徐州地区家用太阳能热水系统的设计Word文档格式.docx
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世界环境发展大会之后，许多国家又开始重视太阳能热水器在节约常规能源和减少排放CO2方面的潜力，仅据美国加州首府萨克门托市的计划，到2000年太阳能热水器将取代该州47000套家用电热水器；
到2000年日本太阳能热水器的拥有量将翻一番；
以色列更是明文规定，所有新建房屋必须配备太阳能热水器。
目前，我国是世界上太阳能热水器生产量和销售量最大的国家。
1992年销售量为50万m2，为世界其他各国销售量之和；
1995年销售量翻番，达100万m2。
据初步统计，1997年我国太阳能热水器销售量300万m2，目前，我国从事太阳能热水器研制、生产、销售和安装的企业达到1000余家，年产值20亿元，从业人数1.5万人能源工程，1999，
（1）：
59。
但从房屋的热水器安装率来说，以色列已达80%，日本为11%，台湾达2.7%.〔6）我国在千分之几左右，其太阳能热水器的推广应用潜力仍很大。
国际上，太阳能热水器产品经历了闷晒式、平板式、全玻璃真空管式的发展，目前其产品的发展方向仍注重提高集热器的效率，如将透明隔热材料应用于集热器的盖板与吸热间的隔层，以减少热量损失；
聚脂薄膜的透明蜂窝已在德国和以色列批量生产。
三、太阳能热水系统设计
1调查用户基本情况
1.1环境条件
—安装地点：
徐州一别墅居民用户（5人）
—经纬度：
东经117°
22'
，北纬34°
19'
—太阳常数值，如下表1
表1
月份
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
太阳常数
（4.184KJ/m2·
d）
1208
1200
1185
1165
1148
1133
1126
1132
1145
1162
1181
1198
徐州地区一月平均气温在0℃左右，7月平均气温在15℃以上徐州属暖温带半湿润季风气候，四季分明，夏无酷暑，冬无严寒。
年气温14℃，年日照时数为2284至2495小时，日照率52％至57％，年均无霜期200至220天，年均降水量800至930毫米，雨季降水量占全年的56％。
气候资源较为优越，有利于农作物生长。
主要气象灾害有旱、涝、风、霜、冻、冰雹等。
气候特点是：
四季分明，光照充足，雨量适中，雨热同期。
四季之中春、秋季短，冬、夏季长，春季天气多变，夏季高温多雨，秋季天高气爽，冬季寒潮频袭。
每年日照时间在247311h以上,是江苏省最高日照值分布区,属于太阳能资源比较丰富的地区,太阳能年辐射总量约为5000~5800MJ/m2·
a,具有利用太阳能的良好条件。
1.2用水情况
—日均用水量
家庭每人每日热水使用量平均约25L，5人共用125L
—用水方式
全年
—用水温度
55oC
—用水位置
室内，距楼顶楼顶安装集热器垂直距离约7m
—用水流量
1-1.2m/s
1.3场地情况
—场地位置、面积、形状
场地位置：
集热器放在楼顶
面积：
30-40m2
形状：
方形
—遮挡情况
无遮挡
1.4水电情况
—水压
压力水头15m
—电压
家庭用电220V
—水、电供情况稳定
2确定系统运行方式
太阳热水系统的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水箱的相对安装位置等因素综合加以确定，由于目前国内的别墅型太阳能热水系统多采用闭式承压二次回路系统，为了方便起见，我们也选择了二次回路系统。
系统简图
3集热器类型
太阳能选型的基本情况见下表2
表2
集热器类型应根据太阳热水系统在一年中的运行时间、运行期内温最低环境温度、运行水温等因素确定。
由1.1所描述的环境情况，选择热管式平板集热器。
4太阳集热器面积确定
太阳能总面积的确定：
全年使用，以满足春秋季使用为原则,太阳能热水系统总面积可根据系统的日平均用水量和用水温度来确
定，可按下列公式计算：
Ac=QwCρr（t2-t1）f/JTηcd（1-ηL）
其中：
Ac为直接式系统集热器总面积（平方米）；
Qw——日平均用水量L；
C——水的定压比热；
ρr——水的密度；
JT——年平均日太阳辐照量；
t2-t1——水的初始终止温差；
f——太阳能保证率；
ηcd——集热器年平均集热效率（根据产品测定结果而定）；
ηL——管路及贮热水箱的热损失率（可取0.2~0.3），
热水的供水温度以控制在55～60℃。
因为当水温大于60℃时，将加速设备与管道的结垢和腐蚀，增大系统的热损，降低供热水的安全：
而当水温比55℃低时，不易杀死滋生在水中各种细菌。
由以上公式和查得相关数据算得Ac=114×
4.185×
1×
（55-20）×
0.85/[15068×
0.5×
（1-0.2）]=2.36m2
5储水箱的设计
5.1储水箱的容量应与日均用水量相适应
间接换热器的膨胀槽容积按《建筑给水排水设计规范》GB50015-2003中公式进行计算：
式中Ve—膨胀罐总容积（L）；
ρf——加热前加热、贮热设备内水的密度:
为集热系统回水水温，可以取为15℃，此时水的密度为999．0（kg／m3）;
ρr——热水密度:
比如热水水温为55℃，此时水的密度为990．0（kg／m3）：
P1——膨胀罐处管内水压力（MPa，绝对压力）:
假设为管内工作压力+0.1（MPa）；
P2——膨胀罐处管内最大允许压力（MPa，绝对压力），如数值可取1.10；
Vs——系统内热水总容量（L）；
集热系统中热媒水的量5x25=125。
则带入数据的Ve=134L；
5.2贮水箱形状确定
选用圆柱形水箱，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。
5.3贮水箱的材料
本系统内储水箱承受的微压，所以选用不锈钢水箱。
水箱内胆是储存热水的重要部分，其用材料强度和耐腐蚀性至关重要，优质的选材应是进口SUS304板材，厚度在0.6mm—0.8mm之间不锈钢板，提高钢板在各种水质或各种环境耐腐蚀性能，是比较先进的焊接工艺，支架材料全部采用不锈钢（SUS304），外观美观、强度高、整体采用螺栓连接，支架、整机刚性强,而且利于运输安装，抗腐能力强。
5.4贮水箱的开口位置与尺寸
在储水箱的适当位置应设有检修人孔、通气孔、排污口、溢流口。
检修人孔：
人孔的尺寸不应小于400×
400mm2，圆形人孔的直径不应小于400mm。
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。
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。
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。
5.5为了减少热量损失，储水箱应设有保温层，直径1000mm以上圆筒按平面计算。
如一些水箱保温层为50mm厚聚氨酯发泡。
5.6保温层热损失计算
平面热损失的计算公式见下式：
式中：
q——单位表面散热损失，平面：
单位为瓦每平方米（W/m2）；
Ri——保温层热阻，平面：
单位为平方米开尔文每瓦[（m2•K）／w]；
Rs——保温层表面热阻，平面：
——保温层厚度，单位为米（m）；
Ta——环境温度，单位为开尔文（摄氏度）[K（℃）]；
——保温材料制品热导率，对于软质材料应取安装密度下的热导率，单位为瓦每米开尔文[w／（m•K）]；
T——设备和管道的外表面温度，单位为开尔文（摄氏度）[K（OC）]；
6辅助热源选择与设计
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。
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。
辅助加热系统宜采用两套，单套功率为总功率的1/2。
辅助加热系统一般有电辅助加热系统、燃油燃气锅炉加热系统、蒸汽辅助加热系统、暖气加热系统。
本系统采用电辅助加热系统，电辅助加热系统主要应确定电加热的功率大小。
电加热功率大小的确定主要考虑两个因素，一个是需要多大电功率，另一个是用户能提供多大功率的电量。
若后者大于前者，则按前者确定，若前者大于后者，则只有按后者确定。
需要多大电功率P需的确定：
P需=
也可按每千瓦电功率每小时可加热25Kg的水来确定（温升30℃）需要电功率的大小。
由此可计算的P需=4.5kw。
7系统整体的布局形式
7.1储水箱和集热器定位
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。
超过1T的水箱应先确定水箱位置，后布置集热器。
应尽量减少循环管长度。
循环管宜设计同程方式。
布局形式的选择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。
太阳能集热器在安装时，为了充分发挥太阳能集热器的效能，要求前后排集热器不能相互遮挡；
其计算公式：
S=Hcothcosγo
S--日照间距m;
H--前方障碍物的高度；
h--为计算时刻的太阳高度角；
γo--计算时刻太阳光线在水；
平面上的投影线与集热器表面法线在水平面上的投影线之间夹角。
7.2集热器阵列
（1）集热器组中集热器的连接尽可能采用并联。
平板型集热器每排并联数目不宜超过16个。
（2）串联的集热器数目应尽可能少。
全玻璃真空管东西向放置的集热器，在同一斜面上多层布置时，串联的集热器不宜超过3个（每个集热器联箱长度不大于2m）
（3）对于自然循环系统，每个系统全部集热器的数目不宜超过24个。
大面积自然循环系统，可以分成若干个子系统，每个子系统中集热器数目不宜超过24个。
8太阳集热器摆放方位：
朝向：
平板集热器太阳能集热器朝向应为正南方，其偏移角允许有偏差，在低纬度23°
处为±
20°
以内，在中纬度30°
15°
以内，在高纬度36°
7°
。
且偏西比偏东好，在坡屋面安装时，其方位可作进一步调整。
集热器的安装倾角平板集热器最佳倾角是与太阳能光线垂直，由于全年使用，可采用当地地理纬度作为倾角；
在坡屋面安装集热器时，视其坡度和整体美观情况而定。
徐州地区纬度为北纬34度,所以采用安装倾角为34°
9泵、阀及管路选型与管路系统设计
9.1水泵选择
9.1.1流量的确定
太阳热水系统循环泵的流量的计算公式：
Q=q•A
q——系统设计流量（m3/㎡•s），一般取（36～72）L/㎡•h；
A——太阳热水系统采光面积（m2）；
计算得Q=2.36×
50=118L/h。
9.1.2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=（1.1～1.2）（Hs+Hx）
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。
由于系统为闭式循环回路，Hs=0
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2～5mH2O，这里取系统流动阻力为5mH2O，由于水温55度，可不必选用价格较高的热水泵。
根据以上数据综合节能考虑及市场销售水泵系列选定水泵型号为：
品牌:
上海凌鸣
技术参数：
型号：
15WG0.3-12/15SG1.5-15
功率：
90W/120W
电压：
220V
流量：
0.3m³
/h,1.5m³
/h
扬程：
10M/15M
口径：
15mm
转速：
2800r/min
频率：
50HZ
9.2系统管路选择与设计
根据GBJ15-88《建筑给水排水设计规范》及查取相关资料选定管材为无规共聚聚丙烯（PP-R）管材，该具有耐压、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，其废料可再利用，是优质的绿色建材。
10电气控制系统设计
10.1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）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。
10.2太阳热水系统控制元件。
（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。
（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。
10.3系统组成
每套系统控制设备如下：
热泵1台、太阳能循环泵1台、热泵循环泵1台、供水泵1台、混水泵1台、补冷水电磁阀1个、温度探头4个（高温探头T1、加热水箱探头T2、蓄热水箱探头T3、回水探头T4）、液位控制器4个。
10.4要求
控制原理如下：
当T1-T2>
5℃（这个差值可以在触摸屏设定）时,太阳能循环泵启动,T1-T2<
2℃停止；
当太阳能循环泵停止5分钟以上且T2<
55℃时热泵启动,同时热泵循环泵启动；
当T3<
55℃且T2-T3>
5℃混水泵开始运行,T3>
=55℃或T2-T3<
2℃时混水泵停止；
当T4<
40℃时供水泵启动,T4>
=45℃时停止；
02:
00~17:
00当液位低于70%时电磁阀开启补水至液位达到100%，其它时间段当液位低于30%时补水至水位达到50%。
10.5单系统设计说明
温度：
单系统的采用4个温度探头,TC1太阳能上循环温度（T1）、TC2太阳能下循环温度（T2）、TC3恒温水箱温度（T3）、TC4回水温度（T4）。
5℃时,太阳能循环泵启动,T1-T2<
当太阳能遁环泵起动时，或T2>
55℃时热泵停止，同时热泵遁环泵延时30S停止；
液位：
采用3个液位控制器，分别为加热水箱的1个液位控制器（SL1），可检测其满水位和缺水位；
恒温水箱2个液位控制器，用一个控制器（SL2）的上限位作恒温水箱的100%，下限作70%，另一个液位控制器（SL3）的上限位作50%，下限作30%。
00-17:
也就是说在02:
00这个时间断用SL2作水位控制加水，其它时间用SL3控制加水。
在任何时间，当低于30%（SL3的下限位置）视为恒温水箱缺水，当缺水时所有水泵和热泵停止运转。
在任何时候水位超过100%都停止加水。
报警：
在恒温水箱位连续10min低于30%时发出报警；
当任何一个泵的热继出现保护时或相序保模块出现错误信号时，系统发出报警。
11太阳能热水系统保温与防冻
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必须有保温措施。
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；
由于热水系统所用的管道都已经经过防腐处理，所以绝热设计的任务主要是绝热层、防水防潮层和外保护层的设计。
11.1绝热层的设计
11.1.1材料导热系数
导热系数λ，单位w／（m•℃），是表证物质导热能力的热物理参数，是指在稳态条件下，1m厚的物体，两侧表面温差为1℃，1h内通过1㎡面积传递的热量。
数值越大，导热能力越强，数值越小，绝热性能越好。
该参数的大小，主要取决于传热介质的成分和结构时还与温度、湿度、压力、密度、以及热流的方向有关。
成分相同的材料，导热系数不一定相同，即便是已经成型的同一种保温材料制品，其导热系数也会因为使用的具体系统、具体环境不同而有所差异。
为了计算的方便，本文根据相关的部门标准和国标的相关规定来选择材料的导热系数作为设计的标准。
（1）硬质聚氨脂泡沫塑料
硬质聚氨脂泡沫塑料是用聚醚与多异氰酸脂为主要原料，再加入阻燃剂、稳泡剂和发泡剂等，经混合搅拌、化学反应而成的一种微孔发泡体，其导热系数一般在0.016～0.055W／（m•℃）。
使用温度-100℃～100℃。
计算中取λ=0.035W／（m•℃）=0.126（KJ／h•m℃）
（2）聚苯乙烯泡沫塑料
聚苯乙烯泡沫塑料简称EPS，是以苯乙烯为主要原料，经发泡剂发泡而成的一种内部有无数密封微孔的材料。
可发性聚苯乙烯泡沫塑料的导热系数在0.033—0.044W／（m•℃），安全使用温度-150～70℃；
硬质聚苯乙烯泡沫塑料的导热系数在0.035～0.052W／（m•℃）。
计算中取λ=0.041W／（m•℃）=0.1476（KJ／h•m℃）
（3）聚乙烯泡沫塑料
聚乙烯塑料泡沫的导热系数一般在0.035～0.056W／（m•℃），根据GB50176—93《民用建筑热工设计规范》中的规定，聚乙烯泡沫塑料的导热系数<
0.047W／（m•℃）。
计算中取λ=0.047W／（m•℃）=0.1692（KJ／h•m℃）
（4）岩棉
岩棉是一种无机人造棉，生产岩棉的原料主要是一些成分均匀的天然的硅酸盐矿石。
岩棉的化学成分为：
SiO2／（40～50％），Al203（9～18％），Fe2O3（1～9％），Ca0（18～28％），Mg0（5～18％），其它（1～5％）。
不同岩棉制品的导热系数一般在0.035～0.052W／（m•℃），最高使用温度为650℃。
根据GB
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