新太阳能热水系统建筑一体化的实践与思考Word下载.docx

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下面我们介绍一下我们在工程设计和实践中的一些基本思路和做法。

一、集热产品的选择 

集热器产品主要有全玻璃真空管式、热管式和U型管式、平板式几种。

全玻璃真空管式，效率高，四季均可提供生活热水，但与平板式集热器相比，存在一定的安全隐患，即有可能发生爆管的问题。

热管式效率高，系统较成熟，无安全隐患，但对水质要求较高，造价高。

U型管式，热效率较高（与全玻璃真空管式相比稍低），无安全隐患，但系统不够成熟，造价较高。

平板集热器整体性好，寿命长，故障少，安全隐患、成本造价低，由于采用排空防冻技术，从而很好的解决了平板集热器系统冬季不能使用的缺憾。

同时平板集热器还具有以下优点：

1．平板集热器无真空度要求，热性能稳定，整体性好，使用寿命长。

2．平板集热器系统中，水或工质在金属流道内流动，不接触玻璃盖板，不会出现因骤冷、骤热引起暴管导致系统瘫痪。

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3．平板集热器可以实现紧凑式或无间隙安装，在生产热水的同时，还具有保温、隔热、遮光，防水的传统屋面功能，这就为取代部分或全部屋面构件提供了基础。

4．集热器形状结构可灵活设计，尺寸可与建筑材料的模数和建筑结构达到较好的相容性。

5．平板集热器承压性能好，可使系统运行稳定。

综上所述，平板式太阳能集热器，在工程中应用时，通过对产品的进一步改进，其整体性、故障、寿命、投资等方面具有更大的优势。

二、防水处理 

根据太阳能平板集热器坡度要求，我们将其与坡屋面结合设计，嵌入南坡屋面并和瓦面相平，各种管线均为暗装（表面设可拆开挡板）与瓦屋面浑然一体。

这种设计方案决定屋面防水成为技术关键。

既要保证安装又要排水顺畅不漏雨。

为此我们在屋面土建设计方面选择了盆槽式汛水方式解决。

汛水表面敷设“自粘防水卷材”（自愈合）满足了瓦面交搭和设备安装点的防水要求。

同时北京大气环境可吸入颗粒物较多，因此要经常对热板进行清洁维护。

为方便人员在坡屋面上擦洗操作，设计中在屋脊处埋设钢管把杆（接入防雷系统）。

在其上可钩挂软梯和人员安全带。

太阳能集热板安装角度要求一般与北京纬度相同（40o）形成阁楼空间，本设计中加以利用，为顶层户型扩充了使用空间。

本工程中使用的太阳能集热板有光滑平整的表面。

将其嵌入斜屋面后，为人们司空见惯的形式增加了靓点，丰富了天际线。

三、集热器安装设计方案

在集热板与四周瓦的结合，及集热板之间的防水设计方面，我们采用了100%的结构防水设计方案。

从而很好的解决了屋面防水的可靠性。

四、热水系统设计 

1．按系统形式划分可分为：

（1）分户式系统；

（2）集中式系统。

分户式系统是最常见的系统形式，各家各户自成独立的系统，没有各户之间的流量分配问题，以及复杂的控制问题，安全隐患也比较好解决。

但未考虑到各户之间使用的不平衡，不能够充分利用太阳能集热设施、对于整个小区来说系统规模庞大，利用率也较低，从而造价相对较高。

集中式系统，目前国内采用的工程较少，而且主要集中在宾馆、饭店等公共建筑，对于小区住宅尚无此范例。

借鉴国内其他集中式太阳能系统实践经验，经计算论证，住宅小区集中利用太阳能解决生活热水问题是可行的。

集中式系统，相对于分户式系统，有显著节约初投资、运行维护方便，使太阳能集热系统可以得到充分利用等优势。

2.太阳能热水系统设计计算

4.2.1基本参数

（1）用水人数

404号楼共有住户21户，每户以2.8人计，用水人数共计约59人。

（2）用水定额（热水定额）

404号楼有集中热水供应和淋浴设备，每人每日用热水定额以60℃热水计算，取100L/人·

d。

（3）用水时间

24小时全日供应热水

4.2.2设计计算

（1）设计小时耗热量的计算

式中：

Qh—设计小时耗热量（W）

m—用水人数

qr—热水用水定额（L/人·

d）

Qh—水的比热，c=4187（J/kg·

℃）

tr—热水温度，tr=60（℃）

tL—冷水温度，tL=10（℃）

r—热水密度（kg/L），r=0.983kg/L

kh—小时变化系数，kh＝5.12

Qh=71951（W）

（2）设计小时热水量

qrh—设计小时热水量（L/h）

h—设计小时耗热量（W）

tr—设计热水温度（℃），tr=55（℃）

tL—设计冷水温度（℃），tL=10（℃）

r—热水密度（kg/L），r=0.986（kg/L）

qrh=1394.32（L/h）

（3）全日供应热水系统的热水循环流量

qx—全日供应热水的循环流量（L/h）

Qs—配水管道的热损失（W），取设计耗热量的5%

△t—配水管道的热水温度差（℃），取5℃

qx=615.6（L/h）

（4）热水供水管的设计秒流量q（L/s）

计算最大用水时卫生器具给水当量平均出流概率

Uo—生活给水管道的最大用水时卫生器具给水当量平均出流概率（%）

qr—最高热水用水定额

m—每户用水人数

kh—热水小时变化系数

Ng—每户设置的卫生器具给水当量数

T—用水时数（h）

0.2—一个卫生器具，给水当量的额定流量（L/s）

Uo＝0.012%

查《建筑给水排水设计规范》（GB50015－2003）得系统热水供水管的设计秒流量为q=2.51（L/s）。

4.2.3设备选取

（1）蓄水箱

对于太阳能热水系统，由于受自然条件（太阳辐射一天之内随时间变化）的限制，太阳能集热系统，不可能全天24小时满足设计小时用水量（qrh）的要求。

为满足使用要求，根据实际情况，考虑蓄热水箱水量、太阳能集热板的功率和用户用水量之间的关系，设计水箱容量为4.5个最大小时用水量（qrh），则必能满足用水量的要求。

水箱的有效容积vk＝4.5qrh≈6.5m3。

（2）太阳能系统水泵选择：

1）P1泵（太阳能集热系统给水泵）

P1泵的流量即为系统设计热水量qrh＝1394.32（L/h）

扬程考虑到位置高度，沿程损失，局部损失以及配水最不利点所需的流出水头，取qrh＝0.25（MPa）

2）热水系统循环泵

循环流量Qx＝615.6（L/h）

水泵扬程，仅考虑循环水量通过配水管，回水管的水头损失，计算得：

Hb＝0.10（MPa）

3）系统给水变频泵组：

给水系统采用变频装置：

流量为热水供水管的设计秒流量q＝2.51（L/s）

扬程H＝0.28（MPa）

（3）容积式热交换器

1）加热面积

容积式热交换器按系统最不利工况，即太阳能系统不工作时的条件确定。

F－水加热器的加热面积（m2）

Qz－制备热水所需的热量，即设计小时耗热量Qh（W）

K－传热系统数（W/m2·

℃）取K＝1500（W/m2·

ε－由于水垢和热媒分布不均匀影响传热效率的系数，取ε＝0.8

△tj－热媒与加热水的计算温度差（℃）

=

tmc、tmz－热媒的初温和终温

tc、tz－被加热水的初温和终温

cr－热水供应系统的热损失系数，取cr＝1.15

Fjr=1.84m2

2）贮水容积

容积式热交换器贮存保证系统用户45min设计小时耗热量，即

3）热媒耗量

Q-热媒耗量

C-热水的比热，C=4187（j/kg·

Tmz、Tmc热媒的初温、终温

G=0.79（kg/s）

4.3太阳能集热板面积的确定

1）方案一：

按厂家提供的集热板产水量（春秋季产水量80L/m2·

d）计算。

考虑降低初投资的因素，选择集热板的面积时，其设计人均水量按75L/人·

d标准，剩下不足部分由辅助热源满足。

所以集热板日产水量应为4.5个最大小时热水用量（qrh）的75%计，即4.5qrh×

0.75＝4705L/d。

需太阳能集热板的面积58.8m2，平板太阳能集热器（1.0m×

2.0m×

0.08m）的单板为2.0m2，故需太阳能集热板30片。

2）按《太阳热水系统设计、安装及工程验收技术规范》

GB/T18713－2002附录A计算。

Ac—直接系统集热器采光面积，m2

Qw—均用水量，5900kg

Cw—水的定压比热容4.18（KJ/kg·

tend—储水箱内水的终止温度，50℃

ti—水的初始温度，15℃

f—太阳台保证率50%

Jr—当地春分或秋分所在地集热器受热面上月均辐照量，17900KJ/m2

cd—集热器全日集热效率50%

c—管道及储水箱热损失率20%

Ac＝60m2

需平板太阳能集热器30片。

3）通过上述两种方法的计算结果表明，本工程采用1.0×

2.0×

0.08m平板式太阳能集热器30片是适宜的。

4.4系统控制说明

1.初始正常状态时，F1关、P1停、F2关、F3关、F4开。

2.当水位H≥H1，T2＜Tmax，T1≥T2+△Tk时，P1启动循环加热至T1≤T2+△Tg时停。

3.当水位H＜H1，T2≥Tmax，T1≥T2+△Tk时，F1开补水至H1时关，P1启动循环加热至T1≤T2+△Tg时停。

4.当水位H2≤H＜H1，T2＜Tmax，T1≥T2+△Tk时，P1启动循环加热至T1≤T2+△Tg时停。

5.当水位H＜H2，T2＜Tmax，T1≥T2+△Tk时，F1开补水至H2关，P1启动循环加热至T1≤T2+△Tg时停。

6.当水位H＜H2，T1＜T2+△Tk时，F1开补水至H2关。

7.当T3≤45℃时，F2开提供外网一次热水换热至T3≥55℃关。

8.当太阳热水系统维修时，F3开、F4关提供外网二次热水。

注：

Tmax＝60℃，△Tk＝20℃，△Tg＝12℃。

H2水位保证系统用户45min的用水量。

H1水位保证系统用户4h用水量。

容积式热交换器保证系统用户45min的设计小时耗热量。

通过本工程的设计，我们感到要真正做到太阳能与建筑一体化，没有房地产商、建筑设计院的参与其结果是不容乐观的。

我们真诚希望有更多的房地产开发商、建筑设计院积极参与到这一行列中来，共同推动绿色能源运用的发展，开创我国建筑节能的美好未来！

家用太阳热水系统技术条件》自2003年10月1日实施。

现将《家用太阳热水系统技术条件》中的技术要求摘录如下，供读者参考。

6　技术要求 

6.1　技术要求内容 

家用太