太阳能工程设计方案.docx
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太阳能工程设计方案
太阳能热水系统工程
技术方案
设计单位:
乌鲁木齐旭日阳光太阳能工程有限公司
日期：
2011年5月18日
基本配置
日均用水总量：
按要求每间标准间洗浴用水100L，每天供应100个标准间，用水量为10000L；食堂用水约5000L，总用水量即15吨。
3、用户单位辅助能源的条件：
建议采用已有的锅炉作为太阳能的辅助能源，在春、夏、秋三季使用太阳能提供热水，冬季完全利用锅炉加热。
4、地理位置及条件：
伊犁地区的地理纬度为43度，冬季最低环境温度约零下250C、全年晴天率达85%以上，春、夏、秋三季日照条件好、建筑物周围没有任何遮挡，集热模块安装在屋面，屋面面积约为60米*18米，最多可安装40组集热模块，每组模块每天产热水量为375L、总产水量为15000L。
储热水箱已有，基本具备使用条件。
5、用户单位的水压与电压：
用户单位的水压稳定可靠，电源电压供应情况良好。
二、设计中的基础问题
1、太阳能集热模块的倾角：
①本太阳能供热水系统为春、夏、秋、三季使用，集热模块的倾角等于当地的纬度；②对于本太阳能供热水系统集热模块的倾角定为45度。
2、全玻璃真空管（热管）数量和集热模块数量的确定
①每支管的日产水量：
在我区每支真空管的日产水量与管子的规格和地区有关，具体如下表：
全玻璃真空管单支管年平均日产水量
地区
真空管的规格
Ф47*1200（升）
Ф47*1500（升）
Ф58*1700（升）
东（南）疆
6
8
10
北疆
5
7.5
9
②真空管总数量和集热模块数量的确定：
真空管总数量=日均用水总量/真空管单支日产水量，本系统选用Ф47*1500真空管（或同规格双玻璃真空超导热管）是春、夏、秋三季使用，单支日产水量取7L，每天满足15000L的用水量所需真空管总数量为15000L/7.5L，真空管数量约为2000支；③集热模块数量=真空管总数量/单个集热模块所含真空管数量，本系统选用每个集热模块50支管，2000支真空管所需集热模块数量为具体为40个；④根据对宾馆基本条件和设计中的基础问题的分析，屋顶的面积、朝向完全满足2000支真空管、40组集热模块的布置要求。
3、集热模块在屋面的布置
①本系统集热模块联箱45度放置，双边插真空管，真空管水平排列，位于集热模块联箱的下端，布置为8排，每排5个。
具体见太阳能热水系统平面图。
✧一、联集管式热水系统的组成
联集管太阳热水系统是由：
联集器、全玻璃真空集热管、储热水箱、管路系统、控制系统和辅助能源部分组成的。
每套联集管太阳热水系统由若干块集热器阵列而成，照片如下：
一、集热器：
1.集热器由联集器与真空管组成，用于吸收太阳辐照并转化为热量储存起来。
联集器储水部分为聚氨酯整体发泡保温，内胆为304-2B不锈钢，外壳为不锈钢或者镀铝锌板，具有设计合理，耐腐蚀，强度大、不变形、使用寿命长等优点。
2.集热器规格型号表
产品型号
TSL150-50
TSL180-25
集热器件
1500mm三高真空管
1800mm三高真空管
真空管数量
50只
25只
集热面积
7.6m2
3.98m2
内胆材料
0.5mm不锈钢
0.5mm不锈钢
外壳材料
0.4mm不锈钢/镀铝锌板
0.4mm不锈钢/镀铝锌板
保温材料
45mm聚氨酯
45mm聚氨酯
密封材料
硅橡胶密封圈
硅橡胶密封圈
外形尺寸
3300mm×2300mm×150mm
2000mm×160mm×150mm
集热器特点：
1.密封结构——真空集热管与联集管结合处，采用翻边结构使用寿命长、密封严密、安全可靠；
2.承压能力——由于特殊设计的承压结构，集热器在工作时可以承受0.1Mpa的压力，可采用自然循环或强制循环方式运行。
3.组合任意——可根据需要，将联集管式集热器任意组合成不同采光面积的热水系统。
4.集热器外形尺寸图
TSL150-50系列集热器外形尺寸图
二、三高真空管
1.TSL联集器采用自主生产的高硼硅三高玻璃真空管，具有完全自主知识产权。
2.结构说明：
全玻璃真空太阳集热管由具有太阳选择性吸收涂层的内玻璃管和同轴的罩玻璃管构成,内玻璃管一端为封闭的圆顶形状,由罩玻璃管封离端内带吸气剂的支撑件支撑;另一端与罩玻璃管一端熔封为环状的开口端.其结构如下：
1-内玻璃管2-太阳选择性吸收涂层3-真空夹层4-罩玻璃管5-支承件6-吸气膜
3.规格型号表（详细参数参照检测报告）
三高真空管主要规格参数
产品型号
TS—1500
TS—1800
罩玻璃管直径
47mm
58mm
内玻璃管直径
37mm
mm
罩玻璃管的透射比
>0.89
>0.89
真空集热管长度
1500mm
1800mm
太阳吸收比
优于国标
优于国标
发射比
优于国标
优于国标
真空度
压强≤5×10-2Pa
压强≤5×10-2Pa
典型空晒温度
200℃
200℃
热损系数
≤0.85W/（m2℃）
≤0.85W/（m2℃）
抗冰雹能力
直径25mm冲击不破损
直径25mm冲击不破损
耐压
0.6Mp
0.6Mp
寿命
大于15年
大于15年
三、真空集热管性能特点
1.集热快：
采用“渐变铝－氮/铝太阳选择性吸收涂层”，集热效率高，太阳吸收比大大优于国家标准。
2.散热慢：
由于在真空集热管夹层之间保持较高真空度，可最大限度地减少由于热传导、热对流造成的热量损失。
3.寿命长：
“天山”牌真空管不低于15年的使用寿命。
4.材料净：
采用被称为“玻璃王”的“硼硅玻璃3.3”为原料，强度大，抗化学侵蚀性、光学性能、热稳定性、机械性能极佳；抗25mm冰雹冲击不破损。
5.启动快：
Φ47mm的真空集热管比普通Φ58mm的真空集热管减少了无效存水，使整个系统启动更快。
另外，Φ47mm的真空集热管比普通Φ58mm的真空集热管在晚间散失热量更小，特别在冬季时减少了能量损耗。
6.产品图片
四、储热水箱
1.储热水箱用于储存生活热水，同时也是太阳能系统的热媒水。
生活热水由太阳能水箱直接提供。
2.水箱材质严格按照食品级内胆进行选材，一般为304不锈钢或炭钢搪瓷保温水箱，水箱可以是整体结构也可以现场拼装，水箱一般具有如下性能：
保温性能好、足够的容积、能安装水位和温度传感器、能安装辅助电加热装置、具有排污口和人孔。
3.水箱图片（参考）
一体式水箱//组装（焊接）式水箱
五、管路系统
1.管路系统一般包括冷水管路、太阳能循环管路与供水管路（回水管路）及相应的保温与防冻。
2.冷水管路是指自来水接头与太阳能系统连接的管路；太阳能循环管路是指太阳能集热器与太阳能储水箱之间的内循环管路，主要是从集热器到储热水箱之间的管道。
供水管路包括太阳能水箱连接到建筑主供水管道与回水管道。
3.对于北方地区，除保温材料外，还需要安装电伴热带。
六、辅助能源
1.辅助热源系统是指太阳能和其他水加热设备联合使用提供热水，在没有太阳能或者太阳辐照强度不足时，仅依靠系统配备的其他能源的水加热设备也能提供建筑物所需热水的系统。
在需要保证生活热水供应质量的场合，辅助热源是必不可少的。
2.太阳能系统可与电辅助、燃气锅炉或者燃油锅炉进行结合；也可与市政热水、采暖热水、蒸汽等能源通过换热器换热。
一般来讲，为保证清洁、方便与减少初期投资的方面考虑，太阳能系统辅助能源采用电辅助加热。
七、控制系统
1.采用具有自主知识产权的一体式TH-TSL系列智能控制器。
2.控制器主要功能：
2.1手动上水功能：
储热水箱水位低于设定上限值时，按手动上水键上水到设定值后停止，在上水过程中再按一次该键停止上水。
（该功能只在调试阶段有用）。
2.2定时上水功能：
储热水箱水位低于设定下限值时，到达设定时间，控制器打开电磁阀上水，达到设定上限值后停止。
2.3循环上水功能：
只要储热水箱水位低于下限水位，控制器打开电磁阀上水，达到设定上限水位后自动停止。
2.4手动加热功能：
储热水箱水温低于设定温度时，按手动加热键启动电加热，加热到设定温度后停止，在加热过程中再按一次手动加热键停止加热，（该功能只在调试阶段有用，当水箱水温高于设定温度时，该功能无效。
）
2.5定时加热功能：
当时间达到设定的定时加热时间，（且水箱温度低于设定温度时）自动启动辅助电加热，加热到设定温度后自动停止。
2.6循环加热功能：
只要水箱水温低于设定值5℃时，电加热自动启动，当水箱温度高于设定温度1℃后自动停止，如此往复循环，保证水箱水温恒定在设定温度。
2.7温差循环功能：
储热水箱水位低于设定上限水位且水箱温度低于设定值，或水箱水位已满（6格）时，执行该功能。
2.8定温出水功能：
储热水箱水位不满，水箱水温高于或等于设定温度时执行该功能。
2.9防冻循环功能：
在北方寒冷地区的冬季，当集热器底部温度小于5℃时，如果储热水箱内有热水时，控制系统启动循环泵，把水箱中热水循环到管路中，当集热器底部温度高于10℃时关闭循环泵，停止循环；若储热水箱无水，控制器打开电磁阀E1顶水，同时启动循环泵循环水箱中的水，当集热热器底部温度高于10℃同时关闭电磁阀和循环泵。
2.10泵循环功能：
按“泵循环”键，启动循环泵，循环管路中的水，防冻和升高水箱中的水温。
（该功能只在调试系统时单独使用）
2.11管路循环功能：
当供水管路中的水温低于使用温度（用水最远点温度）时，控制系统启动循环泵P2,将供水管路中的低温水循环到水箱中，保证供水干管中始终有热水，从而用户一开笼头就有热水，同时防止供水水管在冬季冻裂。
（只有用户的系统有回水管道时才能实现该功能，该功能需要特殊定制。
）
3.12伴热带功能：
冬天气温较低时，通过启动伴热带防止上下水水管冻裂。
当上水管路中水温低于设定温度时，启动伴热带，加热上水管路，直到管路中的水温高于设定值5℃时停止，如此循环往复。
或者手动按伴热带键启动伴热带功能，到管路中的水温高于设定值5℃时停止。
（该功能需要特殊定制。
）
2.13停电保持功能：
停电时，保存设定12小时，来电照常运行。
2.14故障报警功能：
将可能发生的故障显示出来，以便维修。
2.15宽电压工作功能：
可承受较宽电压波动，耐高压、低压幅度大。
2.16安全防护功能：
系统设有短路、过流、漏电和过热断电四种防护。
2.17一体式工程控制器线路图：
线路图（一体式工程控制器）
✧
二、联集管式热水系统技术方案
太阳能热利用工程设计依据和规范
2.1.1客户要求
1）、项目名称：
太阳能热水工程；
2）、用水类型：
洗浴用水；
3）、用水量：
总用水量15吨左右；
4）、用水方式：
随时供水；
5）、辅助热源：
电加热；
2.1.2技术标准
GB50015-2003《建筑给水排水设计规范》
GB50057-1994《建筑物防雷设计规范》2000版
GB50171－92《电气装置安装工程盘、柜及二次回路结线施工及验收规范》
GB50242－2002《建筑给水排水及采暖工程施工质量验收规范》
GB50303－2002《建筑电气工程施工质量验收规范》
GB50345－2004《屋面工程技术规范》
GB/T12936-91《太阳能热利用术语》
GB/T17581-1998《真空管太阳集热器》
GB/T18713-2002《太阳能热水系统设计、安装及工程验收技术规范》
GBJ17-88《钢结构设计规范》
GB/T18708-2002《家用太阳热水系统设计热性能试验方法》
NY/T513-2002《家用太阳热水器电辅助热源》
NY/T514-2002《家用太阳热水器储水箱》
GB4272-92《设备及管道保温技术通则》
GBJ9-87《建筑载荷规范》
2.1.3设计气象参数依据
1、新疆太阳能资源及分布概况
（1）新疆水平表面太阳年辐射照度总量500～660万千焦耳/平方米（相当于172—223公斤标煤/平方米），年平均为580万千焦/平方米（相当于198公斤标煤/平方米）。
年辐射照度总量比我国同纬度地区高10～15%，比长江中下游地区高15～25%。
（2）分布于五大区域（天山南麓、天山北麓、东疆东部、北疆中部、北疆北部）的太阳辐射量可分为四个资源带。
新疆太阳能资源分布表
序号
资源
特征
资源分布
日照年＞6
小时天数
日照气温年＞10小时天数
季节特征
1
资源
丰富带
巴里坤县、伊吾县
300～325
110～130
夏盛冬弱
三塘湖、淖毛湖
300～325
160～180
夏盛冬弱
哈密市、阿尔金山北坡
300～325
170～190
夏盛春弱
2
资源次丰富带
乌恰县、塔什库尔干县
250～270
130～140
夏盛春弱
拜城县、阿克苏市、柯坪县、阿图什市、喀什市、英吉沙县
250～270
180～200
夏盛春弱
善鄯县、吐鲁番市、库尔勒市、尉犁县、新和县、阿瓦提县、
260～280
190～210
夏盛春弱
巴楚县、麦盖提县、莎车县、叶城县
250
130～140
秋盛春弱
皮山县、墨玉县、和田市、洛浦县、策勒县、于田县、民丰县、安迪尔河、且末县、铁干里克
250～280
190～210
秋盛春弱
3
资源较丰富带
昭苏县、巴音布鲁克
270
100～120
夏盛春弱
乌鲁木齐市、托里县、博乐市、霍城县、伊宁市、尼勒克县
250～280
150～170
夏盛冬弱
4
资源亚丰富带
克拉玛依市、石河子市、炮台、蔡家湖、天池
250～270
150～170
夏盛冬弱
富蕴县、吉木乃县、福海县、阿勒泰市、哈巴河县
260～270
140～170
夏盛冬弱
●东疆东部为资源丰富带，太阳能年辐射照度平均值为630万千焦耳/平方米，相当于215公斤标煤/平方米。
包括哈密地区、吐鲁番地区、和田地区。
●天山南麓为资源次丰富带，太阳能年辐射照度平均值为590万千焦耳/平方米，相当于201公斤标煤/平方米。
包括巴州、阿克苏、克孜勒苏三地州和喀什地区。
●天山北麓为资源较丰富带，太阳能年辐射照度平均值为560万千焦耳/平方米，相当于191公斤标煤/平方米。
包括伊犁地区、奎屯、石河子、昌吉州、乌鲁木齐市。
●北疆中部、北疆北部为资源亚丰富带，太阳能年辐射照度平均值为530万千焦耳/平方米，相当于181公斤标煤/平方米。
包括阿尔泰地区、克拉玛依市、塔城地区和博州。
（3）新疆太阳能利用的最有利季节是夏、秋季，不利季节北疆为冬季、南疆为春季。
影响太阳能利用的主要气候是环境温度和沙尘暴，东疆和北疆地区空气中水份少、晴天多、大气透明度高，虽然总辐射较弱，但是直射分量较大；南疆地区虽然云雨量少，但多风沙和尘暴，太阳辐射减弱，散射分量增大。
2.2集热器类型及系统运行方式选择
2.2.1太阳能热水系统介绍
太阳热水系统是利用太阳的光能转换热能生产热水的装置，经过组装、调试，固定在某个场所，按指令运作的供热水设备。
太阳能热水系统由数台集热器、水箱、循环管道、热水泵（可选）及控制系统（可选）组成，本系统为洗浴热水，故选择强制循环系统。
2.2.2系统运行原理
当有日照时，真空管集热器开始采集太阳能热能，当集热器内与大水箱内温差大于某一设定值时（一般为7℃），专门设计的温差控制仪自动启动循环泵，使介质（水、纯净水或防冻液）通过换热管道在集热器与水箱之间进行强迫循环，将集热器采集到的太阳光的热量不断地传递给水箱，当集热器内与大水箱内温差小于某一设定值时（一般为3℃），水泵停止工作。
经过多次循环从而使储水箱的水逐渐升温。
太阳光不足或阴雨天气时，用户电加热辅助和锅炉辅助对贮热水箱进行加热。
2.3集热系统设计计算
2.3.1确定总用水量
人均用水当量参照给排水设计规范,如下表。
序号
建筑物名称
单位
最高日用水定额（L）
1
住宅
有自备热水供应和沐浴设备
每人
40～80
有集中热水供应和沐浴设备
每日
60～100
2
别墅
每人每日
70～110
3
单身职工宿舍、学生宿舍、招待所、
设公用盥洗室
每人每日
25～40
设公用盥洗室、淋浴室
每人每日
40～60
设公用盥洗室、淋浴室、洗衣室
每人每日
50～80
设单独卫生间、公用洗衣室
每人每日
60～100
4
宾馆客房
旅客
每床位每日
50～80
员工
每人每日
40～50
5
医院住院部
设公用盥洗室
每床位每日
60～100
设公用盥洗室、淋浴室
每床位每日
70～130
设单独卫生间
每床位每日
110～200
医务人员
每人每班
70～130
门诊部、诊疗所
每病人每次
7～13
疗养院、休养所住房部
每床位每日
100～160
6
养老院
每床位每日
50～70
7
幼儿园、托儿所
有住宿
每儿童每日
20～40
无住宿
每儿童每日
10～15
8
公共浴室
淋浴
每顾客每次
40～60
淋浴、浴盆
每顾客每次
60～80
桑拿浴（淋浴、按摩池）
每顾客每次
70～100
9
理发室、美容院
每顾客每次
10～15
10
洗衣房
每千克干衣
15～30
11
餐饮厅
营业餐厅
每顾客每次
15～20
快餐店、职工及学生食堂
每顾客每次
7～10
酒吧、咖啡厅、茶座、卡拉OK房
每顾客每次
3～8
12
办公楼
每人每班
5～10
2.3.2选择初始水温
地区
地面水温度（℃）
地下水温度（℃）
黑龙江、吉林、内蒙古的全部，辽宁的大部分，河北、山西、陕西偏北部分，宁夏偏东部分
4
6～10
北京、天津、山东全部，河北、山西、陕西的大部分，河北南部，甘肃、宁夏、辽宁的南部，青海偏东和江苏偏北的一小部分
4
10～15
上海、浙江全部，江西、安徽、江苏的大部分，福建北部，湖南、湖北东部，河南南部
5
15～20
广东、台湾全部，广西大部分，福建、云南、新疆
10～15
20
重庆、贵州全部，四川、云南的大部分，湖南、湖北的西部，陕西和甘肃秦岭以南地区，广西偏北的一小部分
7
15～20
参照下表，采用设计冷水水温为10℃。
✧三、数据计算
1.太阳能集热面积计算：
根据国家现行标准《太阳热水系统设计、安装及工程验收技术规范》GB/T18713-2002中的计算公式，计算过程如下：
1.1集热面积计算公式：
1.2系数含义:
◆
：
系统集热器采光面积，m²；
◆
：
日平均用水量，kg；
◆
：
水的定压比热容，kJ/（kg·℃）；
◆
：
贮热水箱内水的终止温度，℃；
◆
：
水的初始温度，℃；
◆
：
当地春分或秋分所在月集热器受热面上当月日平均太阳辐照量，kJ/m2；
◆
：
太阳能保证率，无量纲
◆
：
集热器全日集热效率，无量纲；
◆
:
管路及贮水箱热损失率，无量纲；
1.3系数取值：
◆
：
待计算；
◆
：
根据工程概况，设计用水总计15吨，合15000kg；
◆
：
4.18kJ/（kg·℃）；
◆
：
45℃；
◆
：
10℃；
◆
：
按照春秋天晴好天气下集热面上平均每天17000kJ/m²取值；
◆
：
根据国标，
按照80%进行取值。
◆
与
：
综合后即为系统效率，平均效率在45%以上，在此按照45%计算；
1.4初步计算结果：
经计算得出，太阳能系统需要集热面积为331.9m²；
1.5集热面积的确定与集热器摆放情况
天山太阳能TSL1500/50型集热器集热面积为6.25m²（合7.5m²）/块，经计算并取整后
系统实际集热面积为300m²，共计28组
集热器分为5层摆放共计8列。
集热器安装在三脚架上，集热器与地面夹角为45º。
集热器基础采用混凝土基础制成，混凝土含预埋件，预埋铁上焊接东西贯穿的国标槽钢，槽钢上焊接三脚架。
2.储热水箱容积的计算与水箱材质选择
2.1计算原则：
一般来说，对应于每平方米太阳集热器采光面积，需要的贮热水箱容积为15000L，通常情况下，推荐采用的比例关系通常为每平方米太阳集热器采光面积对应75L贮热水箱容积。
2.2水箱容积计算：
考虑到水箱容积的取整与水箱造价等因素，经选择，水箱容积应为15吨。
2.3水箱材质：
水箱内胆不锈钢制成，水箱外壳采用镀锌板模块制成，内胆与外壳之间进行保温，保温材质为聚氨酯发泡，厚度为80mm。
3.辅助加热能量计算与辅助能源形式选择
3.1一般太阳能采用电辅助加热，电蓄热式系统加热功率（节能运行）计算如下：
3.2参数含义与参数选择
◆
：
每加热一吨水的耗电量（KW），待计算；
◆
：
小时耗热量（W），太阳能系统经验参数为8550；
◆1000：
换算系数
◆
：
水加热设备效率：
一般按95%计算。
3.3计算结果
=9KW/吨水，总共约15吨水，则总电加热功率应为
15×9=135KW；
此加热功率按照4小时将水箱中的水温升40℃计算，则可适当减少，最低不得低于90KW。
3.4设计选型
选择电加热功率为90KW的电加热棒进行辅助加热。
✧四、系统投资经济评估
“保护环境、节约能源”是21世纪的永恒主题。
随着能源危机和环境污染的恶化，作为节能、环保、运行成本低的绿色能源产品——太阳能热水工程，可以取代煤锅炉、电锅炉、燃气炉，得到越来越多的投资者青睐。
太阳能热水工程主要特点是充分利用太阳能，节约常规能源的消耗。
1.节能效益高
太阳能是无限的能源，广泛存在，是取之不尽，用之不竭的。
只要有阳光，集热器即可进行光热转换，一年四季均可无偿使用，无需其它能源。
2.环保效益好
太阳能作为一种洁净的可再生能源，具有其他能源无可比拟的优点：
无环境污染，无CO2排放，无安全隐患，有利于环境保护。
3.经济效益显著
投资回报期短：
太阳能热水系统投资特点是初投资大，而运行费用低。
使用太阳能热水系统的目的是通过节能而减少常规能源的运行费用而获得收益的回报，以补偿太阳能初期投资，一般在2-6年就可收回全部投资。
4.使用寿命长
主要部件真空管使用寿命约为十五年左右，到期更换后，其它部件还可继续使用一个周期。
5.操作简单、维修方便
4.2经济效益分析
根据用户用水量要求，设计太阳能系统为15吨工程。
该表分析了电锅炉、燃气锅炉、燃油锅炉及太阳能+电辅等几种热水系统,以每天将15吨水从10℃升高到50℃所需能耗进行比较计算的能耗对比。
在此表中可以明显的体现太阳能+电辅的热水系统的经济优势。
1.总能量
系统每天将15吨10℃的水升温到50℃，总共耗费的能量为2.5×106kJ。
计算如下：
Q=Cpm△T＝4.18×10×103×（50－10）＝2.5×106kJ
式中：
Q—该热水系统运行需要的能量（kJ）
Cp—水的定压热容（Cp=4.18KJ/kg•℃）
△T—水的温升（即热水温度与基础水温之差）
m—水的
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