学生公寓太阳能热水系统.docx

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学生公寓太阳能热水系统

一、工程概况……………………………………………………………………………2

二、设计主要内容………………………………………………………………………2

三、安装地区的地理与自然条件分析：

………………………………………………3

四、太阳能系统设计依据………………………………………………………………8

五、太阳能系统设计方案………………………………………………………………10

六、太阳能热水系统节能效益…………………………………………………………14

七、参考文献……………………………………………………………………………14

一、工程概况

1.1工程概况

学生公寓太阳能热水应用项目地理位置、建筑类型、建筑面积、使用功能、面积等见表

表1学生公寓太阳能热水应用项目工程概况

项目名称

学生公寓太阳能热水应用项目

地理位置

项目位于东经98°29′，北纬39°46′，海拔2280-4622米

建筑类型

项目共包括1幢民用学生公寓楼，均为居住用6层建筑

二、设计主要内容

2.1目标

总目标：

将公寓楼建设成为太阳能热水系统工程，并实现太阳能热水系统与建筑的一体化，实现可再生能源的规模化应用。

太阳能热水系统可满足全年60％的生活热水要求。

2.2主要内容

主要内容为可再生能源太阳能在建筑上的一体化应用，项目主要采用集中集热、集中供热太阳能中央热水系统为学生提供生活热水。

内容主要围绕以下关键目标及指标展开：

（1）建筑节能目标≥65%。

（2）太阳能热水系统提供的热水占总热水消耗的60%以上。

太阳热水系统采用电加热系统作为辅助能源，通过采用太阳能热水系统，可以大大降低常规能源使用量，最大限度地利用太阳能，阴雨天或太阳能供热水不足部分由辅助电加热系统提供。

（3）太阳能集热器与平屋面的建筑结合，采用集中集热、集中供热式太阳能热水系统。

（4）采用集中集热集中供热实现太阳能热水系统的规模化应用，其中太阳能集热器采用真空管式集热器，使用寿命长达30年，后期运行维护方便。

·集热系统的设备利用率较高,设备的初投资略低,维护费用较低。

·不受楼层高低限制,并可以实现太阳能热能资源共享;

·可以根据楼面建筑情况灵活布局,最容易实现与建筑物相协调。

学生公寓所采用的围护结构如下：

（1）外墙

外墙主体结构采用240mm厚煤矸石多孔砖，外加80mm厚XPS聚苯板。

墙体围护结构的平均传热系数满足居住建筑节能标准规定的0.65W/（m2·k）的要求。

（2）外窗

外窗采用65系列铝塑密闭中空玻璃平开窗，南、北、东西面窗面比分别为0.36、0.23和0.07，传热系数均为2.5W/m2·K；满足居住建筑节能标准规定的3.20W/（m2·k）的要求。

（3）屋面

屋面主体结构采用120mm钢筋砭板，外加80mm厚XPS聚苯板，采用陶粒混凝土找坡，屋面平均传热系数为0.44W/m2·K；满足居住建筑节能标准规定的0.50W/（m2·k）的要求。

（4）其他部位保温

房屋一层地面采用30mm厚聚苯板，阴、阳台出沿部分外周均采用50mm聚苯板保温，非采暖间与采暖间的隔墙采用20mm厚XPS保温板。

对照表5可知，本项目中建筑围护结构的传热系数各项均符合节能建筑的要求。

三、安装地区的地理与自然条件分析：

酒泉属于我国二等太阳能辐照度地区，位于北纬39°43′，东经98°29′，海拔2280-4622米。

水平面年总辐射量5712MJ/（㎡·a），当地纬度倾角平面年总辐射量6873MJ/（㎡·a），年总日照小时数2776小时，年太阳能热水系统供应保证率推荐范围50％～60％。

学生公寓位于酒泉省本市，使用水源情况为市政自来水，根据上表选取地面水基础水温15℃。

1.技术设计方案

⑴方案论述

本项目学生公寓太阳能热水系统采用集中集热-分户储热-电加热辅助能源的系统。

该形式将集热器集中布置在屋顶,在屋面设置水箱间,并且在每家每户安装一台热、电两用太阳能水箱（水箱大小50—100L）。

太阳能集热器采集到的热量集中储存于屋顶设备间内的水箱中,并通过管网均匀输送到每家每户,不仅保证用户用热量均衡稳定,而且解决了物业收热水费用难的问题。

本项目学生公寓设计建设要求达到65%的节能设计标准根据项目特有的全高层建筑、立面及屋顶形式,选用了集中集热分户换热储热太阳能系统。

该建筑类型为多层学生公寓,有屋面均采用平屋面形式，每户一台换热式双能源水箱,每户使用自己的自来水和电辅助加热。

天气好日照足,太阳能集中系统提供热源,日照不足时,用户自己启动电辅助加热。

2.热水系统设计计算 

太阳能热水项目共包括1栋楼，均为6层居民楼，大概700人。

依据《建筑给水排水设计规范》（GB50015—2003），对于有集中热水供应和沐浴设备的学生公寓，热水温度按60℃计时，每人每日日用水定额为40-60L，日均用热水量30L/（人·天）。

根据下式计算热水量：

式中：

QW——日平均用热水量，（L）；

m——用水计算单位数（人数）；

qr——热水用水定额，

根据上述公式可以计算出每栋楼的日均用热水量：

。

=0.6ⅹ21000Ｌ=12600Ｌ

1栋楼共需要热水量为12600Ｌ

热水系统设计成直流式定温放水温差强制循环热水系统。

⑵系统使用要求：

用水方式：

24小时供应热水。

辅助能源：

采用电加热做为辅助加热能源

⑶系统集热面积的确定

直接系统集热器采光面积

集热器采光面积可根据用户的每日用水量和用水温度确定,按下式估算:

式中：

Ac—直接系统集热器采光面积，㎡；

Qw—户日均用水量，180㎏；

Cw—水的定压比热容，4.187kJ/（㎏·℃）；

tend—储水箱内水的终止温度，60℃（按最高用水设计）；

ti—水的初始温度，15℃（按春秋基础水温设计）；

Jt—当地春分或秋分所在集热器受热面上月均日辐照量Kj/㎡；

ƒ—太阳能保证率，；0.60

根据系统使用期内的太阳辐照、系统经济性及用户要求等因素综合考虑后确定；

ηcd—集热器全日集热效率，；0.40

根据经济值取0.40~0.55。

ηL—管路及储水箱热损失率，无量纲；0.20

根据经济值取0.2~0.25。

将对应的相关数据代人到以上公式AC=325.3㎡

即所需安装集热面积为325.3㎡

太阳能热水系统集热器面积学生公寓太阳能热水项目共计700人，每天需要热水12600Ｌ，共需集热器面积325.3平方米，每个屋顶面积均大于集热器所需面积，可以满足太阳能热水系统的使用要求。

3：

设备选型

1集热器：

（1）选用山东豪特太阳能有限公司生产的真空管集热器

（2）选型理由：

在民用学生公寓应用太阳能,工作的重中之重就是“安全”,所选用的集热器应能够抗寒、抗风、不漏水、不易破碎,耐高温。

集热模块采用豪特生产的HT-30D18热水工程专用模块，内胆采用进口SUS304-2B食品级不锈钢，其具体参数规格如下：

项目

参数

项目

参数

集热器尺寸

2100*2374*1550

集热器重量

150KG

真空管

30*1800

额定承压能力

0.12Mpa

采光面积

4.92㎡

所用真空管支数

30支

2水箱

用户换热水箱是储热的关键部件。

承压式不锈钢内胆水箱以其突出的抗腐蚀性、抗热变性,实现了热水器内胆的历史突破。

不锈钢内胆需要采用整体特殊拉伸与无缝焊接工艺,这样才能保证内胆不易漏水与吸瘪。

其主要优点如下：

● 超强力阳极镁棒：

“豪客”专用镁棒经过加长加粗设计,可软化水质,有效保护内胆。

加入不锈钢内芯,可保证不断裂,可分解在水内的水垢,呵护您的肌肤。

●净水内胆：

超厚不锈钢内胆不结垢,不腐蚀,抗吸瘪,不污染水质。

●九大保护：

防漏电,超压保护,超温保护,全自动温控保护,防干烧,防倒流,防溅,外壳安全保护,防结垢9重保护,让你洗浴更安全。

●冬季热损少：

储热水箱放置在室内,热损失比常规太阳能小很多。

●自动循环功能：

当集热器和水箱差大于设定值时自动开启循环泵,小于设定值时自动关闭循环泵。

●超大容量：

多路供水容量超大,热效益高。

能同时满足沐浴,汰洗,清洁,家务等多种热水需要,一机在家方便实惠。

3循环泵

由于该系统应用于民用学生公寓,要求系统的运行稳定性非常高,因此对选用的水泵产品要求较高,适用于本工程的水泵最终选定在威乐、格兰富水泵。

4.辅助能源设备：

  由于系统采用的是分户供热水系统,每家每户一台热、电两用热水器,因此系统不设置集中辅助热源,而是在每家每户的小水箱配备电加热,电加热功率和常规电热水器无异,1.5kW。

5控制柜型号及主要功能

控制柜主要功能：

1）太阳能加热控制

   太阳能加热采用温差循环控制：

通过检测集热器的温度与贮水箱中水温温度差来控制太阳能循环泵的启动和停止,不断加热贮水箱中的热水。

   2）用户水箱加热控制

用户水箱加热有两种方式：

   ①当太阳能充足时,通过检测贮水箱中水温和用户末端的温度差来控制一次热水循环换热泵的启动和停止,利用太阳能通过换热形式来加热用户热水水箱内的热水。

   ②当太阳能不足时,每户的储热水箱中都配有一个1.5KW的水电隔离的电加热,用户可以自行开启电加热加热热水。

   3）用户洗浴热水使用控制

本套系统的设计宗旨就是“为用户提供一个能够利用太阳能的高品质电热水器”,因此用户卫生间内的太阳能热水器在使用方式上与常规电热水器没有任何不同,可以承压使用,用户自付水费。

4：

工作原理图

四、太阳能系统设计依据

1、工程设计依据：

1）《全玻璃真空集热管》GB/T17049-1997

2）《真空管太阳集热器》GB/T17581-1998

3）《工业自动化仪表工程施工及验收规范》GBJ93-86

4）《建筑给水排水设计规范》GBJ15-88

5）《太阳能热水系统设计、安装及工程验收技术规范》GB/T18713-2002

6）《太阳能集热嚣热性能室内试验方法》GB／T18974—2003

7）《家用太阳能热水系统热性能试验方法》GB／T-18708—2002

8）《家用太阳热水系统安装、运行维护技术规范》NY／T651—2002

9）《钢结构设计规范》GB50017—2003

10）《建筑物防雷设计施工及验收规范》GB50057—94.2000版

11）《建筑结构荷载规范》GB50009_12001

12）《家用和类似用途电器的安全通用要求》GB4706.1-1998

13）《设备及管道保温技术通则》GB4272—1992

14）《真空管型太阳能集热技术条件》GB／T6424—200

15）《钢结构工程施工及验收规范》GBJ205—1983

16）《外壳防护等级（IP代码）》GB4208—1993

17）《建筑给排水及采暖工程施工质量验收规范》GB50242—2002

18）《生活饮用水输配水设备及防护材料的安全性评价标准》GB／T17219—1998

19）《建筑电气工程施工质量验收规范》GB50303—2002

2、安装地区的地理与自然条件分析：

酒泉属于我国二等太阳能辐照度地区，位于北纬39°46′′，东经98°29′，海拔2280-4622米。

水平面年总辐射量17980MJ/（㎡·a），当地纬度倾角平面年总辐射量6873MJ/（㎡·a），年总日照小时数2776小时，年太阳能热水系统供应保证率推荐范围50％～60％。

学生公寓位于酒泉省本市，使用水源情况为市政自来水，根据上表选取地面水基础水温15℃。

根据国家气象中心提供的《中国气象辐射资料年册》，采用观测站观测资料（观测站区站号52866，观测场海拔高度2295.2米）观测站月日均及年总辐射数据（单位MJ/㎡）：

月份

一月

二月

三月

四月

五月

六月

七月

八月

九月

十月

十一月

十二月

日均辐照量

9.36

12.70

17.44

17.67

20.37

21.08

20.46

19.29

13.69

13.65

10.28

8.09

年总

5605.73

3﹑工程材料的性能说明：

1）集热元件性能（高硼硅真空镀膜集热管）：

集热管的寿命长，经法国镀膜专家检测吸收率高达95%以上，比普通集热管提高了13%，集热效率达到了欧美发达国家先进水平。

集热元件性能

名称

性能参数

国家标准

吸收涂层的太阳吸收率

α≥0.95

α≥0.86

半球发射率

ε≤0.064

ε≤0.09（80℃±5℃）

闷晒性能参数

H≤2.639MJ/㎡

H≤3.8MJ/㎡

空晒性能参数

Y≥415.51㎡℃/KW

Y≥175㎡℃/KW

平均热损系数

ULT﹤0.53W/㎡℃

ULT﹤0.90W/㎡℃

①内胆采用进口SUS304-2B食品级不锈钢，经过等离子氩气保护自动焊焊接成型，质量更稳定。

②内胆与水嘴间焊接而成，避免了该部位产生漏水的可能。

③它的内腔较小，能够使水温快速升高；保温层采用聚氨脂高压整体发泡而成。

④外壳采用优质彩钢板，表面喷塑，外形美观，防腐耐用。

⑤尾托采用铝合金尾托，与真空管一一对应，防腐耐用，寿命更长。

⑥采用我公司自己生产的“三高管”作集热元件，具有很高的抗冲击性和耐高寒、抗高温和高吸收率的特点。

2）循环系统：

循环管路采用标准饮用水热镀锌管道,管件采用国内优质管件，阀门采用国家免检产品；循环泵采用德国进口顶级泵，低噪音、高效率，外形美观等特点。

3）控制系统：

采用工程专用仪表与优质电器组合而成，实现了强弱电分离，更能满足太阳能系统的应用功能。

采用我公司研制生产的定温智能微电脑控制系统，可实现水温、水位、电辅助加热自动控制、自动用热水等功能。

4）储热系统：

内胆采用SUS304-2B食品级不锈钢，采用模板冲压而成，现场焊接，由厚聚氨酯一次性发泡成型，寿命长且使水质纯净。

外皮采用不锈钢板防护，中间聚氨脂保温，厚度60mm,保温性能优异。

5）支撑架采用4mm*4mm镀锌角钢（国标），表面进行防腐处理，强度高寿命长。

五、太阳能系统设计方案

太阳能热水项目共包括29栋楼，A、B、C、D四种户型，均为6层居民楼。

户型、楼号分布、户型面积见表8。

依据《建筑给水排水设计规范》（GB50015—2003），对于有集中热水供应和沐浴设备的学生公寓，热水温度按60℃计时，每人每日日用水定额为40-60L，按每户3人计算，日均用热水量60L/（人·天），共计988户。

根据下式计算热水量

式中：

QW——日平均用热水量，（L）；

m——用水计算单位数（人数）；

qr——热水用水定额，

根据上述公式可以计算出每栋楼的日均用热水量。

29栋楼共需要热水量为177.84吨，热水系统设计成直流式定温放水温差强制循环热水系统。

2、系统使用要求：

用水方式：

24小时供应热水。

辅助能源：

采用电加热做为辅助加热能源

3﹑集热单元产品型号说明

系统集热面积的确定

直接系统集热器采光面积

集热器采光面积可根据用户的每日用水量和用水温度确定,按下式估算:

式中：

Ac—直接系统集热器采光面积，㎡；

Qw—户日均用水量，180㎏；

Cw—水的定压比热容，4.18kJ/（㎏·℃）；

tend—储水箱内水的终止温度，60℃（按最高用水设计）；

ti—水的初始温度，15℃（按春秋基础水温设计）；

Jt—当地春分或秋分所在集热器受热面上月均日辐照量，17730Kj/㎡；

ƒ—太阳能保证率，无量纲；0.60

根据系统使用期内的太阳辐照、系统经济性及用户要求等因素综合考虑后确定；

ηcd—集热器全日集热效率，无量纲；0.40

根据经济值取0.40~0.55。

ηL—管路及储水箱热损失率，无量纲；0.20

根据经济值取0.2~0.25。

将对应的相关数据代人到以上公式AC=325.3㎡

即每户所需安装集热面积为325.3㎡

4、太阳能集热系统运行原理及功能：

系统功能及组成：

本工程由HT-30D18型真空管联接式太阳能集热模块，循环系统、防冻循环系统、自动补水系统、支撑系统、储热系统、辅助加热系统、控制系统、保温系统组合而成。

根据工程面积、现场条件，采用自然循环与强制循环，具有高效节能、升温迅速、供水量大、使用方便、降低成本等特点，真正做到了太阳能集热系统与建筑完美结合，系统特点：

1、集热系统最大值光热转换

2、系统采用强制循环原理，全玻璃真空太阳集热管集热效率更高。

3、全玻璃太阳能真空集热联集器中介质水若采用热媒介质传导，该系统可以在零下35摄氏度环境下正常运行。

4、水箱可分为承压式和非承压式，可以防止在任何位置。

5、冬季为防止循环系统冻裂，系统设有低温保护功能。

6、集热器的真空管组合可分为横向和竖向排列。

7、以上集热系统布置方式既可整栋楼安装，也可单元或单户安装。

8、集热器安装在平、斜屋面上，外观整齐，美观，真正做到了太阳能与建筑融为一体。

9、由于集热器紧贴屋面安装，故抗风性能好。

10、该控制系统采用先进的PLC全智能化控制，真正实现365天随心所“浴”。

1）太阳能集热循环系统：

制热水模式

本系统采用温差循环方案设计：

当水箱水位低于20%时，自动打开上水电磁阀，水位达到100%时，电磁阀自动关闭；在太阳光的照射下集热器温度不断升高，当集热器中温度（探头1检测，控制柜可显示）高于小水箱中温度，温差达到设定值时，自动开启循环泵，将热水顶入小水箱，当温差设定值时，循环泵停止工作。

当循环加热水箱温度达到设定温度上限时，自动开启补水泵，热水流入储热水箱（6吨），当循环加热水箱温度达到设定温度下限时，自动关闭补水泵，水位降至20%时，自动上水后再一次循环。

2）辅助加热系统：

当水温不足或阳光不足时，启动辅助加热系统，来满足用水量。

在储热水箱安装温度探测器，通过智能控制系统控制使储热水箱保持恒温状态（可设定值），当感测到的储热水箱水温低于下限设定温度时，自动启循环泵将水抽入循环加热水箱进行加热，达到上限设定温度时，自动关闭辅助加热系统。

在储热水箱安装水位探测器，通过智能控制系统控制使储热水箱保持一定的水量，当储热水箱水位低于20%时，自动开启辅助加热系统，当储热水箱水位达到20%（可设定值）时，自动关闭辅助加热系统。

3）管路循环功能：

（储热水箱和室内管路）

减少水的浪费，一开水嘴就有热水，需安回水管路，采用温控定时循环功能。

在回水管道上安装管道循环泵和温度传感器，当回水温度低于30度，回水管道循环泵自动打开，将管路内的低温水循环至循环加热水箱，当回水温度达到35度时，供水管道循环泵停止工作。

4）智能系统（此系统实现24小时无人值守）：

水温显示系统将温控仪探头设置在贮热水箱用水口处，用户可以通过智能显示系统温度显示仪随时观察到贮热水箱的热水温度。

1.小水箱温度显示——0-99℃

2.大水箱温度显示——0-99℃

3.集热器温度显示——0-99℃

4.防冻循环温度显示——0-99℃

5.温控伴热带（5℃开/10℃关）

水位显示系统在贮热水箱内设置了水位探头，用户可以通过智能显示系统上的水位随时观察到贮热水箱的水量，当水位到达或超过1/4水位时，1/4水位指示灯亮；当水位达到或超过2/4水位时，2/4水位指示灯亮；当水位达到或超过3/4水位时，3/4水位指示灯亮；当水位达到满水位时，满水位指示灯亮。

1.小水箱水位显示——4个水位

2.大水箱水位显示——4个水位

水位控制系统配置的水位仪，在1/4水位和满水位，具有自动控制功能。

当储水箱水位达到和超过1/4水位时，1/4水位的常开接头闭合，常闭接头断开；反之当储水箱水位低于满水位时，满水位和1/4水位的常开、常闭接头分别恢复原状

常规功能：

1.自动（手动）上水关水

2.自动（手动）温差循环功能

3.自动（手动）温控补水（带延时）功能

4.自动（手动）防冻循环功能

特殊功能

1.辅助电加热，自动手动定时（防干烧）

2.管道循环温度显示0-99℃

3.自动手动管道循环功能，即出热水

4.补水断电

功能特点：

整套工程系统具有自动上水，无人值守，水电隔离等特点。

5）防冻、防雷击系统：

（循环加热水箱和集热器）

为了防止冬季管道被冻，影响系统正常使用，本系统采用管路防冻循环，通过智能控制系统自动控制，即当管道温度低于5℃（可设定）时，自动启动循环泵，温度达到10℃（可设定）时自动关闭循环泵。

也可以系统与楼顶避雷器相连接，以防雷击。

6）管道保温系统；

管道保温均采用30mm橡塑管保温，外包铝箔胶带，防止老化，保温性能良好。

7）太阳能集热系统管网设计：

水泵的选型：

根椐集热面积而定，保证流量在0.015-0.02L/㎡

进集热系统管管径：

管径应与并联组数的截面积总和相适应，出集热系统管径：

最好比进集热系统管管径大一号，热水管道中的流速：

一般采用0.8-1.5m/s。

8）防空晒：

太阳能热水系统设计时考虑到系统的空晒问题，将设计循环水箱高于集热模块，起到自动补水的目的，从而达到防空晒。

5、系统运行原理及维护

六．太阳能热水系统节能效益

本系统每年节能量折合标准煤为7.36t，电为辅助热源，二氧化碳排放因子为0.866，二氧化硫排放因子为0.02，烟尘排放因子为0.01。

则太阳能热水系统寿命期内：

二氧化碳减排量为350.52t，二氧化硫减排量为2.21t，烟尘减排量为1.10t.

七．参考文献

[1]、GB/T12936《太阳能热利用术语》

[2]、GB50015-2003《建筑给水排水设计规范》

[3]、GB50364-2005《民用建筑太阳能热水系统应用技术规范》

[4]、《大中型太阳能热水器研究与利用》谢列先《广西节能》2001（3）

[5]、GB18713-2002《太阳能热水系统设计、安装及工程验收技术规范》

[6]、06SS128《太阳能集中热水系统选用与安装》

[7]、《广东省太阳能热水系统通用技术规范》

[8]、《太阳能热水系统手册》袁家普主编北京化学工业出版社2008.12

[9]《太阳能热水系统与建筑一体化的实践与设计体会》袁新毓《太阳能建筑》