珠海某酒店太阳能热水系统设计.docx
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珠海某酒店太阳能热水系统设计
珠海某酒店太阳能热水系统设计
珠海某酒店太阳能热水系统设计
摘要
目前，中国城市化的进程日新月异，而整个建筑行业在这个过程中需要消耗的能源尤为巨大，可以达到整个国家行业能源总耗的24%~29%。
依照欧美国家的城市化发展历史，随着整个国家城市化的高速发展，建筑行业的能耗一定会远远超出化学、运输、工业等其他行业，成为社会能耗的首位，最终占到整个国家总行业能源消耗的33.5%以上，而全球总能耗的1/4才能满足中国城镇与农村建筑的能耗需求。
所以，中国目前的节能工作属于重中之重，是解决国家能源供给和经济发展能耗需求的不平衡矛盾的最有效措施之一。
太阳能是当今环保安全、绿色无污染的可再生能源之一，资源总量巨大，是地球已探测煤炭储量的1.7亿倍，而且分布广泛，与建筑能源的品位需求相符合。
但由于中国当今太阳能热水系统的发展起步较晚，还处于摸索阶段，对于应用产品的质量也参差不齐，在没有统一规范的情况下，不同厂家生产出来的产品在规格，尺寸，具体参数上有较大差异，再加上客户的需求往往不尽相同，因此，根据具体酒店设计相对应的太阳能热水系统对于其实际应用至关重要。
本此设计中的酒店采用的为闭式强制循环、间接加热系统，通过利用太阳能热水传递热量，当太阳能资源丰富时将冷水加热，直至达到所设计的热水温度后供给用户使用；同时增加空气源热泵作为辅助热源，在太阳能资源匮乏时由辅助热源来加热冷水。
此太阳能系统包含:
集热系统、换热系统、储热系统、热水系统以及辅助热源。
关键词：
太阳能应用；集热器；热水系统；热泵；
DesignofsolarwaterheatingsystemforahotelinZhuhai
Abstract
Atpresent,China'srapidurbanizationprocess,theentireconstructionindustryintheprocessofenergyconsumptionisparticularlyhuge,canreachthenationalindustrialenergyconsumptionof24%-29%.Fromtheperspectiveofthehistoryofurbanization,withtherapiddevelopmentofurbanizationinEuropeandtheUnitedStates,buildingenergyconsumptionwillfarexceedthatofchemical,transportation,industrialandotherindustries,andbecomethelargestenergyconsumptioninthesociety,exceeding33.5%ofotherindustries.Industrialenergyconsumptionaccountsforonlyaquarteroftheworld'stotalenergyconsumption,meetingtheneedsofurbanandruraldevelopment.Therefore,China'scurrentenergyconservationworkisthetoppriority,anditisoneofthemosteffectivemeasurestosolvetheimbalancebetweenthenationalenergysupplyandtheenergyconsumptiondemandofeconomicdevelopment.Solarenergyisakindofenvironmentalfriendly,safe,greenandpollution-freerenewableenergy.Thetotalamountofresourcesishuge,whichis170milliontimesoftheearth'sexploredcoalreserves,andwidelydistributed,whichisconsistentwiththegradedemandofbuildingenergy.However,asthedevelopmentofsolarhotwatersysteminChinastartslateandisstillintheexploratorystage,thequalityofappliedproductsisalsouneven.Intheabsenceofaunifiedspecification,differentmanufacturersproduceproductsinthespecification,size,specificparametersandotheraspectsoflargedifferences,customerdemandisoftendifferent.Therefore,accordingtothespecifichoteldesign,thecorrespondingSolarwaterheatingsystemisveryimportantforitspracticalapplication.
Thehotelinthisdesignadoptsclosedforcedcirculationandindirectheatingsystem,whichtransfersheatbyusingsolarhotwater.Whensolarenergyresourcesareabundant,coldwaterwillbeheateduntilthedesignedhotwatertemperatureisreached,andthenitwillbesuppliedtousers.Atthesametime,airsourceheatpumpwillbeaddedasauxiliaryheatsourcetoheatcoldwaterwhensolarenergyresourcesarescarce.Thesolarenergysystemincludes:
heatcollectionsystem,heatexchangesystem,heatstoragesystem,hotwatersystemandauxiliaryheatsource.
Keywords:
solarenergyapplication;collector;hotwatersystem;heatpump;
1.前言
随着科技与经济的不断进步发展，煤、石油和天然气等化石能源的紧缺和环保危机的日益严峻，人们对绿色清洁能源的使用需求日益增大。
与此同时，国际上环保组织和民众们对要求二氧化碳等温室气体减排的呼声高涨，人们对清洁能源利用观念也不断增长。
而作为最重要的绿色、环保的可再生能源之一，太阳能也在全世界范围内得到广泛而积极的研究、发展和推广。
1.1太阳能热水系统发展状况
瑞士科学家贺拉斯在1767年发明了世界上第一个太阳能集热器。
美国发明家约翰·肯普在1891年发明了世界上首台闷晒型太阳能热水器。
美国天体物理学家查尔斯·格里利·阿尔伯特在1936年发明了世界上首台太阳能热水器。
1941年，佛罗里达州大约有6万台太阳能热水器开始使用。
到20世纪70年代末，全世界使用的太阳能热水器超过300万台。
太阳能热水系统在美国、澳大利亚、日本、德国、以色列等欧美国家都有较大的发展。
在日本，从1980年到1985年，政府为1000万户家庭安装了太阳能热水器。
到1990年，日本东京约有150万幢建筑物安装了太阳能热水器。
在以色列，大约30%的家庭有太阳能热水器。
1990年，法国在200万幢建筑物中安装了太阳能热水器。
在美国有超过500万的家庭使用太阳能热水器。
过去10年，欧洲家庭和酒店的太阳能热水系统安装数量增长了约18.6%，预计未来10年将增长23%。
2010年，欧盟计划安装1亿m2的太阳能热水器，欧洲太阳能协会预计，到2020年，欧洲太阳能热水器的面积将达到14亿m2。
中国太阳能热水器的发展可以追溯到1958年，天津大学有一个12.6m2的太阳能实验室。
20世纪70年代，国家开始发展太阳能，但生产规模较小，技术水平相对落后。
20世纪90年代，我国基本建立了热管式真空管集热器和全玻璃式真空管集热器的生产和工业体系，标志着我国太阳能热水器的发展和应用达到了一个新的水平。
20世纪90年代末，家庭住宅的商业化和家用热水需求的巨大增长，为太阳能热水系统的开发和应用提供了广阔的市场。
2007年，全国太阳能热水器产量达到2300万m2，太阳能热水系统及相关行业销售额超过318亿元。
目前，中国太阳能热水器年产量约为欧美国家的2-4倍，已成为世界上最大的太阳能热水器市场和生产国。
太阳能热水器行业也在规模和产量上也处于世界领先地位[1]。
1.2本设计的具体内容
本设计采用的太阳能系统严格依照《民用建筑太阳能热水系统应用技术规范》GB50364-2005规定，根据建筑形式设计、辅助能源、热水需求等条件，采取集中供热、强制循环热水系统，采用全日制自动系统，增加空气源热泵用以辅助供热，保证酒店全天热水供应。
设计的酒店为三星级酒店，对水压和水质有一定要求。
为了使冷热水压力保持一致，热水压力需要通过间接加热的方式来保护供热系统和集热系统的水质，防止水温度时冷时热和直接供水引起的水压不平衡。
为了保持供水压力平衡，冷水区应与热水系统的供水源位于同一区域。
综上所述，本次设计中的闭式强制循环间接加热系统，以太阳能热水为传热介质，在太阳能辐射充足时对冷水进行加热，达到系统设定的温度后直接向用户供热水。
同时，在太阳能不足的情况下，选用热泵作为辅助热源对冷水进行加热。
珠海市自来水硬度参数为34-165mg/m2，达到《太阳能热水系统技术规范》（cb50364-2005）的要求。
本次设计的太阳能热水系统主要包括：
集热设备、储热设备、换热设备及辅助热源[2]。
具体内容包括：
1、查阅相关文献和资料，进行主要设备的选型设计以及安装说明；
2、对系统进行相关水力与热力的设计计算；
3、选取合适的辅助热源并进行相关计算；
4、绘制相关图纸并标注；
5、撰写设计说明以及总结报告。
2.概论
2.1设计系统要求
在本次设计中要求对珠海市某酒店太阳能热水系统进行设计，并辅以空气源热泵，要求同时满足酒店内人员全年的热水需求。
在太阳能充足的情况时，通过太阳能对用户的热水一部分进行直接供应，剩下部分则由空气源热泵系统承担。
在太阳能不充足的情况时，空气源热泵负责全负荷承担加热，保证酒店热水的24h持续供应。
2.2地理情况
珠海市位于广东省南部，处于北纬21°—22°、东经113°—14°。
珠海市坐落于珠江河流口的西侧，临近中国南海海域，是亚热带季风海洋性气候。
1976～2002的年平均气温达到22.5℃，气温终年偏高；气候相对湿润，年平均湿度达到80%；雨量充足，年平均降雨量约为2061.9毫米。
2.3太阳能资源情况
珠海市太阳能辐射资源分布情况如下：
表2.1珠海地区近30年来各月的平均辐射量
图2.1珠海各地区年平均辐射量[3]
由于酒店选址在市中心附近，位于香洲区，所以取年平均辐射量为5040
J/cm2。
由表2.3可知酒店位于太阳能资源区中的资源一般区，生活热水系统中太阳能保证率处于0.4~0.5之间。
表2.2不同太阳能资源区太阳能保证率表[4]
资源区划
年太阳能辐照量
太阳能保证率
资源丰富区
≥6700
≥60%
资源较富区
50%~60%
资源一般区
40%~50%
资源贫乏区
≤4200
≤40%
2.4建筑结构
珠海市某酒店一共13楼，占地面积约1160m2，建筑总面积约17800m2。
一层为酒店大堂，二至十三层为客房区域，每层有12间房间，层高均为3m，共有144个房间。
酒店内布局如下：
图2.2酒店一楼平面图
图2.3酒店二至十三楼平面图
3.系统设计
3.1系统原理
对于本设计中太阳能热水系统，以太阳能来承担所需的一定热负荷，剩下则交由增加的辅助热源承担。
设计上由集热器承担45%~50%的热负荷，剩下交由额外的一台辅助热泵承担，另外还需预备一台空气源辅助热泵以防以意外情况。
安装上利用楼顶的闲置，安装太阳能集热器，空气源热泵和储热水箱等，热水方向由顶楼往下供应[5]。
3.2系统运行流程
（1）当集热器底端的温度感应器察觉到温度低于5℃时，循环水泵将开启防冻循环。
（2）当储热水箱中的水温未达到设计要求时，系统启动空气源热泵开始同时加热，温度加热到设计温度时运行停止。
（3）当屋顶集热器在集热时出现温度过高的现象时，中心控制系统将集热器阀打开，把储热水箱中的冷水输送至集热器内，集热器中较热的水输送至储热水箱，在集热器水温降至合理范围后，关闭水阀，一次循环加热完成。
（4）当集热器水箱的没有充满而水温达到设计水温时，中心控制系统集热器控制水阀开放，将集热器中的热水输送至蓄热水箱；当集热器水温未达到设计温度，集热器的水阀关上，再次进行集热和顶水，直至水箱水位全满，随后改为温差循环。
（5）当高温储热水箱的水位到达下限水位或在其以下时，控制器将控制热水补偿泵把低温水输送至水箱，在上限处停止。
这种装满冷水的方法不会一次装满。
优点提高太阳能的利用效率，减少热泵不必要的运行启动和功率消耗，保证在耗水量高峰时水量的稳定。
冷水补给控制系统同时采用浮球双重控制和电磁阀，当水位传感器发生意外故障时，也不会出现大范围的跑水现象。
（6）为防止冬季出现冻结现象，当集热器中的水和室外管路温度过低时，集热器循环泵被打开，向室外集热系统放出热量，保证系统不因此冻结。
图3.1酒店生活热水系统原理图
4.生活热水系统
4.1生活热水负荷
酒店一共13楼，一楼为酒店大堂，每层12间房间，均高为3m，共有144个房间。
4.2生活热水负荷原理
根据《建筑给水排水设计规范》（GB50015-2003·2009年版），查找在本次设计的酒店客房人均用水量。
表4.1热水定额表[6]
序号
建筑物名称
单位
最高日用水定额（L）
使用时间（h）
1
住宅
有自备热水供应和沐浴设备
有集中热水供应和沐浴设备
每人
每日
40～80
60～100
24
2
别墅
每人每日
70～110
24
3
酒店式公寓
每人每日
80~100
24
4
宿舍
Ⅰ类，Ⅱ类
Ⅲ类，Ⅳ类
每人每日
每人每日
70~100
40~80
24小时或定时供应
5
招待所、培训中心、普通旅馆
设置公用盥洗室
设置公用盥洗室、淋浴室
设置公用盥洗室、沐浴室、洗衣室
设置单独卫生间、公用洗衣室
每人每日
每人每日
每人每日
每人每日
25～40
40～60
50～80
60～100
24或定时供应
6
宾馆客房
旅客
员工
每床位每日
每人每日
120～160
40～50
24
7
医院住院部
设置公用盥洗室
设置用盥洗室、沐浴室
设置单独卫生间
医务人员
门诊部、诊疗所
疗养院、休养所住房部
每床位每日
每床位每日
每床位每日每人每班
每病人每次
每床位每日
60～100
70～130
110～200
70～130
7～13
100～160
24
8
24
8
养老院
每床位每日
50～70
24
9
幼儿园、托儿所
有住宿
无住宿
每儿童每日
每儿童每日
20～40
10～15
24
10
10
公共浴室
淋浴
沐浴、浴盆
桑拿浴（沐浴、按摩池）
每顾客每次
每顾客每次
每顾客每次
40～60
60～80
70～100
12
11
理发室、美容院
每顾客每次
10～15
12
12
洗衣房
每千克干衣
15～30
8
13
餐饮厅
营业餐厅
快餐店、职工及学生食堂
酒吧，咖啡厅、茶座、卡拉OK房
每顾客每次
每顾客每次
每顾客每次
15～20
7～10
3～8
10～12
11
18
14
办公楼
每人每班
5～10
8
15
健身中心
每人每次
15～25
12
16
体育场（馆）
运动员淋浴
每人每次
25～35
4
17
会议厅
每座位每次
2～3
4
本次设计为旅店客房，选用150L/（日·床）。
建筑情况：
酒店住客区一共十二层，每层有12间，包括套房2间，标准房10间。
用水情况：
热水全天供应。
根据《建筑给水排水规范2010》中设计热水水箱温度60℃，设计基础冷水温度同从上述表中查找到为20℃[6]。
每天每个房间使用热水量150L，选用管道循环，不额外设置管道增压。
表4.2冷水温度表
4.3生活热水量计算
根据每人用水
50L/（每床位·每日），一共有144个房间，可得总热水量为21600L。
旅馆与宾馆的客房（不含员工）建筑中的太阳能热水系统的集中热水供应的设计小时耗热量可以使用下列公式计算：
表4.3旅馆的热水小时变化系数K值
计算得
d=234890.7W
设计小时热水量计算公式为：
计算得qrh=1402.5L/h
4.4集热面积确定
集中供热方式的太阳能热水系统的集热总面积计算可以根据用户用水温度以及日平均用水量得出，公式如下：
计算结果为：
热水辅助面积：
c=267.51m²
4.5集热器选型设计
市面上集热器分类主要有真空管型集热器和平板集热器。
真空管集热器分类有：
全玻璃集热器、热管式集热器以及U型管集热器。
平板太阳能集热器是中国最早使用的太阳能集热器之一。
但由于集电板制造技术的不断提高，其市场份额逐渐下降，具有以下特点：
表4.3平板集热器的特点
图4.1平板集热器示意图
真空集热器中的吸热部件不同于板式集热器中的吸热部件。
它们是真空管，具有下列特点:
真空管中的真空层几乎没有热传导和对流，具有良好的保温能力，热损失很小。
真空收集管为圆柱形的管道，保证了太阳从不同入射角入射时有效截面不变，热效率极高，具有一定的追踪效能，使早晚阳光的部分入射角较小但仍能保证一定的热量[7]。
真空管集热器的种类和所具有的优缺点：
表4.4真空管集热器种类和大致优缺点
全玻璃真空管集热器
U型管集热器
热管式集热器
优点
直接对水进行加热，热效率高；寿命长，成本低廉；适用范围广大，在零下三十度环境中依旧可以运作
水质安全可靠，换热简洁，可以承压运行，系统稳定，使用寿命最长
系统稳定，热效率最高，
缺点
体积庞大，易结水垢，不能承压运行
成本最昂贵
对真空度要求高，材料价格昂贵，寿命短，成本高
图4.2全玻璃真空管内部示意图
图4.3全玻璃真空管外观示意图
目前市面中各种类型集热器占有额也有较大区别：
平板集热器只有不到20%的市场占有率，真空管集热器则达到80%以上，占据绝对的市场份额。
综上所述，全玻璃真空管式清华阳光SLL-4715/60为本次设计拟采用的真空管，其集热面积有7.5m²，即用到35.6块集热板，取整为36块集热板。
图4.4清华阳光SLL-4715/60型集热器的外观图
表4.5集热板型号
表4.6真空管相关参数
4.6集热系统相关布置
4.6.1太阳能集热器的布置朝向
太阳能集热器的布置需遵循以下原则：
表4.7太阳能集热器放置要求
3.6.2太阳能集热器的布置角度
本设计选用的太阳能集热系统，引用全国各地主要城市太阳辐射强度与之匹配的集热器最佳倾斜角的资料可得[8]
表4.8不同地区的最佳倾角及其所对应年辐射总量[9]
由图得选择广州最佳安装倾斜角18度。
此时集热器安装最高点高度为400mm。
4.6.1集热器布置间距
集热器前后排之间的布置距离可以下式计算：
计算得Dmax=0.4Xcot73o=0.12m，Dmin=0.4Xcot26o=0.8m
设计安排36块集热板安装在楼顶进行太阳能集热，将集热板布置在酒店顶楼左侧，集热板布置图如下：
图4.5集热板顶层布置图
5.储热水箱的相关设计
5.1储热水箱在集热系统中的作用
储热水箱应根据所采用集热系统的形式、规模大小以及辅助热源的特点，确定所需用水量。
太阳能热水系统的储热水箱必须保温处理，减少和环境的换热，其容积由所用的太阳能集热器总面积所确定。
5.2储热水箱的分类
根据系统中储热水箱的数量，太阳能热水系统可分为单罐式和双罐式。
单罐热水系统具有所需装置少、占用空间较少、前期投入小、后期操作方便安全、有较高的空间利用率等优点，得到了广泛的应用。
图5.1单罐式热水系统安装示意图
由于系统耗水量大，所以采用了强制循环直接式单罐系统。
为了更加合理得空间，减少热损，在屋顶上安装储热水箱。
5.3储热水箱的工作过程
储热水箱完整的工作过程大致有三个：
蓄热阶段、保温阶段和放热阶段。
表5.1储热水箱的工作过程及原理[10]
蓄热阶段
低温水储存在水箱中。
泵使水从水箱下部流出，并通过集热器加热。
然后从收集器的顶部回流到储热水箱中。
此时，高温水与低温水在蓄热水箱内混合，形成罐内的高温区、低温区以及过渡区。
高温区位于水箱的上部，内有自集热器的高温热水。
低温区位于水箱下部，是输送给集热器的低温水。
中间是过渡区，空间占比很小，其温度梯度较大，从高温区下降至低温区。
随着过程，高温区范围会渐渐扩大，低温区范围渐渐缩小，过渡区往下面移动。
结束阶段：
高温区完全占满水箱空间
保温阶段
水箱内部的热水温度环境温度要高，主要热量散失方式是水通过壁面向外界散失热量，产生自然对流。
放热阶段
热水从水箱的上部流出，经过换热器的热量交换，温度下降，从水箱下部流回水箱。
高温区逐渐减小，低温区逐渐扩大，过渡区向上移动。
在释热阶段结束后，水箱内部为完全低温区。
图5.2储热水箱大致运行过程
5.4储热水箱的相关参数运算
因为太阳能在各个时段的分布上不平衡，使得太阳能热水系统的集热部分无法完全满足小时热水的设计要求，尤其是在夜间。
为了完善这一缺点，根据用户使用热水的规律，设计出在集热系统不能正常运行时，能够储存足够用户使用的热水水箱，并计算
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