太阳能热水系统与建筑一体化的应用分析.docx

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太阳能热水系统与建筑一体化的应用分析

太阳能热水系统与建筑一体化的应用实例分析

太阳能——作为一种免费、清洁、无污染的能源，以节能和环保的突出特点，在建筑中的利用越来越普遍，其中太阳能的光热利用已取得显著成果并转化为生产力。

而太阳能与建筑的结合，也在建筑中呈现出其不可替代的地位，并成为建筑中的一大亮点。

太阳能与建筑一体化也日益成为房地产业关注的焦点。

下面以杭州政苑宾馆为例介绍一下太阳能热水系统与建筑一体化工程设计和实践中的一些基本思路和体会。

（一）工程概况

该宾馆位于杭州西湖区，为三星级别的宾馆，共有114个标准间，为了降低运行费用及环保，现设计采用太阳能系统提供热水，辅助能源采用电加热。

（二）系统设计关键点

鉴于该太阳能热水系统用于宾馆客房洗浴的特点，我们认为，该方案设计应充分考虑用户单位的下列问题，科学设计太阳能热水系统，使其达到合理、可靠、先进。

1）系统应保证全天24小时供应热水，以方便使用和管理；并考虑在热水用量突然显著增多的特殊用水情况下，确保热水的供应问题。

2）鉴于用热水设施分布在各楼层，为确保打开阀门就能出热水，热水供应系统应设计成循环供水方式。

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热水供应问题，根据贵单位实际情况和现有条件，建议选择电作为辅助加热系统。

4）系统设计应考虑优先利用太阳能源加热热水；当太阳能不足时，再利用辅助能源补充热能，以达到节能降耗的目的。

5）系统处在杭州，冬季寒冷结冰。

因此应充分考虑太阳能及管路的冬季防冬问题。

6）要综合考虑房屋的结构和位置，合理设计太阳能设备的放置位置。

7）鉴于宾馆外部环境优美，太阳能系统的摆放和布局方式应巧妙设计，以解决太阳能系统的布局与摆放应与周围的建筑物相协调问题。

8）太阳能系统应可靠、耐用、方便管理。

9）在保证工程质量的前提下，尽可能降低工程造价，提高太阳能工程的性价比。

（三）有关设计规范和依据

GB/T18713-2002《太阳热水系统设计、安装及工程验收技术规范》

GB50364-2005《民用建筑太阳能热水系统应用技术规范》

GB/T20095-2006《太阳热水系统性能评定规范》

GB50015-2003《建筑给水排水设计规范》

GB/T17581-1998《真空管太阳集热器》

GB/T17049-1997《全玻璃真空太阳集热管》

用户要求和现有条件

（四）系统基本设计

1）根据杭州地区天气的特点，选用抗冻性强、热效率高、经济实惠的全玻璃真空管太阳集热器。

在零下25℃的条件下，仍可产生洗浴热水。

2）采用太阳能+电加热联合供热水的系统方案，并优先利用太阳能源。

太阳能不足时，利用电补充热量。

这样可以确保热水供应的可靠性，并充分利用太阳能源，最大限度地减少用电量，降低运行费用。

3）太阳能系统设计为直流式定温放水太阳能热水系统，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小时供应热水，避免了家用太阳热水器和循环式太阳能热水系统存在的弊病（半阴半晴天时，热水温度不到40℃，造成只有不能洗澡的温水，而没有能洗澡的热水）。

4）冬季管路防冻采用低温时水泵自动循环防冻设计，防止冬季极端温度下管路结冰冻坏。

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，并具有可以根据用户的实际需要，任意修改控制程序，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。

6）热水供应采用变频增压循环供水方式，为了减少热水循环的热损失，在热水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；当热水循环使管道水温达到水箱水温时，电磁阀自动关闭。

（五）系统设计计算基本参数1）用水人数

114个标准间，按每个标准间以2个床位计算，共228个床位。

2）用水定额每床位每日用热水定额以60℃热水计算，取120L/人·d。

3）用水时间24小时全日供应热水设计计算1）设计小时耗热量的计算

式中：

Qh—设计小时耗热量（W）m—用水人数，m=228qr—热水用水定额（120L/人·d）Qh—水的比热，c=4187（J/kg·℃）tr—热水温度，tr=60（℃）tL—冷水温度，tL=15（℃）r—热水密度（kg/L），r=0.983kg/Lkh—小时变化系数，kh＝5.12计算得：

Qh=300290（W）2）设计小时热水量

式中：

qrh—设计小时热水量（L/h）h—设计小时耗热量（W）tr—设计热水温度（℃），tr=60（℃）tL—设计冷水温度（℃），tL=15（℃）r—热水密度（kg/L），r=0.986（kg/L）计算得：

qrh=5819.57（L/h）3）全日供应热水系统的热水循环流量

式中：

qx—全日供应热水的循环流量（L/h）Qs—配水管道的热损失（W），取设计耗热量的5%△t—配水管道的热水温度差（℃），取5℃计算得：

qx=504.3（L/h）4）热水供水管的设计秒流量q（L/s）计算最大用水时卫生器具给水当量平均出流概率

式中：

Uo—生活给水管道的最大用水时卫生器具给水当量平均出流概率（%）qr—最高热水用水定额m—用水人数kh—热水小时变化系数Ng—设置的卫生器具给水当量数T—用水时数（h）0.2—一个卫生器具，给水当量的额定流量（L/s）计算得：

Uo＝0.04%查《建筑给水排水设计规范》（GB50015－2003）得系统热水供水管的设计秒流量为q=1.2（L/s）。

（六）关键设备选取

1）太阳集热器选型

目前国内使用的太阳集热器类型主要有平板型太阳集热器、真空管太阳集热器、热管真空管太阳集热器、U形管真空管太阳集热器。

平板型太阳集热器保温性能不如真空管太阳集热器，适合在春、夏、秋三季使用；真空管集热器在-25℃的低温条件下，仍可产生热水，可一年四季使用，冬季利用太阳能的效率最高，但存在炸管泄漏问题；热管集热器可在零下50℃条件下使用，但热管冷凝端（加热端）表面积仅是真空管的百分之一，易结水垢，换热效果不如真空管，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；U形管真空管太阳集热器是在真空管的内壁插入了一根U形的铜管，利用传热介质在U形铜管内流动将真空管吸收太阳热能带走，因而可封闭带压循环，不存在炸管泄漏问题，但由于U形管怕冻，因此必须采用防冻液介质循环，成本相对也高。

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（包括杭州）普遍使用的产品。

2）储热水箱对于太阳能热水系统，由于太阳资源不确定及不稳定性,不可能全天24小时满足设计小时用水量（qrh）的要求。

为满足使用要求，根据实际情况，考虑储热水箱水量、太阳集热功率和用户用水量之间的关系，设计水箱容量为5个最大小时用水量（qrh），则必能满足用水量的要求。

水箱的有效容积vk＝5qrh≈30m3。

3）太阳能热水系统水泵选择：

1）太阳能循环泵太阳能循环泵的流量和太阳能集热器的特性有关，真空管型太阳能集热器按照0.010-0.2L（s/㎡）进行计算,此处按0.015L（s/㎡）计算，该泵的流量为L＝23425.2（（L/h）扬程考虑到位置高度，沿程损失，局部损失，计算得qrh＝0.15（MPa）2）热水系统循环泵该泵的流量即为系统设计热水量qrh＝5819.57（（L/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，计算得：

Hb＝0.20（MPa）（七）太阳能集热面积的确定

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1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。

太阳能系统设计一般按满足春秋季需要设计。

因此查表1，取太阳集热器斜面（当地纬度斜面）春秋季平均值12MJ/㎡·d作为设计值。

2）杭州地区真空管太阳集热器的热效率

真空管太阳集热器效率曲线

真空管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，真空管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2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》,太阳集热器的采光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27360kg。

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0.5

-----太阳集热器采光面的太阳辐照量，单位KJ/㎡。

对于该太阳能系统，据表1应取12000KJ/㎡·d

-----太阳集热器效率，无量纲。

据表2应取0.55

-----管路及贮水箱热损失，无量纲。

考虑到贮水箱在室内，取0.2

经计算得:

=433.8㎡

（八）辅助加热功率确定

辅助加热功率的选取应按阴雨天没有太阳能时，完全靠辅助加热来保证供热设计。

计算参数：

最长加热时间：

8小时

冷水水温：

15℃

热水水温：

55℃

加热水量：

27360kg

由以上参数计算辅助加热功率为：

P=CMΔT/η·H·860=167.5KW

式中：

C：

水的比热1千卡/kg·℃

M：

加热水量kg

ΔT:

加热温差℃

η：

电加热管热效率，无量纲；（取0.95）

H：

加热时间小时

为了电源三相平衡，该系统选择了15KW电加热管12根，合计180KW。

（九）系统运行原理如下：

太阳能热水系统原理图

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热水顶入储热水箱；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热水顶入储热水箱储存。

2）储热水箱满水位时，太阳能温差循环加热

当储热水箱水满时，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。

当太阳集热器水温高于储热水箱水温时，循环水泵自动启动，将储热水箱内较低温度的水泵入太阳集热器继续加热，同时将太阳集热器内较高温度的热水顶入储热水箱。

如此，通过使储热水箱水温升高的方法储存太阳集热器吸收的太阳能。

当用户使用热水，使储热水箱水位下降后，电脑控制器使太阳能系统自动转入定温加热。

3）太阳能不足时，自动启动辅助能源

电脑控制器将随时监测储热水箱水温，当水箱水温达不到使用要求时，自动启动电加热辅助加热，以保证用热水。

4）储热水箱水位控制

PLC控制器将随时监测储热水箱水位。

在天气正常的情况下，储热水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，储热水箱的水位没有达到正常的水位，说明太阳能产热水不足或用户用热水过度，此时，PLC控制器使辅助能源自动启动，当达到正常水位时，PLC使辅助能源自动停止。

5）储热水箱水温控制

当由于循环散热等原因，使储热水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，通过太阳能加热储热水箱内的水；当太阳能不足时，自动启动辅助加热，加热到设定温度，辅助加热自动停止。

6）用热水

采用变频恒压循环供热水方式，一方面减少电能的消耗，一方面保证打开淋浴喷头很快就出热水的效果。

7）系统远程监控

控制器配备的中文显示器可放在2000米内的地方，显示太阳能系统的水温、水箱水温及水量、各控制终端设备（如循环泵、电磁阀、辅助加热等）的运行、故障信息等，并可使用显示器的功能键控制终端设备的运行和设定各种变量值。

系统配备的控制器还预留有网络接口，可以实现远程计算机监控、数据存储及程序升级。

该宾馆太阳能热水系统实景图

（九）该宾馆太阳能热水系统设计特点如下：

1）与建筑一体化。

由于该屋面南侧摆放太阳能面积不足，充分考虑利用北侧廊架造型结构上。

为与屋面协调一致，太阳集热器平铺在屋面廊架造型结构上，给周围环境增添生机起到画龙点睛的作用，绿色能源溶入和谐的人文环境中。

2）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）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；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，也能充分利用起来；

4）CPU智能控制，全自动运行。

采用西门子工业级CPU，运行稳定可靠；采用我公司研制的太阳能控制程序，融入了我公司多年工程安装经验；

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（精确到1升）、太阳能运行状态、故障信息。

5）设计了手动操作功能。

系统自动运行可以与手动操作功能自由转换，系统循环泵及辅助加热设备可以按需要手动操作，真正体现人性化的操作界面。

6）设计了应急操作系统。

保证维修期间热水供应如果太阳能系统出现问题，可以启动应急操作系统，保证维修期间热水供应。

7）热水供应采用变频技术。

保证热水恒压供应，同时节约电能消耗。

（十）设计体会

该太阳能热水系统已在该宾馆中安装运行了两年多时间，经过两年多时间的运行，该系统证明是稳定、可靠的。

并满足了用户的要求，达到了设计目的。

通过本工程的设计，我们感到要真正做到太阳能与建筑一体化，没有房地产商、建筑设计院的参与其结果是不容乐观的。

我们真诚希望有更多的房地产开发商、建筑设计院积极参与到这一行列中来，共同推动绿色能源运用的发展，开创我国建筑节能的美好未来！

太阳能设备应能成为建筑的一部分，相互间有机结合。

太阳能与建筑一体化是太阳能行业发展的必然趋势。

太阳能热水系统与建筑一体化设计，至少应考虑以下几个方面内容：

1）系统外观上，实现太阳能热水器与建筑的完美结合，合理摆放太阳能集热器，无论在屋顶或立面墙上都要使太阳能集热器成为建筑的一部分，实现两者的协调与统一。

同时太阳能集热器不应产生光污染。

2）系统安全方面，要充分考虑系统抗风雪、防冻、防雷等安全问题。

3）在系统管道布局上，合理布置太阳能循环管路以及冷热水供应管路，尽量减少热水管路的长度，建筑物中都要事先留出所有管路的通口。

4）在系统运行上，要求系统可靠，稳定、安全、易于安装、检修、维护，合理解诀太阳能与辅助能源的匹配，尽可能实现系统的智能化全自动控制。

5）在系统使用寿命上，要求系统中关键设备及部件的正常使用寿命不应少于10年。

6）系统结构上，妥善解诀太阳能集热器的安装问题，确保建筑物的承重、防水等功能不受影响

7）在系统设计安装上，要求太阳能热水系统应与建筑同步规划设计，同步施工安装，节省太阳热水系统的安装成本和建筑成本，一次安装到位，避免后期施工对用户生活造成的不便以及对建筑原有结构的破坏。