别墅游泳池成功案例分析.docx
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别墅游泳池成功案例分析
别墅游泳池太阳能加热系统成功案例分析
杭州普桑能源科技有限公司袁新毓钱江海
北京四季沐歌太阳能技术集团有限公司李帅
摘要：
太阳能作为可再生能源，在建筑中的应用越来越受到人们的重视，但应用的范围主要限于太阳能提供生活热水，太阳能游泳池加热系统运行的实际案例工程不是太多。
本文针对浙江杭州绿城桃花源高档住宅小区某住户游泳池加热热源采用太阳能等节能设备为例，详细分析了设计过程及设计经验，供各位同仁参考，不足之处欢迎指正。
关键词：
别墅游泳池太阳能热水系统资源共享
一、前言
随着人们生活质量的提高以及节能环保意识的增强，室内游泳池在社区、别墅、高档会所等中越来越普遍，但社区、会所、别墅等对室内游泳池水体加热的设计上往往采用锅炉或空气源热泵，此种设施不仅消耗大量常规能源，而且运行费用高昂，为了解决上述问题，本项目采用太阳能等设备来解决，太阳能是一种环保、无污染、可再生的洁净能源，充分利用太阳能将可节省运行费用，减少雾霾天气，利国利民。
二、工程概况
该高档别墅位于杭州绿城桃花源高档住宅小区内，绿城桃花源位于杭州市凤凰山南麓风景秀丽的丘陵地带，桃花源高档住宅总用地面积1400余亩，规划建造形态各异的独立别墅870余栋。
桃花源别墅共分为山地别墅、园景别墅、水岸别墅、庭院别墅、小院别墅等五大类。
该别墅周围环境优美，该别墅内部设有一个全年开放的室内游泳池，游泳池长约15米，宽约4.5米，深度约1米，现采用空气源热泵加热，为了节能及环保，该业主计划用太阳能对游泳池水加热，并提供淋浴用热水，要求该太阳能游泳池加热系统应能满足用户对游泳池加热和淋浴的要求，并达到环保、节能的目的。
三、设计过程
1、设计依据
1）《民用建筑太阳能热水系统应用技术规范》GB50364-2005
2）《太阳能热水系统设计、安装及工程验收技术规范》GB/T18713-2002
3）《家用太阳热水系统热性能试验方法》GB/T18708-2002
4）《真空管太阳集热器》GB/T17581-1998
5）《太阳能热利用术语》GB/T12936-1991
6）《家用太阳热水系统技术条件》GB/T19141-2003
7）《建筑给水排水设计规范》GB50015-2003
8）《设备及管道保温技术通则》GB/T4272-92
9）《建筑物防雷设计规范》GB50057-94
10）《建筑结构荷载规范》GB50009-2001
11）《钢结构设计规范》GB50017-2003
12）《低压配电设计规范》GB50054-1995
13）《家用和类似用途电器的安全通用要求》GB4706.1-1998
14）《室外给水排水和燃气热力工程抗震设计规范》GB50017-2002
15）《中华人民共和国国家标准全玻璃真空太阳集热管》GB/T17049—1997
16）《钢结构设计规范》GBJ17-88
17）《建筑载荷规范》GBJ9-87
18）《家用太阳热水器电辅助热源》NT/Y513-2002
19）《太阳能集中热水系统施工规范》QB/102—2002
20）《建筑抗震加固技术规程》JGJ116—98
21）《真空管型太阳能集热技术条件》GB/T6424-2000
22）《家用太阳热水器储水箱》NT/Y514-2002
23）《太阳能热水系统性能评定规范》GB/T20095-2006
24）《钢结构施工质量验收规范》GB50205-2001
25）《游泳池和水上游乐池给水排水设计规程》CECS14:
2002
26）用户要求
2、设计需要考虑的几个问题
太阳能加热游泳池和太阳能热水洗浴是太阳能热利用技术中最成熟的技术,并具有较好的节能和经济效益。
但太阳能加热游泳池与太阳能热水洗浴的原理是不同的,太阳能热水洗浴是将冷水加热到40℃以上，储存在水箱内，供洗浴时使用；而太阳能加热游泳池则需要将大约27℃的游泳池水通过太阳能加热后，又回到游泳池，以补充游泳池的散热，维持游泳池水温不降低。
由于不同季节气温不同，因此，游泳池的散热量随季节变化很大，冬季气温低，散热量最大；夏季气温高，散热量最小。
由此可见，当按满足春秋季设计太阳能采光面积时，冬季不足，夏季富裕，因此应配置辅助能源加热，以满足冬季或其它季节光照不足（阴雨天）时的辅助加热问题，以及夏季太阳能过剩时的能量充分利用问题。
我们认为，系统设计主要应考虑以下问题。
（1）优先利用太阳能源，当太阳能不足时，再利用辅助能源补充热能，以达到环保和节能降耗的目的。
（2）在保证太阳能系统加热和用热水安全的前提下，做到太阳能既能加热游泳池池水，又能提供洗浴热水。
应能做到热水资源共享。
（3）太阳能热水系统运行方式的合理性、可靠性、先进性。
（4）控制系统的全自动化、智能化、先进性、可靠性。
（5）太阳能系统与建筑物的协调性、检修的方便性等，该高档住宅周围环境美观，太阳能系统决不能破坏周围环境。
（6）在保证工程质量的前提下，尽可能降低工程造价，提高工程的性价比。
（7）根据现场实际情况，尽量利用原有设备或设施，减少太阳能设备投资。
3、系统基本设计
（1）根据杭州地区全年温度较高的特点，选用热效率高、经济实惠的平板集热器，易与建筑结合，实现与建筑一体化。
（2）游泳池加热采用间接换热、温差强制循环太阳能加热系统，实现太阳能加热的智能化。
（3）洗浴供热水采用直流式定温放水太阳热水系统，达到充分利用太阳能，只要有太阳，就有能洗澡的热水的效果，并可实现全天24小时有洗浴热水。
（4）选用空气源热泵作为游泳池加热的辅助热源，以较少用电量（比直接用电加热节约70%电费）。
（5）采用德国西门子工业级的PLC可编程电脑控制器，因该高档住宅对系统稳定性、可靠性、先进性要求较高，选用德国西门子工业级PLC可编程电脑控制器，控制程序采用我公司根据多年太阳能工程安装经验开发的太阳能工程专用程序，水箱水量可精确到1升，具有计算功能，能够根据辅助能源功率、水箱水量水温自动计算辅助能源启动时间，实现太阳能和辅助能源辅助加热的完美结合，优先利用太阳能源，节约常规能源，并能够通过电话线实现远程监控及控制程序升级，还可与计算机联网。
控制程序可根据用户要求任意修改升级。
（注：
普通控制器只具有温差、定温、定时、点式水位显示及控制等功能，并且一次定型，修改须调整电路，不能实现太阳能和辅助能源辅加热的完美结合）。
4、热负荷计算：
（1）计算基础：
a、基础水温：
根据杭州市实际情况，冷水温度按15℃计算。
水温资料参照表1：
分区
地区
地面水温度
地下水温度
第一分区
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
第二分区
北京、兰州、山东全部，河北、山西、陕西的大部分，河南北部，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
第三分区
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
第四分区
广东、台湾全部，广西大部分，福建、云南的南部
10～15
20
第五分区
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的地区，广西偏北的一小部分
7
15～20
b、游泳池水温：
根据《建筑给排水设计规范》，游泳池水温为22℃～30℃，按27℃计算。
游泳池水温参数表2
游泳池用途
池水温度（℃）
游泳池用途
池水温度（℃）
比赛用
24～26
露天游泳池
训练用
25～27
夏季用
不低于22
跳水用
26～28
冬季用
宜为30
儿童、幼儿用
24～29
准备池
24～27
水池温度与环境温度有关，如室内游泳池因有完善的采暖空调设施,池水温度25℃左右即可；如果气温较低，池水温度以27℃以上为宜。
根据实际情况，选取池水温度为27℃。
c、游泳池水面面积：
经现场勘测，该游泳池面积约为67.5平米。
d、游泳池水量：
根据实际勘测，游泳池水深约1米，总水量约67.5立方米。
e、补换水率：
根据多年的相关工程经验，日均补换水量按5%计算。
f、游泳馆室内环境温度按按28℃计算；相对湿度按60%计算，大气压为760mmHg，室内风速为0.1米/秒。
（2）游泳池散热量计算：
1.游泳池水表面蒸发损失的热量：
Q1=a·γ·A（P1-P2）（0.0174v+0.0229）（760／B）
式中:
Q1：
游泳池水表面蒸发损失的热量（kJ／h）
a：
热量换算系数
γ：
饱和蒸气的蒸发汽化潜热（kcal／kg）
P1：
饱和空气的水蒸气分压（mmhg）
P2：
环境空气的水蒸气分压力（mmhg）
v：
游泳池水面上的风速（m/s）
A：
表面面积（m2）
B：
当地大气压力（mm·hg）
水的蒸发潜热和饱和蒸汽压表3
水温
（℃）
蒸发潜热
r（Kcal/kg）
饱和蒸汽压Pb（mmHg）
水温
（℃）
蒸发潜热
r（Kcal/kg）
饱和蒸汽压Pb（mmHg）
18
587.1
15.5
25
583.1
23.8
19
586.6
16.5
26
582.5
25.2
20
586.0
17.5
27
581.9
26.7
21
585.4
18.7
28
581.4
28.3
21
584.9
19.8
29
580.8
30.0
23
584.3
21.1
30
580.4
31.8
24
583.6
22.4
-
-
-
气温与相应的蒸汽分压表4
气温
（℃）
相对湿度
（%）
蒸汽分压
Pq（mmHg）
气温
（℃）
相对湿度
（%）
蒸汽分压
Pq（mmHg）
21
50
9.3
26
50
12.5
55
10.2
55
13.8
60
11.1
60
15.2
22
50
9.9
27
50
13.3
55
10.9
55
14.7
60
11.9
60
16.0
23
50
10.5
28
50
14.3
55
11.5
55
15.6
60
12.6
60
17.0
24
50
11.1
29
50
15.1
55
12.3
55
16.5
60
13.4
60
18.0
25
50
11.9
30
50
16.0
55
13.0
55
17.5
60
14.2
60
19.1
将数值代入计算得：
Qz=a·r（0.0174V+0.0229）（P1－P2）A（760/B）
＝4.18×581.9×（0.0174×0.1+0.0229）×（26.7-16）×67.5×760/760
=43285.8（kJ/h）
2.游泳池的水表面、池底、池壁、管道和设备等传导所损失的热量，由于游泳池池底周围没有地下水，池底池壁经由传导热损失的热量就很小；相对于游泳池表面蒸发损失的热量来说，管道和净化水设备等传导所损失的热量也小得多，因此，《游泳池和水上游乐池给水排水设计规程》CECS14:
2002中规定，上述两项热传导损失的热量可以按照池水表面蒸发损失量的20%进行确定。
代入参数计算得：
Q2=43285.8（kJ/h）×20%=8657.16（kJ/h）
3.补换水加热所需的热量：
游泳池的补充水量选定
一般按下表选取：
（《游泳池和水上游乐池给水排水设计规程》CECS14:
2002规定）
游泳池的补充水量表5
序号
游泳池、游乐池的名称
每日补充水量占泳池水容积的百分数％
1
竞赛池、训练池、跳水池
室内
3～5
露天
5～10
2
多功能池、游乐池、公共泳池
室内
5～10
露天
10～15
3
按摩池
公用
10～15
4
儿童池
幼儿戏水池
室内
不少于15
露天
不少于20
5
环流河
10～15
6
家庭游泳池
室内
3
露天
5
注：
1、室内游泳池、水上游乐池的最小补水量应保证在一个月内池水全部更换一次。
2、当地卫生防疫部门有规定时，应按卫生防疫部门的规定执行。
根据泳池性质结合上述标准，设计补充水量为总容积的3％～5％，本方案设计取5％。
Q3=a·q·γ·（tl-t2）
式中:
Q3：
游泳池补充水加热所需的热量（kJ）
a：
热量换算系数，a=4.1868
q：
游泳池平均每日的补充水量（L）
γ：
水的密度（kg/L）
t1-t2：
游泳池水的补水温差（℃）
代入参数计算得：
Q3=169565.4kJ/d
4.游泳池日总热量需求：
QA=24*Q1+24*Q2+Q3＝1416196.04kJ/d
5、太阳集热面积确定
1）杭州地区的太阳辐射资源
查有关资料，杭州：
纬度30º14’，经度120º10’，高度41.7m
杭州地区全年各月水平面的月平均日太阳辐照量见下表。
表6杭州地区全年各月水平面/当地纬度斜面上的月平均日太阳辐照量（MJ/㎡·d）
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
水平面
6.813
7.753
9.021
12.542
14.468
13.218
17.405
16.463
12.013
10.276
8.388
7.303
纬度斜面
9.103
8.534
9.552
11.953
12.715
11.417
15.158
15.684
11.846
11.524
10.839
10.425
从上表可知：
不同斜面上的太阳辐照量是不同的，且随月份（季节）变化而变化。
本系统设计太阳集热器的倾角采用当地纬度，因此设计计算应选择纬度斜面的太阳辐射值。
因此查表1，取太阳集热器斜面（当地纬度斜面）平均值12MJ/㎡·d作为设计值。
2）杭州地区太阳集热器的热效率
太阳集热器效率曲线
太阳集热器的瞬时效率曲线图1
太阳集热器的瞬时效率曲线见图1。
图中纵坐表标为集热器的瞬时效率，横坐标为归一化温差X，X=（tR-ta）/G，其中tR为集热器热水进出口平均温度（产热水温度），ta为环境或周围空气温度，G为总日射辐照度。
从效率曲线可以看出，太阳集热器的热效率随产热水温度与环境温度的温差与太阳辐照度的比值（tR-ta）/G的变化而变化。
也就是说，环境温度越高，要求的产热水温度越低，太阳集热器的热效率就越高；反之，则越低。
假定产热水温度按45℃计算，根据杭州地区全年各月的环境平均温度，可以推算出全年各月的热效率数值η，详见表1中全年各月的η数值。
表7太阳能在杭州地区全年各月的平均热效率值
月份
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
ta
4.3
5.6
9.5
15.8
20.7
24.3
28.4
27.9
23.4
18.3
12.4
6.8
η
0.42
0.46
0.50
0.52
0.55
0.56
0.58
0.57
0.56
0.54
0.51
0.46
3）太阳集热面积确定
根据GB/T18713-2002《太阳热水系统设计、安装及工程验收技术规范》,太阳集热器的集热面积可以按如下公式计算：
式中：
-----直接系统太阳集热器的采光面积，单位㎡
-----日均用水量，单位kg。
对于该太阳能系统，
-----水的定压比热容，单位KJ/（kg·℃）。
应取4.186KJ/（kg·℃）。
-----贮水箱内水的终止温度，单位℃。
对于该太阳能系统，应取55℃
-----水的初始温度，单位℃。
对于该太阳能系统，应取15℃
-----太阳能保证率，无量纲。
最新的国家标准建议取0.3～0.8。
这里取0.6
-----太阳集热器采光面的年平均太阳辐照量，单位KJ/㎡。
对于该太阳能系统，应取12000KJ/㎡·d
-----太阳集热器效率，无量纲。
应取0.50
-----管路及贮水箱热损失，无量纲。
考虑到我公司良好的保温工艺，取0.1
经计算得:
=78.67㎡
故所需集热面积为：
78.67㎡
因采用中间过渡水箱换热方式，故有热量损失；这里取换热器效率为95%；
故补偿后的集热面积为：
78.67/0.95=82.81㎡
根据甲方相关人员的要求及介绍，以及根据现场测量，放置太阳能集热器屋面长约20米，宽约6米，考虑屋面安装及检修空间，屋面能放置100平米太阳能集热面积。
太阳能集热面积除满足太阳能加热用泳池外，还可提供淋浴热水用。
中间过渡水箱（储热水箱）1吨，放置在原空调设备所在的位置附近。
太阳能循环泵及热水增压泵放置在储热水箱所在位置。
6、辅助加热方式确定
选择辅助能源需考虑的几个问题:
1、辅助能源所占空间位置；
2、辅助能源应安全、可靠，自动运行；
3、辅助能源应节能、环保、无污染。
辅助加热系统可以采用燃油/燃气锅炉、电加热管、空气源热泵等方式，各种方式的特点如下：
锅炉（燃油/燃气/电锅炉）辅助加热系统，需要占用现有设备间的空间；需增加系统管路等部件；锅炉安装需要安装许可手续，因此手续复杂；且燃油锅炉存在安全问题和油污染问题；锅炉系统日常维护要求高，维护费用较高。
燃油锅炉需要专门的储油罐/箱，维护和加油等专人负责管理；燃气锅炉需要气源。
如采用电锅炉，则成本高，不如安装电加热管。
采用电加热作为辅助能源，则电加热管可以直接装在储热水箱中。
具有安装方便，不占用设备间的空间；全部自动化运行，不需专人看管，节省专人看管人员工资；系统运行维护方便；可以利用低谷电，节省运行费用。
空气源热泵虽然成本高，但可以节约70%电能，也属于节能产品之一。
综上所述，我们建议采用空气源热泵辅助加热的方式。
7、关键设备与配件选型
（1）太阳集热器选型与布置
目前国内使用的太阳能集热器主要有平板集热器、真空管集热器、热管集热器。
平板集热器：
优点：
容易与建筑结合，安装在屋面，像天窗一样美观，承受压力能力高，维修率低。
缺点：
不防冻，适合在南方地区使用。
若在北方地区应在春、夏、秋三季使用,若全年使用应解决好防冻问题；
真空管集热器：
优点：
在中国占有90﹪市场，在零下25℃条件下，仍可产生热水，可一年四季使用。
是目前全国各地普遍使用的产品。
缺点：
一根真空管破裂，影响整个系统运行。
承受压力能力差。
热管集热器：
优点：
可在零下50℃条件下使用，抗冻性能好，适合在北方高寒地区使用。
一根真空管破裂，不影响系统运行。
承受压力能力高。
缺点：
其冷凝端（加热端）表面积仅是真空管的百分之一，易结水垢，换热效果较真空管差。
平板集热器、真空管集热器、热管集热器各有优缺点，根据该高档住宅的实际情况，建议采用平板太阳能集热器，稳定、可靠，使用寿命长。
四季沐歌平板太阳能集热器采用具有国际先进水平产品，其中太阳能核心部件—平板集热器板芯为采用“德国进口超级蓝膜板芯”，比普通蓝膜板芯吸热比提高了5%。
“德国进口超级蓝膜板芯”：
采用德国真空磁控溅射金属陶瓷（CERMET）镀膜带，集热高，热损小，吸收率高达98%，发射率低至5%，挑战太阳能光热转化比极限，集热效率高、得热量大；
●进口欧洲数控激光焊接设备，板管间实现激光焊接，焊点结合力强，热阻小；
●流道从镀膜带背面焊接，不伤及吸热膜层，集热效率高；
●特别设计安装槽和防水槽，便于实现太阳能与建筑一体化；
●采用PPG超白钢化玻璃盖板，全光谱透光率达95%，机械强度高，安全有保障；
●流道材质为高纯度无氧纯铜，耐腐蚀，可承压，寿命长，安全可靠；
●边框和背板一体化，美观适用，耐腐蚀，密封性好，防水、隔潮、热损小；
●采用连续式无缝密封材料，耐高低温，耐老化，经久耐用，寿命长，获得RoHs认证；
●全部采用可降解和可回收利用材料，产品寿命期结束也绝无污染；
●已经通过欧洲KEYMARK和美国SRCC认证。
●航空铝合金边框和3.2mm低铁钢化玻璃，能抗台风，冰雹等灾害性天气优异的抗冻性能，即使在零度40度以下的严寒地区，也能正常使用真空蓝钛和激光焊接高科技技术的完美结合，可使产品寿命达25年以上。
四季沐歌平板集热器技术参数表8
项目
技术参数
备注
集热面积
总集热面积
2平米
获得欧盟CE国际权威认证证书
边框
外壳种类
电镀铝合金（ALMg3）
电镀铝合金
外壳材料
6063/T5
壁厚
1.2mm
工艺
挤压成型
密封条
材质
硬化橡胶PDEN
性能
注塑，抗紫外线
玻璃盖板
材料
3.2mm低铁超白布纹钢化玻璃
优质钢化玻璃
透射率
98%
厚度
3.2mm
强度
0.25Mpa/㎡
保温材料
底面
材质
玻纤棉贴铝箔纸，密度12-50Kg/m3
厚度
50mm
四周
材质
玻纤棉贴铝箔纸，密度50-80Kg/m3
厚度
30mm
热传导率
在70℃条件下0.048
光热性能指标
吸收比
α≥0.98（AM1.5）
发射比
ε=0.050（80℃±5℃）
瞬时效率截距
0.76
总热损失率
5.4W/㎡
物理性能指标
外形尺寸（mm）
2000×1000×95（长×宽×厚度）
净重（kg）
39
总重（kg）
40
试验压力
1.0Mpa
额定工作压力
0.6Mpa
板芯材质
集热管材质
TP2紫铜
集热管规格（mm）
集热管尺寸Φ=25mm，厚度0.6mm
排管材质
TP2紫铜
排管规格（mm）
集热管尺寸Φ=10mm，厚度0.5mm
排管数量
7
翅片材质
铝6061
翅片规格（mm）
1900×950
吸热体为整板铝板
板芯表面涂层
氮氧化钛
德国进口超级蓝膜
膜层厚度
0.02
膜层性能
吸收率≥98%、发射率≤5%
涂层工艺
磁控溅射
集热板接口尺寸
20mm
（2）控制器
选用德国西门子PLC电脑控制器，性能稳定可靠，先进。
控制程序采用我公司和欧盟共同研发的太阳能工程系统专用控制程序，功能强大，可实现任意功能的自动控制。
有防冻及防止过热的措施：
温差循环和高温保护等功能，防雷保护、漏电保护、短路保护、过流保护、故障自检等全面保护装置,保证系统安全运行，无任何危险隐患，性能可靠，先进实用。
根据与甲方相关人员沟通及现场勘查，该控制系统除具有太阳能系统运行基本功能外，还具有1、停电保持功能：
停电时，保存设定12小时，来电照常运行。
2、故障报警功能：
将可能发生的故障显示出来，以便维修。
3、宽电压工作功能：
可承受较宽电压波动，耐高压、低压幅度大。
4、安全防护功能：
具备漏电保护、防干烧、故障报警、安全措施等。
多层保护功能外，另外增加远程监控功能，与空调及其他相关设备之间的系统集成控制功能，具备极佳的系统兼容性。
（3）水泵、电磁阀、管路
水泵选用德国威乐低噪音耐高温管道泵，电磁阀选用
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