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1、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
2、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
3、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GB 50364-2005 民用建筑太阳能热水系统应用技术规范GB/T 20095-2006太阳热水系统性能评定规范GB50015-2003建筑给水排水设计规范G
4、B/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
5、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
6、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 8640rtlmqckhQ式中：Qh设计小时耗热量(W)m用水人数，m =228 qr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，kh5.12计算得：Qh=300290(W)2） 设计
7、小时热水量 rtlQhqr163.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 tQsqx16.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 %3602.NgTqrmkhUo式中：Uo生活给
8、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：Uo0.04%查建筑给水排水设计规范(GB500152003)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
9、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
10、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 vk5 qrh30m3。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 0.015 L（s/）计算，该泵的流量为L23425.2 (（L/h）扬程考
11、虑到位置高度，沿程损失，局部损失，计算得 qrh0.15（MPa）2) 热水系统循环泵该泵的流量即为系统设计热水量 qrh5819.57(（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：Hb0.20（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 3014，经度 12010，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 14.46
12、8 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
13、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=（t R- ta）/G，其中 tR 为集热器热水进出口平均温度(产热水温度)，t a 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（t R- 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 ，详见表 1 中全年各月的 数值。表 2 太阳能在杭州地区
14、全年各月的平均热效率值月份 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12ta 4.3 5.6 9.5 15.8 20.7 24.3 28.4 27.9 23.4 18.3 12.4 6.8 0.42 0.46 0.50 0.52 0.55 0.56 0.58 0.57 0.56 0.54 0.51 0.463）太阳集热面积确定根据 GB/T 18713-2002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： )1(LcdTienwWcJftCQA式中： - 直接系统太阳集热器的采光面积，单位 cA- 日均用水量，单位 27360kg。对于该太阳能系统
15、，WQ- 水的定压比热容，单位 KJ/(kg)。应取 4.186 KJ/(kg)。C- 贮水箱内水的终止温度，单位 。对于该太阳能系统，应取 55endt- 水的初始温度，单位 。对于该太阳能系统，应取 15i- 太阳能保证率，无量纲。最新的国家标准建议取 0.30.8。这里取 0.5f- 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TJ12000 KJ/d- 太阳集热器效率，无量纲。据表 2 应取 0.55c- 管路及贮水箱热损失，无量纲。考虑到贮水箱在室内，取 0.2L经计算得: =433.8cA（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 = CMT /H860 = 167.5KW式中： C：水的比热 1 千卡/kgM： 加热水量 kgT: 加热温差 ：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 0100之间任意设定，一般设定在 4555
