效率较高的真空管集热器。其在产生低温热水时集热效率高，产生温度较高的热水时其集热效率会下降，因此真空管集热器比较适合建筑供暖系统的特点，本文中系统选取真空管太阳能集热器。其结构图如图1.1所示：图1.1真空管集热器结构图1.1.1.2太阳能集热器设计及选型采用太阳能集热器热水循环为建筑供暖时，建筑供暖系统与太阳能集热系统的循环水连接方式一般可以分为直接连接和间接连接两种方式。直接连接供暖系统是指太阳能集热器与建筑供暖系统直接连接，太阳能集热器产生的热水直接供应到建筑供暖系统中，二者之间相互连通，直接使用一套循环水系统。直接连接系统优点是不需要其他换热设备进行二次换热，减小了初投资，缺点是该方式对水质要求较高，太阳能集热器热水系统与建筑供暖系统相互连通可能导致集热器的效率下降。间接式供暖系统是指太阳能集热器集热系统与建筑供暖系统以间接的方式相连，太阳能集热器将循环水加热后，通过水箱等换热设备与建筑供暖系统进行热交换。间接式供暖系统中，太阳能集热器系统中的循环水不与建筑供暖系统的循环水直接接触，而是通过间接换热的方式，将两侧的循环水进行热量交换，从而达到太阳能供暖的效果。如图1.2所示。图1.2真空管型集热器的安装直接供暖系统太阳能集热器所需面积计算方法：Ac=86400Q式中：AQhJTf-太阳能保证率，包头市属于一类资源丰富地区，取50%；ηcdηι间接供暖系统集热器所需面积计算方法：Ain=A式中:AinULACUAhx通过上式计算得出，本文中包头市某办公楼太阳能集热器供暖系统，太阳能集热器面积Ain=1540m太阳能集热系统的设计流量确定：(a)太阳能集热系统的设计流量GsGS=3.6⋅g GS=3.6⋅g式中： GS-太阳能集热系统的设计流量m3g-太阳能集热器的单位面积流量L/(h·m2)；AC-直接式太阳能集热系统中的太阳能集热器总面积，m2Ain-间接式太阳能集热系统中的太阳能集热器总面积，m2(b)太阳能集热器的单位面积流量g与太阳能集热器的特性有关，宜根据太阳能集热器生产企业给出的数值确定。在没有企业提供相关技术参数的情况下，根据不同的系统，宜按表1.1中给出的范围取值。表1.1太阳能集热器的单位面积流量表系统类型太阳能集热器单位面积流量(太阳能热水系统真空管型集热器0.54-0.072平板型集热器0.072大型太阳能集中供暖系统（集热面积大于100m20.021-0.060小型独户太阳能供暖系统0.024-0.036板式换热器间接式集热系统0.001-0.012太阳能空气集热器36通过上表和计算公式可得，取真空管集热器单位面积流量为0.06m3∕(h⋅m通过查询资料可知包头市的最佳倾角为：β=46.9°，由于包头市位于我国北方，根据公式计算可知方位角：γ=0°太阳赤纬角δ（冬至日）：δ=23.45⁡sin(360°×式中：n−时角ω（正午12时）：ω=−15°×(12−h)（1.6）式中：h—时间；太阳高度角α：sinα=sinϕsinδ+cosϕcosδcosω（1.7）式中：ϕ—纬度；最小间距的计算：D=cosβ×L（1.8）L=H∕tanα（1.9）式中：H—遮挡物最高点与后排可能被被遮挡组件高度差；L—太阳辐射在地面上的投影。计算得太阳能集热器方阵前后排的最小间距为：D=1.6m。1.1.2蓄热水箱的选择太阳能集热器热水供暖系统由于太阳能的不稳定性和不连续性，如果建筑在晚上需要进行供暖，太阳能集热器就不能为建筑供暖系统提供充足热量。在太阳辐射充足的时候，太阳能集热器通过集热加热的热水会出现过剩，就需要蓄热水箱将热水储存起来，因此选择太阳能集热器热水蓄热水箱。选型方法如下：VC=AC⋅式中：VCB—为单位集热面积的每天需水量，L/（㎡*d）。一般季节蓄热太阳能供热采暖系统的蓄热水箱容积为1400-2100L/㎡，取蓄热水箱容积为1400L/㎡。由上式可得本系统设计的蓄热水箱容积为2156m³。蓄热水箱是蓄存热量的容器，工作温度上限为90摄氏度，使用压力为常压。所选取的水箱如图1.3所示：图1.3蓄热水箱1.1.3辅助热源选择由于太阳能不是全天都有，只有白天有太阳的时候有太阳能，夜间没有太阳光辐射从而无法通过太阳能集热器集热制取热水，然而白天期间太阳能集热器的集热量可能不能全部满足夜间建筑供暖系统的使用，或者在白天有太阳辐射时，由于太阳辐射被云层或者受雨雪天气影响，太阳能集热器接收不到特别多的太阳辐射，白天的供暖热水量也无法保持。所以在采用太阳能集热器热水系统供暖时，需要选用辅助热源来为系统辅助供暖。太阳能集热器热水系统辅助供暖热源方式对比如下表：表1.2辅助热源对比热源类型优点缺点市政热水供热稳定、连续受市政管网敷设限制地源热泵从土壤取热效率高，清洁能源。初投资较大，运行中可能出现冷热不平衡水源热泵从水中取热效率高，比较清洁需要水资源丰富空气源热泵从空气中取热，利用空气能，较为清洁冬季可能结霜，影响换热燃气锅炉热源稳定高效，排放物无污染需要充足稳定的天然气资源电加热热水系统热源稳定效率低，需要充足稳定的电力保证根据表1.2可以看出，从包头市现有资源情况和包头市可利用的常规辅助热源考虑，由于电加热系统效率较低，本文不予考虑；地源热泵和水源热泵对源侧要求比较高根据包头市现有资源情况不适合使用。因此本文研究的包头市某办公楼选用空气源热泵作为辅助热源，空气源热泵的额定供热量为462kW。所选用的空气源热泵如图1.4所示：图1.4空气源热泵1.1.4建筑供暖末端选择建筑供暖末端是建筑室内在冬季提供热源的散热设备，从建筑供暖系统的热源侧制取设定温度的热水后，通过热水循环水泵循环至建筑室内供暖末端系统，建通过建筑末端系统为建筑室内提供热量，维持室内温度条件保持室内的热环境。综合表1.3所述，本文研究的包头市某办公楼采用热舒适性好，水温要求较低的地板辐射采暖系统，地板辐射采暖作为建筑供暖末端时，对水温要求比较低，通常在40℃至45℃左右。本文研究的太阳能集热器供暖采用地板辐射采暖末端。表1.3建筑供暖末端类型的优劣势建筑供暖末端类型优势劣势风机盘管有风机强制对流换热，换热效率高通过强制对流换热，使室内较为干燥散热器布置简单，安装方便需要热水温度较高地板辐射采暖热舒适性好，水温要求较低安装在地板内，后续检修比较麻烦毛细管网系统散热性能较好造价较高1.1.7温度控制器的选择在平时天气好的情况下，太阳能热水器中的水箱温度能够达到80摄氏度左右，太阳能的集热器就能够让温度高达90摄氏度左右。如果温度太高，对于系统器件有一定的损坏作用，所以就需要给系统安装温度控制器。因为太阳能温控器可以根据不同的情况来进行调节的。通过调节，太阳能热水器能够达到最理想的