太阳能供暖系统方案1.docx
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太阳能供暖系统方案1
太阳能采暖系统
方
案
书
项目名称：
太阳能采暖系统方案
设计单位：
上海暖嘉供热工程有限公司
地址：
上海市场中路3658弄39号
电话：
400-021-1202
设计时间：
2014年6月10日
工程编号：
NJ201406010
1、工程概述与要求
1.1某办公楼，面积5800平方米。
现设计用供热部分为太阳能系统辅助热源采暖。
鉴于该太阳能采暖系统用于某办公楼特点，方案设计应充分考虑以下问题：
1.2系统应保证全天24小时供应采暖，以方便使用和管理；并考虑在采暖用量突然显著增多的特殊用水情况下，确保采暖的供应；
1.3系统应配置辅助加热设施，以解决阴雨天或太阳能不足时的采暖供应问题；同时应优先利用太阳能加热，以达到节能降耗的目的；
1.4应结合系统所处地域特点，考虑冬季防冻等相关问题；
1.5在保证质量及使用要求前提下应尽可能降低造价，提高系统性价比。
2、系统基本设计
2.1根据改地区全年气温温差大的特点，选用热效率高、经济实惠的玻璃-金属真空管式太阳集热器。
2.2采用太阳能与联合供采暖的系统方案，并优先利用太阳能。
当阴雨天或太阳能不足时，用采暖系统辅助加热补充采暖，并充分利用太阳能，最大限度地减少用气量，降低运行费用。
2.3太阳能系统设计为直流式定温放水太阳采暖系统，达到充分利用太阳能。
直流式系统分虹吸式和定温放水型。
定温放水型特别适合大型太阳能采暖装置，布置也较为灵活，缺点是要求性能可靠的电磁阀和控制器，从而使系统较为复杂，在当前的技术条件下，值得推广。
直流式采暖系统按控制方式有3种：
一是流量控制式，适用于大面积系统。
当水压不足时为克服管道阻力可在系统中加入小型水泵。
二是温控阀控制式（或膨胀阀控制式）适用于小面积
直流采暖系统。
该系统因不用常规能源又获得较多的系统效率而得到用户的欢迎。
三是电磁阀控制式，大小面积都适用，但还未有专用电磁阀。
2.4冬季管路防冻采用低温时水泵自动循环和自限温伴热带自动启动的双重防冻设计，防止管路结冰冻坏。
2.5采用工业级CPU可编程电脑控制器，实现太阳能系统的全自动化、智能化，确保控制系统的可靠性，实现自动化运行，并可以根据用户的实际需要修改控制程序，使太阳能系统实现真正意义上的全自动控制和智能化管理。
2.6采暖供应采用变频增压循环供水方式，为了减少采暖循环的热损失，在采暖回水末端加装一个可根据管道水温自动控制的电磁阀。
当管道温度低于40℃时，电磁阀自动打开；当采暖循环使管道水温达到水箱水温时，电磁阀自动关闭。
综上所述，不同类型的产品各有其优缺点。
我们认为：
选择全玻璃真空管太阳集热器比较合适，热效率高，经济实用，是目前国内市场普遍使用,生产成熟的产品。
3、系统运行原理
系统运行原理如上图所示。
3.1正常情况下，太阳能定温加热在光照条件下，当太阳集热器内水温达到设定水温时（可在0～100℃之间任意设定，一般设定在45～55℃之间），电脑控制器使供冷水电磁阀自动打开，自来水进入太阳集热器底部，同时将太阳集热器顶部达到设定温度的采暖顶入储采暖箱；当太阳集热器顶部水温低于设定温度时（一般定在40～45℃之间），电脑控制器使供冷水电磁阀自动关闭。
如此运行，不断将达到设定温度的采暖顶入储采暖箱储存。
3.2储采暖箱满水位时，太阳能温差循环加热当储采暖箱水满时，为了防止水满溢流，电脑控制器使太阳能系统自动转入温差循环。
当太阳能集热器水温高于储采暖箱水温时，循环水泵自动启动，将储采暖箱内较低温度的水泵入太阳能集热器继续加热，同时将太阳能集热器内较高温度的采暖顶入储采暖箱。
通过使储采暖箱水温升高的方法储存太阳能集热器吸收的太阳能。
当用户使用采暖，使储采暖箱水位下降后，电脑控制器使太阳能系统自动转入定温加热。
3.3太阳能不足时，自动启动辅助加热电脑控制器将随时监测储采暖箱水温，当水箱水温达不到使用要求时，自动启动燃气采暖器并联系统加热，以保证采暖供应。
3.4储采暖箱水位控制
PLC控制器将随时监测储采暖箱水位。
在天气正常的情况下，储采暖箱的水位在一天中不同的时间将达到不同的水位。
如果在某一时间内，储采暖箱的水位没有达到正常的水位，说明太阳能产采暖不足或用户用采暖过度，此时，PLC控制器使辅助加热自动启动，当达到正常水位时，PLC使辅助加热自动停止。
3.5储采暖箱水温控制
当由于循环散热等原因，使储采暖箱的水温低于设定值时（一般应设定在45～55℃之间），PLC控制器会自动根据情况选择加热方式。
当太阳能正常时，自动启动太阳能循环水泵，通过太阳能加热储采暖箱内的水；当太阳能不足时，自动启动燃气采暖器并联系统辅助加热，加热到设定温度，辅助加热自动停止。
3.6用采暖
采用变频恒压循环供采暖方式，减少电能的消耗。
3.7系统远程监控
控制器可以和智能手机结合使用显示太阳能系统的水箱水温及水量。
3.8某办公楼太阳能采暖系统设计特点。
3.8.1系统安全可靠。
充分考虑了防风、防雷、防冻、抗冰雹、防漏电、防高温，保证系统安全。
3.8.2优先和充分利用太阳能。
电脑控制器会根据天气情况准确计算辅助加热启动时间，以最大化利用太阳能，节约常规能源；燃气采暖器并联系统辅助加热补水通过太阳集热器，即使在阴天太阳能只起一点作用时，也能将其充分利用起来。
3.8.3CPU智能控制，全自动运行。
采用工业级CPU，运行稳定可靠；具有计算功能，准确计算辅助加热启动时间，充分利用太阳能；可实现远程监控及程序升级；可显示水温、水量太阳能运行状态、故障信息。
3.8.4设计了暖气换热系统，节约燃气。
经计算，换热热量不影响采暖；优质板换换热，只要有5℃温差即可换出热量；体积小，安装非常方便。
3.8.5设计了应急操作系统。
保证维修期间的采暖供应，如果太阳能系统出现问题，可以启动应急操作系统，保证维修期间采暖供应。
3.8.6采暖供应采用变频技术。
保证采暖恒压供应，同时节约电能消耗。
4、太阳能采暖系统设计计算
4.1设计计算
某办公楼供暖面积5800平方米。
4.2.1设计小时采暖量
式中:
-----设计小时采暖量，L/h；
-----设计小时耗热量，W；
-----设计采暖温度，
=55℃；
-----设计冷水温度，
=4℃；
r-----采暖密度，r=0.986kg/L；
计算得：
=16558.1L/h
4.2.2全天供应采暖系统的采暖循环流量
式中:
----全日供应采暖的循环流量（L/h）；
-----配水管道的热损失（W），取设计耗热量的5%；
-----配水管道的采暖温度差，取5℃；
计算得：
=8326.4L/h。
4.2.3管路直径、流速、及水力损失[5]
根据水管的设计流量，取管路直径
=0.02m，流速取v=1m/s,则管路单位长度损失
Re=
25062<100000；
采用勃拉休斯（Blasius）公式
0.025；
单位长度的沿程阻力损失：
=
628.67Pa/m;
4.2.4太阳能集热面积确定
太阳集热器选型
目前国内使用的太阳集热器类型主要有真空管型太阳集热器、平板太阳集热器、热管真空管太阳集热器等。
真空管式太阳能集热器防冻性差，中低温条件下效率高，造价低。
真空管太阳集热器防冻性好，集热效率高，造价较低，但存在炸管泄漏的可能。
热管真空管集热器可在-50℃条件下使用，但热管换热效果差，且使用效果直接受到热管本身质量和寿命的影响，部分热管出现质量下降和衰减问题，不容易被发现，且成本高。
综合考虑：
根据张家口地区气温特点，选择中低温热效率高，造价低的真空管式集热器。
查[6]，可得张家口全年的平均日照辐射量，气温等参数如下图所示
全年平均气温ta=7.8℃；
年平均辐照量为Jt=13.784MJ/（M2·d）；
采暖水管进口温度ti=tl/3+2*tr/3=41.3℃；
年平均日太阳福照度为G=
；
归一化温度
；
选用HUJ16/2.1能效方程为η=0.849-2.181T*-0.00356T*2
知全年各月的热效率如下：
月份
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
斜面效率
0.66
0.70
0.71
0.74
0.76
0.77
0.79
0.78
0.77
0.74
0.72
0.68
所以η=0.733
集热面积
式中：
Ac接系统太阳集热器的采光面积，m2；
Qw—日均用水量；
Cw—水的定压比热容，取4.186KJ/（kg·℃）；
tend水箱内水的终止温度，取60℃；
ti—水的初始温度，取4℃；
f——太阳能保证率。
取0.45,[6];
JT—太阳辐照量。
据表1取13.784MJ/（M2·d）
ηcd—阳集热器效率。
据表2应取0.733；
ηL——管路及贮水箱热损失。
考虑到贮水箱在室内，取0.2；
计算得：
Ac=680.7m2
采光面积补偿：
AB=Ac/RB
其中RB为采光面积补偿率，取0.98,[6]
AB=694.6m2
太阳能集热系统循环流量
q=BL
=0.05
694.6=34.75L/s
4.2.5集热器前后排之间的日照距离D的计算
因系统全年使用，赤纬角按照春秋分考虑，即δ=0°
纬度
=42°
时角按照9:
00考虑，即
=（-3）*15=-45°
集热器的方位角γ=0°
集热器的管子长度L=2.29m
集热器倾角β=
则太阳高度角：
=0.525
则
=31.67°
则太阳方位角
则太阳方位角
=-56.1°
对计算时刻太阳光线在水平上的投影与集热器表面法线在水平面上的投影线之间的夹角
-56.1°
集热器高度可定为管子长度在法线上的投影
H=L*sin（β）=2.29*sin42°=1.53m
考虑到安装误差及垫底厚度
H’=1.1H=1.68m
集热器前后排之间的日照距离
1.52m，取为1.5m。
5、设备选取[6]
5.1太阳能型号：
HUJ35/2.1，详细参数如下
L/mm
Dw/mm
H/mm
DN
L1
总面积
采光面积
真空管根数
真空管规格
2290
1516
110
15
60
3.47
1.76
35
58
2100
由总集热面积知，共需20吨，面积约400m²
5.2控制系统
采用暖嘉智能控制柜，功能有保温水箱水温水位显示、集热器水温显示、自动上水、辅助电加热控制、温差循环、室内管路循环、防冻循环。
5.4储采暖箱
对于太阳能采暖系统，由于太阳能资源的不确定及不稳
定性，不可能全天24h满足设计小时用水量的要求。
为满足使
用要求，根据实际情况，考虑储采暖箱水量、太阳集热功率和用
户用水量之间的关系，设计水箱容量为1个最大小时用水量，
必能满足用水量的要求。
水箱的有效容积20m3
按[8]每平方米太阳能集热器储采暖箱体积为30~100L/m3,取平均值70L/m3，则水箱体积Vk=70*AB=20m3
综上可取水箱总容积Vk为20m3
太阳能采暖系统宜设置两个贮采暖箱,太阳能采暖先进入贮采暖箱（罐），辅助加热设备设置在供采暖箱旁，利用太阳能将冷水预热，再送入供采暖箱,由辅助热源加至设定温度。
太阳能采暖系统采用的泵，分集热系统循环泵、采暖供应循环泵和给水泵，均应符合现行产品标准的要求。
[7]
在满足系统流量和扬程的条件下，应选择节能型泵。
宜选择低噪音泵，并采取必要的防震降噪措施。
泵的工作温度应符合系统最高工作温度的要求。
泵与传热工质应有很好的相容性。
该泵的流量即为系统设计采暖量
=16558.1L/h,即16.6m3/h。
扬程只考虑位置高度、沿程损失、局部损失以及配水最不利点所需的流出水头
采暖系统循环泵。
该泵的流量即为采暖系统的循环量
=8326.4L/h,即8.3m3/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
水泵的选择：
选择暖嘉专用水泵
3M-3S-3P参数及特性
应用行业:
生活供水采暖暖通普通工业农业
流量:
6～132m3/hr
扬程:
6～72m
介质温度：
-10℃～90℃（标准型）-20℃～110℃（H型）
环境温度：
最大+40℃
最大工作压力：
1.0MPa
电源：
3相/380V/50Hz
电机转速：
2900r/min,1450r/min
5.5管道、配件、保温
楼顶循环管道采用国标PPR管。
PPR管满足集热系统的耐温、防腐要求，且施工效果规整美观；配件为PPR件，以消除配件夹层气孔及沙眼现象，杜绝本体渗漏情况发生。
聚乙烯保温管
用于室外管道的保温。
聚乙烯保温管是一种化学交联独立气泡聚乙烯高发泡体，它采用先进的发泡技术，把聚乙烯经过化学架桥和高倍率发泡（二次发泡）得到的，具有相当微细的独立气泡结构，它用于采暖器上下水管的外层保温。
聚乙烯保温管具有以下特性：
6、经济性分析
生产一吨采暖不同能源费用数据对比表
现以加热1吨水为例，自来水按15℃加热至55℃计算，需要40000Kcal的热量。
采暖设备
热泵数值
热源单价
运行成本
电锅炉
40000÷（860kcal/kwh×95%）=49.00kwh
1.00元/kwh
49.00元
柴油锅炉
40000÷（10200kcal/kg×85%）=4.62kg
7.80元/kg
36.04元
液化气锅炉
40000÷（10800kcal/kg×80%）=4.63kg
7.00元/kg
32.41元
天然气锅炉
40000÷（8600kcal/kg×88%）=5.28m3
4.30元/m3
23.00元
太阳能
/
0
0元
7、安装注意事项[7]
7.1集热器安装
集热器摆放位置应符合设计要求，安装倾角误差为±3°，并与钢结构支架连接牢固，且要留出检修保养通道。
集热器与集热器之间的连接应做到密封可靠、无泄漏、无扭曲变形。
集热器之间的连接件，应便于拆卸和更换。
所有集热器安装完毕后应进行检漏试验，检漏试验应符合设计与GB50364的相关规定。
真空管集热器的联接管（联箱）安装完毕后才能安装真空管。
为达到防冻目的所采用的排空系统，应保证集热器中的传热工质顺利排空。
集热器之间连接管的保温应在检漏合格后进行，保温应符合GB50185的相关规定。
连接方式：
采用串并联的混联方式，即将串联成单体的集热器在并联成单体阵列。
7.2储水箱安装
储水箱安装位置应符合设计要求，与其基座牢固连接。
储水箱四周应留有检修通道，顶部应留出检修口，周围应有排水措施，水箱排水时不应积水。
排水通道或排水管应设计合理，采暖排出时，应防止采暖烫坏建筑物或破坏周围环境，注意该排水管不要和其他不耐高温的管道连接。
储水箱和支架间应有隔热垫，不宜直接刚性连接而增加热损，安放好的储水箱应固定在支架上。
7.3防冻保温
按照GB/T18713-2002执行
对该直流系统，在集热器不满足抗冻要求的情况下，尤其是晚上，可将系统中的水或系统室外部分的水排放，可采用手动阀，也可采用具有防冻功能的温控系统。
在冬季开始运行时，可先引入锅炉中的采暖，对太阳能采暖器预热。
7.4防雷：
7.4.1储水箱的接地可以利用下列自然接地体：
埋设在地下的没有可燃及爆炸物的金属管道、金属井
管、与大地又可靠连接的建筑物的金属结构；
7.4.2接地装置宜采用钢材，接地装置的导体截面积应符合热稳定和机械强度的要求
7.4.3接地体的连接应采用焊接，焊接必须牢固无虚焊，连接到水箱上的接地体应采用镀锌螺栓或铜螺栓连接。
储水箱应进行防腐及保温处理。
7.5辅助热源
供热锅炉及辅助设备的安装应符合GB50242的相关要求。
7.6管件
7.6.1采暖系统的管道材料应采用适应采暖要求的复合管、金属管、塑料管等；
7.6.2管道的工作压力应按相应温度下的允许工作压力选择；
7.6.3管件宜采用和管道相同的材质；
7.6.4定时供采暖的系统不宜采用对温度变化较敏感的塑料管；
7.6.5设备机房内的管道不应采用塑料采暖管；
7.6.6管道坡度应符合设计规定，排空系统不得有反坡存在；
7.6.7温度控制器及阀门应安装在便于观察和维护的地方；
7.6.8管道的最低处应安装泄水装置，最高点应设排气阀或排气管；
7.6.9采暖供应管道应尽量利用自然弯管补偿冷热伸缩，直线段过长则应放置补偿器，补偿器
8、参考资料
[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《民用建筑太阳能采暖系统应用技术规范》
[4]、《大中型太阳能采暖器研究与利用》谢列先《广西节能》2001（3）
[5]、GB18713-2002《太阳能采暖系统设计、安装及工程验收技术规范》
[6]、06SS128《太阳能集中采暖系统选用与安装》
[7]、《广东省太阳能采暖系统通用技术规范》
[8]、《太阳能采暖系统手册》袁家普主编北京化学工业出版社2008.12
[9]《太阳能采暖系统与建筑一体化的实践
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