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太阳能热水系统设计

发布时间:2021-03-18 点击量:91
  太阳热水系统设计及应用的一般原则
  GB/T 50364-2005《民用建筑太阳能热水系统应用技术规范》规定的太阳能热水系统技术要求,其他要求可以参考国标中的具体条款。
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  设计步骤
  1、系统计算
  1.1、选择合适的热水系统
  1.2、计算系统的热水使用量和系统热量
  1.3、根据气象和自然条件计算出集热器轮廓面积
  1.4、根据建筑物和欲安装区域日照条件核实集热器的轮廓面积
  1.5、根据热水系统使用条件,设计辅助能源系统及其功率。
  1.6、设计储热水箱的容积
  1.7、建筑物承载能力校核
  2、系统设计
  2.1、系统运行原理图设计
  2.2、集热器安装基础图和支架图纸设计
  2.3、储热水箱形状和各管道接口及水箱安装基础的设计及验算
  2.4、管路系统的设计
  2.5、控制系统的设计和设备选型。
  2.6、避雷系统及安全保护系统和维护通道的设计
  2.7、建筑物外观保护和防水系统的设计
  一般来说,较小面积的系统, 如果水箱可高置,多采用自然循环系统;较大面积和水箱不能高置的系统,多采用强制循环系统;需要24小时或白天需要使用热水的,多采用直流系统;每天都需要热水的,应配置辅助加热系统。
  目前国内的太阳能热水系统多采用开式系统,别墅型太阳能热水系统多采用闭式承压二次回路系统。
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  太阳能集热器选型
  集热器类型的选择主要考虑下列因素:
  1、当地的地理位置;
  2、环境温度;
  3、全年的使用时间;
  4、使用水温;
  5、投资与收益等因素。
  1)在不结冰地区全年使用或虽是结冰地区,但仅在春、夏、秋季不结冰的时候使用时,一般选择平板集热器。
  2)结冰地区全年使用的,不需要承压运行的,除高寒地区外,均可选用全玻璃真空管集热器。
  3)高寒地区全年使用的,可选择热管集热器,也可选择各种金属流道式真空管集热器,做成双回路系统。
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  用水量和热量计算
  国家有关部委有定额标准,但该标准比较高,一般很难实现。我们一般在设计时按照普通单位人均50kg热水,星级宾馆人均80~100Kg的原则执行。如果甲方有特殊要求,再单独考虑。根据单位用水量和单元数,求出总用水量。
  只有计算出了热水需求量,才能进行其他计算,这是所有设计计算工作的基础。
  计算出热水量后再根据自来水的初始温度和需要的热水温度计算出需要的热量。
  加热热水需要热量的计算:
  计算公式:Q=C×M×Δt
  式中各符号的意义:
  Q:需要的热量。单位 千卡或兆焦;C:水的定压比热容,数值为:1卡/克.度,或4.18焦耳/克度,M:水的质量,单位千克;Δt:水的温升,单位为度。
  例如:10吨水温升30度需要的热量是
  Q=10 ×1000×30=300,000 (千卡)或
  Q=4.18 × 10 ×1000×30=1,254,000 (千焦耳)。
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  集热器集热面积计算
  据行业相关人士意见,实际上这个公式存在很多问题,主要表现为如下方面:
  1、很多参数都让我们在很大范围内选择,几个不确定的参数乘起来后造成的误差是很大的。
  2、太阳能保障率选择多少合适,是年保障率,还是日保障率?因为每个地区的太阳都不是365天都有的,太阳的实际保障率就是小于1的,即使我们每个晴好天气的保障率都是100%,其实际保障率还是小于100%的。
  3、JT当地集热器采光面上年平均太阳辐照量也有很多问题。年平均值会和我们的实际值差很大。记住“2”“8”定则-你就知道平均值的不可靠性!!
  为了计算准确,应按不同的季节分别计算,因为不同季节太阳的辐照量不同,自来水的初温不同,环境温度不同,风速不同,热量损失也不同。根据不同季节计算出集热面积后,再根据情况选择。设计的原则是:春秋季节应基本满足100%保障率,冬季低于100%,夏季略有富余。
  1、注意不同产品的集热效率不同;
  2、注意灰尘的影响,一般在0.90~0.98;
  3、注意管路和水箱散热的影响,在0.90~0.95;
  4、注意系统加热方式的影响 间接系统在0.90~0.95;
  5、注意太阳能系统运行方式影响,强迫循环的运行方式,其平均热效率比自然循环和直流系统低3~5%。
  不同季节产生10吨50 ℃热水所需要提供的能量。
  分不同季节计算太阳能集热器的面积时,统一把太阳能保障率定义为100%,系统的效率按照集热器轮廓面积的效率进行计算,太阳辐照量按照晴好天气的辐照量取值。
  不同季节产生10吨50 ℃热水所需要提供的能量和集热面积。
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  辅助能源的计算
  根据上面计算的能量,我们以在最恶劣的情况下4小时内把用户所需热水加热到满足使用条件的原则来选择各种辅助能源。以电加热为例,其计算公司为:
  P=0.00116×M×Δt/T
  式中各符号意义
  M:水的质量,单位Kg;
  Δt:水的温升,单位为度;
  T:加热时间,单位小时;
  P:电功率,单位Kw。
  冬天太阳曝辅量按每天17MJ/m2计算,热水器效率按50%计算,得到冬季不同热水量不同温升时的联集管系统面积,表中的数据为m2,实际设计时要乘以85%。
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  辅助电加热功率的计算
  1:计算公式:Q=C×M×Δt
  式中各符号的意义:
  Q:需要的热量。单位 千卡或兆焦。
  C:水的比热容,数值为:1卡/克度,或4.18焦耳/克度。
  Δt:水的温升,单位为度。
  例如:10吨水温升30度需要的热量是Q=10 ×1000×30=300,000 (千卡)或Q=4.18× 10 ×1000×30=1,254,000 (千焦耳)。
  2:电能转换成热能的计算方法
  电功率:单位为:KW,电能:单位为:千瓦时(度)。
  1千瓦时(度)=3.6兆焦=861千瓦。
  按4小时电加热时间计算的电功率表格
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  太阳能集热器朝向与倾斜角
  从上图可以得出:当太阳光线与集热器的采光面垂直时,集热器倾角θ与当地纬度角Ф以及太阳赤纬角δ有如下关系:θ= Ф – δ
  1、当全年使用时,可认为全年的平均赤纬角δ为0°,θ= Ф – δ = Ф
  2、当侧重于夏季使用时,可认为该期间的平均赤纬角为10°, θ= Ф – δ = Ф -10°。
  3、当侧重于冬季使用时,可认为该期间的平均赤纬角为-10°, θ= Ф – δ = Ф +10°。
  全年各月代表日太阳赤纬角的近似值
  1、当真空管集热器南北竖放时,具有日自动跟踪功能。在相邻两支真空管不发生光线遮挡时,无论太阳是在东、西任何位置,有效采光面积都一样。但当Ω大于临界夹角Ω0时,相邻的真空管之间将产生光线遮挡。由于真空管集热器南北竖放时,不具有季节自动跟踪功能,因此,集热器的倾角仍应按上述推论确定。
  2、当真空管集热器东西横放时,具有季节自动跟踪功能,无论太阳是在南、北回归线之间任何位置,有效采光面积都一样。但为了保证在全年时间内,相邻两支真空管不发生光线遮挡,集热器的倾角应满足下列条件
  23°27′+Ф -︱Ω0︳≤θ ≤ Ф +︱Ω0︳—23°27′
  式中:23°27′— 表示太阳在南北回归线时的赤纬角的绝对值;
  Ω0 ——— 相邻的真空管之间产生光线遮挡的临界夹角。
  Ω:阳光入射线在集热器横截面上的投影与真空管法线方向的夹角。当Ω大于临界夹角Ω0时,相邻的真空管之间产生光线遮挡。
  Ω0计算公式为:︱Ω0︳= cos-1 [( D1+ D2)/2B]
  式中:D1 D2—分别为真空管内、外管的直径,如:D1=37mm,D2=47mm。
  B——相邻两支真空管之间的中心距。
  以上关于集热器倾角的推论,没有考虑各地不同季节天气的影响。实际上,不同地方在不同季节的实际太阳辐照量是不同的。
  a)某一地方在每年的某一季节,总是雨季,太阳辐射量相对很少,在此时段内,即使太阳光线与集热器采光面垂直,也得不到太多的太阳辐射能;而在另一季节,经常是晴朗天气,太阳辐射量相对较多,在此时段内,由于太阳光线与集热器采光面不垂直,从而失去了得到较多太阳辐射能的机会。
  b)在太阳辐射较强的季节,热水过剩,而太阳辐射较少的季节,热水不足,因此可以让太阳辐射较少的季节尽可能多地吸收辐射能。
  确定集热器倾角最理想的方法是综合考虑当地各时段的太阳辐照量和热水使用需求等因素,求出在满足使用需求的条件下,在整个使用期内能得到最大太阳辐射量的集热器倾角值。
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  储水量及容积确定
  太阳能热水系统只能在白天有阳光的条件下产生热水,而且是一种比较缓慢加热的过程。而使用热水的时间却并不一定都在白天,因此,需要将白天产生的热水储存,以供其它时间使用。储热水箱的作用就是储存太阳集热器产生的热水。
  储热水箱的容量V应根据其蓄热容量VX、热水膨胀量VP和循环回流水量VH等因素确定。
  V = VX + VP + VH
  1、储热水箱的蓄热容量VX ,应根据晴天时太阳集热器的产热水量来确定
  2、储热水箱的热水膨胀量VP,当水温大于4℃时,体积会随水温升高而膨胀。因此应考虑水的体积膨胀量对储热水箱容量的影响 。一般在5%以内。
  3、储热水箱的循环回流水量VH,对于常压系统,当循环水泵停止后,回水管道内的水要回流到水箱里;对于回流防冻的系统,当循环水泵停止后,集热器和管道内的水都要回流到水箱里来。因此必须考虑系统的回流水量。以确保停泵后不发生储热水箱溢流的问题。
  贮水箱的结构形状应根据其容量大小、结构的合理性、现场放置的位置、水箱制作的难易等因素来确定。储热水箱应选择体面比最小的形状。这样既能减小散热面积,还可节省水箱制作的材料。
  1、圆球形状的水箱体面比最小,但制作困难。因此储热水箱的形状一般都选择圆柱形或方形。
  2、对于圆柱形水箱,当高度等于直径时,表面积最小。如果圆柱形水箱高度过高,一般将水箱卧放。要求水箱承压的系统,圆柱形水箱的两个端盖应采用球形端盖,材料厚度应加厚,制作完成后,应按要求作耐压试验。
  3、对于方形水箱,当长、宽、高相等时,体面最小。方形水箱不承压,不易设计的太高。在高度相同的的条件下,长度与宽度相等时,体面比最小。方形水箱可以现场制作,运输方便。方形水箱的承压能力差,需要在水箱内部或外部加拉筋。方形水箱只能用于不承压的系统中。
  贮水箱的材料
  1、钢板水箱
  2、搪瓷水箱
  3、不锈钢水箱
  4、玻璃钢预制水箱
  5、水泥预制水箱。
  6、塑料水箱
  由于贮水箱储存的是热水,不宜采用耐温性能差的水箱。如塑料水箱等。
  贮水箱的开口位置与尺寸
  1、检修人孔:大于3m3的水箱应留检修人孔,以备将来检修时用。人孔的尺寸不应小于400×400mm2,圆形人孔的直径不应小于400mm。
  2、通气孔:常压水箱应留有通气孔,以避免形成负压,使水箱受损,并使下水通畅
  3、排污口:排污口应留在水箱最低的位置,以利于排污。排污口的尺寸不应小于25mm。
  4、溢流口:开式常压系统的水箱应留有溢流口,应不小于进水口,且最小不应小于25mm。
  5、用热水口:
  a)对于承压水箱,用热水口应位于水箱的顶部;
  b)对于顶水使用的开式水箱,用热水口应位于水箱的中上部,且不能低于上循环口;
  c)对于落水使用的开式水箱,用热水口应位于水箱的底部,但应不低于排污口;
  d)对于底部带有电加热管的水箱,用热水口应高于电加热管的位置,以确保电加热管始终浸没在水中,防止电热管无水干烧。
  用热水口的尺寸应根据热水流量大小来确定,一般承压系统不应大于1m/s;常压系统不应大于0.5m/s。
  6、上、下循环口:
  1、下循环口位于水箱的底部,但应不低于排污口,不高于用热水口。
  2、上循环口位于水箱的中上部,不高于用热水口。对于顶水使用的承压水箱,上循环口应在水箱的中下部,但无论何种系统,上循环口都应高于下循环口。
  上、下循环口的尺寸也应根据单位时间的流量大小来确定,一般不应大于1m/s。
  7、其它开口:
  有些系统还需预留测量水温、水位、压力的开口。带有辅助加热的系统还需留有辅助加热系统所需要的各种开口,设计者应根据系统要求合理设计。
  在满足以上要求的前提下,水箱的开口位置还应尽量注意消除死水区,或者尽量减少死水区。但为了防止顶水使用时冷水供应不上,造成热水断流的问题,有意在水箱出热水口上部留出一部分热水高度,当冷水供应不上时,起缓冲作用。
  1、当水箱进出水口处流速、温差过大时,容易造成水箱混水。对于需要水箱水温分层的储热水箱,如顶水使用的储热水箱,应降低管口流速。在设计水箱进、出水口处水管的布置时,下循环管口流出的为低温水,其在水箱内的开口方向应水平或向下;上循环口流进水箱的水为高温水,其在水箱内的开口方向应水平或向上;冷水补水进口的开口方向应水平或向下。以上措施,可以有效降低进出水管处造成的混水问题。
  2、对于自然循环系统,下循环口兼有下循环管的自动排气功能,因此,其在水箱内的开口方向应水平,不能向下,否则将造成下循环管无法自动排气而使系统无法自动循环。
  3、对于落水使用的循环系统,设计时,有意将上循环管口向下开口,有时甚至将上循环口向下延伸至水箱的下部,有意使水箱混流,以减轻水箱的温度分层。对于直流式定温放水系统,设计时也有意将从集热器进入水箱的热水管延伸至水箱的下部,以达到混合水箱水温的作用。
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  系统整体的布局的原则和方法
  前后布局
  一般情况下,集热器在前面,水箱在后面,以避免水箱遮光。但当前面有较高的遮光物时,可将水箱放在前面,集热器后置,加大集热器与前面高遮挡物的距离。
  左右布局
  水箱可以在左边,也可以在右边,主要根据承重、管路短近等因素确定。
  左中右布局
  水箱在中间,集热器围绕水箱前后左右排列。这种布局可以很方便的共用一个水箱做成几个并联的自然循环系统。
  上下布局
  水箱和集热器上下放置。如水箱放在地面或低处。
  前后排间距
  前后排集热器之间应留有一定的距离,以避免前排集热器影响后排集热器的采光
  1、当春夏秋季使用时,只要保证春分、秋分日前后排不遮挡,其它时间就不会遮挡
  2、当全年使用时,只要保证冬至日(此时)前后排不遮挡,其它时间就不会遮挡。
  一般情况下都要求在当地正午时刻,前后排不发生遮挡:
  正午时,h= 90-(Ф – δ ) ,B=OC=OA ctg h= OA tg (Ф – δ )。
  布局形式的选择,主要应根据现场地形确定, 并考虑以下几点。
  (1)水箱承重
  局中,首先需要考虑水箱的位置。因为,水箱是太阳热水系统最重的负载,因此,水箱的放置位置应考虑该位置的承载能力能否能满足水箱装满水后的承重需求。
  (2)集热器摆放
  应尽量使集热器集中在一片位置摆放,这样便于布局,系统比较整洁、紧凑,管路距离也比较短,。
  (3)系统各部分的距离
  系统布局应尽量使集热器距水箱的距离、水箱距用热水点的距离、冷水供水点距集热器和水箱的距离相距较近,以减少管路过长造成的热损失,并减少安装用料,降低工程成本。
  (4)协调性与方便性

  统整体应协调、可靠、美观,施工和维护管理应方便。

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