济南市东荷别墅太阳能综合利用系统研究与设计.docx
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济南市东荷别墅太阳能综合利用系统研究与设计
本科毕业设计说明书
题目：
济南市东荷别墅太阳能综
合
利用系统研究与设计
院（部）：
热能工程学院
专业：
热能与动力工程
班级：
热动103
姓名：
高斌
学号：
2010031318
指导教师：
刘学来
完成日期：
2014年6月12日
摘要...........................................................Ⅳ
ABSTRACT.........................................................V
1.绪论..........................................................1
1.1课题背景及意义.........................................................1
1.2太阳能地板采暖可性.....................................................1
1.3系统的总体结构..........................................................1
2.设计概况及依据..................................................3
2.1工程概况................................................................3
2.2设计规范及标准..........................................................3
2.3设计参数................................................................3
2.3.1地理位置..............................................................3
2.3.2气象参数..............................................................3
2.3.3室内设计温度参数表.....................................................4
2.4围护结构................................................................5
3.负荷计算........................................................7
3.1围护结构耗热量计算......................................................7
3.1.1围护结构的传热系数....................................................7
3.1.2基本耗热量（屋顶，门，墙，窗耗热量）计算..............................8
3.2朝向修正后围护结构耗热量.................................................8
3.3冷风渗透耗热量...........................................................9
3.4冷风侵入耗热量..........................................................10
4.低温敷设采暖计算................................................11
4.1散热器的选型...........................................................11
4.2散热器的布置...........................................................12
4.3盘管的布置.............................................................11
4.4低温热水地板敷设采暖地面散热量的计算...................................13
4.5地暖敷设的基本原则.....................................................14
5.系统方案的选取.................................................16
5.1供热系统的选择.........................................................16
5.2热水供热系统的基本要求.................................................17
5.3太阳能供热系统的特点...................................................17
5.4系统设计方案确定.......................................................17
6.系统主要设备选型...............................................19
6.1太阳能集热器的选型.....................................................19
6.2太阳能采暖供暖系统水箱的选型...........................................20
6.2.1缓冲水箱的选型......................................................20
6.2.2洗浴水箱的选型......................................................21
6.2.3储热地暖水箱的选型..................................................21
6.3辅助热源的选择.........................................................21
6.4管材和支架的选择.......................................................22
7.系统水力计算...................................................23
7.1水力计算步骤...........................................................23
7.2循环水泵的选型.........................................................23
7.2.1集热循环水泵的选型...................................................24
7.2.2采暖供热循环水泵的选型...............................................25
7.2.3换热循环水泵的选型...................................................25
8.管道保温.......................................................27
8.1保温管道的确定.........................................................26
8.2保温材料的选择.........................................................26
8.3管道保温施工...........................................................26
9小结...........................................................28
谢辞.............................................................29参考文献.........................................................30
附表-1...........................................................31
附表-2...........................................................36
附表-3..........................................................38
摘要
常规能源的大量消耗和日趋枯竭,已严重影响了人类社会的可持续发展。
太阳能作为开发和利用新能源的重要内容,有着巨大的社会效益和环境效益。
随着太阳能技术的成熟，以及人们节能意识的提高，太阳能的利用变得普遍化。
近几年太阳能行业蓬勃发展，国家大力扶持，太阳能企业抓住机会，成功实现了太阳能产品与建筑的结合--太阳能与建筑一体化。
经过几年发展，太阳能在建筑中的应用变得多元化，不单单提供生活热水，还可以实现制冷，地暖，发电等综合利用。
太阳能集热系统的主要部件包括集热器，循环水泵，缓冲水箱和连接管道。
地暖系统主要包括储热水箱，地暖盘管，分集水器和连接管道。
本设计采用三个水箱，分别是缓冲水箱，洗浴水箱和储热水箱。
缓冲水箱的主要功能是容纳集热器中的热媒膨胀量，保证系统热媒顺畅运行；洗浴水箱保证了卫生的生活热水；储热水箱保证了太阳能的高效利用，白天剩余的热量储存在储热水箱中晚上用。
本设计在65%节能建筑的基础上，设计一种太阳能地暖和洗浴综合系统,为建筑冬季供暖并提供生活热水，使太阳能得到高效，充分，综合利用。
但太阳能受天气影响较大，不能保证稳定的热量输出，因此本设计采用燃气锅炉做辅助热源。
关键词：
太阳能；节能建筑；地暖；综合利用
TheresearchanddesignofsystemintegratedEasternLotusVillasolarenergyinJi'nan
Abstract
Largeconsumptionofconventionalenergyandtheincreasinglyexhausted,hasseriouslyaffectedthesustainabledevelopmentofhumansociety.Solarenergyasanimportantcontentofnewenergydevelopmentandutilization,hasthehugesocialandenvironmentalbenefits.Withthedevelopmentofsolarenergytechnology,andimprovepeople'sawarenessofenergysaving,theuseofsolarenergybecomewidespread.Inrecentyears,thesolarindustryisbooming,nationalsupport,solarenergyenterprisestoseizetheopportunity,thesuccessfulimplementationofthecombinationofsolarenergyandbuildingintegratedsolarenergyproductsandbuilding.Afterseveralyearsofdevelopment,theapplicationofsolarenergyinarchitecturebecomediversified,notonlyprovidelivinghotwater,canalsorealizerefrigeration,heating,comprehensiveutilizationpoweretc.
Themaincomponentofsolarcollectorsystemcomprisesaheatcollector,circulatingwaterpump,thebuffertankandaconnectingpipeline.Floorheatingsystemconsistsofheatstoragewatertank,heatingcoil,diversitywaterdeviceandaconnectingpipeline.Thisdesignadoptsthreewatertanks,respectivelyisthebuffertank,bathwatertankandthehotwaterstoragetank.Themainfunctionofthebuffertankisreceivingsetheatmediumheaterintheexpansionvolume,assurancesystemofheatmediumrunsmoothly;bathwatertanktoensurethehealthoflivinghotwater;theheatstoragetanktoensuretheefficientuseofsolarenergy,theresidualheatisstoredinthehotwaterstoragetankintheevening.
Thedesignisbasedonthe65%energy-savingbuilding,designedasolarheatingandbathingintegratedsystem,fortheconstructionofthewinterheatingandprovidehotwaterforlife,tomakesolarenergyefficient,full,comprehensiveutilization.Butsolarenergyisinfluencedbyweather,cannotguaranteeastableheatoutput,sothedesignusinggasboilerauxiliaryheatsource.
Keyword:
solarenergy;energysavingbuilding;heating;comprehensiveutilization
1绪论
1.1课题背景及意义
20世纪以来，世界范围的能源消费量大幅度增长，同时许多国家都存在着不同程度的能源危机，因此相对于常规能源（如煤、石油、天然气）而言的新能源（如太阳能、核能、地热能）的利用成为解决能源短缺问题的新出路。
从20世纪70年代开始，太阳能热利用技术迅速发展起来，太阳能辐射采暖也随之出现。
使用太阳能作为采暖热源，一方面可以节省对常规能源的消耗，减轻采用常规能源对环境带来的压力；另一方面，可以独立采暖，省去了城市管道敷设的工程。
因此，太阳能采暖的发展前景非常明朗。
1.2太阳能地板采暖可行性
利用地板辐射采暖与太阳能集热系统相结合，室内设计温度可比散热器形式低2℃～3℃，节能20%～30%。
地面作为散热源温度不能过高，人员经常停留处一般不高于29℃。
地板采暖温度一般都在60℃以下，太阳能集热器在工质温度低的情况下效率较高，所以它是目前建筑冬季采暖的最佳解决方案之一
对于普通建筑一般采用主动式太阳能采暖，主动式太阳能采暖又分为直接式和间接式。
所谓间接采暖就是太阳能集热器加热的热水并不直接拿去供暖而通过辅助热源（电加热、热泵等）将该热水的温度提高后再拿去供暖。
直接式就是将太阳能集热器加热的热水直接用来供暖，低温地板辐射采暖就是目前得到广泛应用的一种直接采暖方式，其主要特点是供水温度要求较低，所以将太阳能与地板采暖相结合非常适宜。
本设计采用直接式太阳能采暖，通过集热器将热水加热，用于采暖。
1.3系统的总体结构
本设计采用了缓冲水箱，一方面可以容纳热媒的膨胀量，另一方面便于将热量传递到蓄热水箱和洗浴水箱。
洗浴水箱采用了间接换热，保证洗浴用水的卫生。
备用热源使用了博世燃气壁挂锅炉。
系统原理图见下图：
图1—1系统原理图
2设计概况及依据
2.1工程概况
本工程为济南市一栋四层小型别墅，其中有客厅、卧室、厨房等功能用途的房间。
层高为3米，建筑面积约178.2平方米，采暖面积约为558平方米。
该系统设计的主要内容是建筑围护结构耗热量的计算，采暖系统以及热水系统方案的选择与确定，散热器的选择，地暖盘管的选择，太阳能集热器面积和蓄热器容积的计算，水力计算，备用热源的选择说明。
该工程采用地暖辐射式太阳能热水供暖系统，备用热源与太阳能集热系统联合运行，当集热器供应的热水达不到要求时，由辅助热源加热热水。
2.2设计规范及标准
[1]《采暖通风与空气调节设计规范》GB50736-2012（本文简称《暖通规范》）
[2]《太阳能热水系统设计规范》DB37149-2007
[3]《建筑给排水设计规范》GBJ15-88
[4]《民用建筑节能设计标准》JGJ26-95
[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]《地面辐射供暖技术规程》JGJ_142-2004
[7]《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》GB50736-2012
2.3设计参数
2.3.1地理位置
山东省位于黄河下游，处于北纬34.25～38.23，东经114.36～122.43，之间。
其济南市位于北纬36°40′，东经117°00′
2.3.2气象参数
济南市属暖温带大陆性季风气候。
其主要气候特征是：
季风明显，四季分明；冬冷夏热，雨量集中。
季风明显，四季分明。
冬冷夏热，雨量集中。
冬季济南市受蒙古冷高压控制，盛吹寒冷的偏北风，一般6～8天有一次冷空气侵入，使气温不断降低。
冬季最冷月平均气温在0℃以下，极端最低温度平均在-20℃以下（平阴县为-18.9℃，长清县为-19.1℃，济南市北郊为-19.7℃，济南市东郊为-22.5℃，章丘县为-24.5）℃，低于-10℃的严寒日数98%集中在冬季。
表2-1济南市气象资料
济南
纬度36度41分，经度116度59分，海拔高度51.6米
月份
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
月平均室外温度（℃）
-1.4
1.1
7.6
15.2
21.8
26.3
27.4
26.2
21.7
15.8
7.9
1.1
水平面月平均日太阳总辐照量（MJ/㎡·d）
8.376
10.930
14.423
16.679
20.770
21.055
16.776
15.663
14.884
12.093
9.089
7.657
20度倾斜表面月平均日太阳总辐照量（MJ/㎡·d）
13.630
15.225
16.634
16.523
18.716
18.212
14.812
14.979
16.498
16.003
14.162
13.854
月日照小时数
175.0
177.3
217.7
248.8
280.3
263.1
216.9
224.3
224.4
216.4
181.2
171.9
注：
倾斜表面月平均日太阳总辐照量为15.77MJ/（㎡·d），根据朝向及集热器安装倾角进行相应计算，得在20度倾斜表面的月平均日太阳辐照量为1.0×15.77=15.77MJ/（㎡·d）。
冬天采暖月份（11月-来年3月）35度倾斜表面月平均日太阳总辐照量为15.51MJ/（㎡·d）——实验得出，仅供参考。
本设计辐射面采暖供水温度50℃，回水温度为30℃。
有天然气输送到别墅。
室外气象条件
冬季：
供暖室外计算温度tw=-7℃
室外大气压力p=1020.2mbar；主导风向：
EN
室外平均风速：
V=3.2m/s；最大冻土深度:
h=0.44m
日平均温度Tm=+5℃的天数106天；极端最低温度:
-13.7℃
2.3.3室内设计温度参数表
室内计算温度是指距地面2m以内人们活动地区的平均空气温度，对于一般民用建筑可以勇气房间无冷热源影响的集合中心处的温度来代表。
室内空气温度的选定，应满足人们生活和生产工艺的要求。
生产要求的室温，一般由工艺设计人员提出。
生活用房间的温度，主要取决于人体的生理热平衡。
它和许多因素有关，如房间的用途，室内的潮湿状况和散热强度，劳动强度，以及生活习惯，生活水平有关。
根据国内外有关卫生部门的研究结果认为：
当人体衣着适宜，保暖量充分且处于安静状况时，室内温度20度比较舒适，18度无冷感，15度是产生明显冷感的温度界限，本着提高生活质量，满足室温可调的要求，并按照国家现行标准《室内空气质量标准》（GB/T18883）要求，把民用建筑主要房间的室内温度范围定在16-24度。
本设计采用的室内温度如下表：
表2-2室内设计温度参数
房间名称
活动室
卧室
厨房
餐厅室
书房
健身房
室内设计温度（℃）
20
20
20
20
20
20
房间名称
卫生间（阁楼）
楼梯间
走廊
会客厅
杂货间
储藏室
室内设计温度（℃）
20
20
20
20
15
15
2.4围护结构
为了保证室内人员的热舒适性要求，并符合节能65%的标准，根据室内空气温度与围护结构内表面的温差要求来确定围护结构的材料及材料厚度。
总结构的传热热阻按下式计算：
m2·℃/W（2-1）
式中：
――各层材料的厚度，mm；
――各层材料的导热系数，W/m·℃。
――内表面换热系数，这里取8
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