太阳能节能节水研究与设计创新综合应用解析（丰富多图）

1、建筑给排水节能节水研究与设计创新,关于绿色建筑,绿色建筑 】(绿色建筑评价标准)在建筑的全寿命周期内，最大限度地节约 资源 ( 节能、节地、节水、节材 ) 、保护环境和减少污染，为人们提供健康、 适用和高效的使用空间，与自然和谐共生的建筑,江亿：“我认为,绿色建筑的解释就是朴素的住房,满足基本需要即可。我们不 需要遍地是CCTV那样的标志性建筑。绿色建筑绝不是先进技术的组合,少盖房子；少盖奇形怪状的房子,中国绿色认证】（绿三星）三星是条文制的，要求各大类的控制项必须达标， 达标的条文分布较为均匀,美国绿色认证LEED】： LEED是打分制，只要总分到，不管分值如何分布， 就获得相应的标识,竞争

2、】涉外租赁销售的项目用LEED；评国家奖项、拿绿建补贴用“绿三星,太阳能光热利用现状,太阳能企业、政府积极；房地产商消极；设计人员被动应付。 北京市太阳能热水系统城镇建筑应用管理办法自2012年3月1日 起施行许多地区出台了类似的规定,其中规定，新建、改建工程的建设单位、设计单位应当按照国家 标准和北京市地方标准的要求进行太阳能热水系统的设计,政府强制是双刃剑,紧凑式单体太阳能集热器有一定成熟性,集中太阳能系统技术尚未成熟，做的好非常不容易,集中太阳能系统最重要的是“系统集成”、涉及多个专业,太阳能热水的适用范围,居住类建筑：住宅、酒店、公寓、病房,宿舍、监狱等住宿用房,稳定热水用量的民用建筑

3、：餐饮建筑；游 泳馆、体育馆等对社会长期开放的文体活 动场所,特殊工业、农业生产场所,一般办公、楼堂馆场所等公共建筑不应设 置集中热水，更不应设置太阳能热水，否 则是能源浪费、劳民伤财,住宅生活热水特点及要求,1、连续性：24小时、365天 2、负荷总量小：日均4050升/天.人 3、负荷变化大：时变化系数23 4、及时性：热水出水时间小于15s 5、舒适性：流量、压力、温度 6、计量收费：每户单独计量,高层住宅太阳能热水特点,1、屋顶面积紧张,2、阳台分户：热效率降低、户内占用面积、维修,管理难、风噪、安全隐患,3、集中热水：机房面积大、水箱管网损失大； 4、计量复杂：水表户外设置支管距离长

4、，浪费水,不舒适；户内设置水表运营成本昂贵,5、分户贮热占用面积、辅助加热控制困难、热效,率降低、存在安全隐患,专业系统设计的重要性,市场与需求,建 筑 一 体 化 技 术 设 计,建筑、 景观 设备、 管道 系统 控制,策划与决策 产品选型、系统制定 施工安装 运行维护管理 后评估（节能效果分析,专 业 工 程 设 计,供应商? 设计院,集热器,热水系统设计的主要内容 负荷计算【平均负荷、汽车里程原理】 系统的选择【控制最终系统效率、用户实际得热量,集热器选型【因地制宜】 集热器集热面积计算【充分考虑实际需求,管网系统,热水系统选择：水温、压力平衡、辅助热源 辅助设备【换热器、水泵选型】 贮

5、热设施【推荐紧凑式贮存】 管道保温【非常重要、系统节能是第一位的,集热系统【简化控制】 自动控制 配水系统,广州住宅能耗分析,北京、上海住宅能耗分析,标准规范制定方面,在标准和规范的制订方面，政府相继颁布了一些太阳热水器产品质量标准和技 术规范，用以规范太阳热水器产业和市场。到目前为止，由全国能标委归口制定、 修订的有关太阳热水器的国家标准共有9项，其中2项属于基础标准，4项属于试验 及评价方法标准，3项属于产品标准。此外，还颁布实施了1项行业标准。这些标准 和方法对太阳热水器市场的发展和规范化都起到了不小的促进作用。具体如下： 基础标准：1992年3月1日GB/T12936.1-1991“太

6、阳能热利用术语第一部分”； 基础标准：1992年3月1日GB/T12936.2-1991“太阳能热利用术语第二部分”； 试验方法标准：1992年2月1日GB/T12915-1991“家用太阳热水器热性能试验方 法,试验方法标准：1995年12月1日GB/T15513-1995“太阳热水器吸收体、连接管及 其配件所用弹性材料的评价方法,试验方法标准：1999年11月1日GB/T17683.1-1999“太阳能在地面不同接收条件 下的太阳光谱辐照度标准第一部分,试验方法标准：2000年8月1日GB/T4271-2000“平板型太阳集热器性能试验方法,产品标准：1997年12月1日GB/T6424-

7、1997“平板型太阳集热器技术条件” 产品标准：1998年4月1日GB/T17049-1997“全玻璃真空太阳集热管”； 产品标准：1999年7月1日GB/T17581-1998“真空管太阳集热器”； 行业标准：1999年1月1日NY/T343-1998“家用太阳热水器技术条件,不合格产品的负面影响,12,平板型,真空管型,全玻璃真空,管型,金属玻璃真空 管型,U型管型 单玻璃同轴 直流热管,双玻璃同轴 直流热管,热管式,平滑材质太阳能集热器 太阳能集热器,非平滑材质太阳能集热器,塑料集热器橡胶集热器,集热器分类及特点,全玻璃真空管,市场主力产品，适宜独 户家庭屋面使用,直插管有成熟性； 不承

8、压，o型圈易老化； 闷晒、自然循环； 爆管影响使用； 开式系统不适合大面积 集中热水工程使用,水质卫生存在安全隐患 内置电热棒存在安全隐 患 家用热水器-横管,爆管漏水 型圈 易老化,热管式真空管集热器,铜超导热管,联箱管,玻璃真空管 易结垢 软木塞 承压、适宜集中系统 过热、水质要求高 铜材要求高、热管寿命不 稳定，存在较大争议,U型管集热器,真空管内不直接走 水，避免漏水问题,发生 承压、适宜小型集 中系统 过热、水质要求高 系统配水困难，供 回水平衡复杂，存 在气堵现象。 系统阻力大、效率 偏低,太阳能循环供水管,太阳能循环回水管,焊接要求高，膨胀易损坏,传统平板集热器,新型陶瓷太阳能集

9、热器,新型陶瓷太阳能集热器,集热器与建筑一体化-屋面,集热器与建筑一体化-屋面,集热器与高层建筑建筑一体化-阳台,工程实践,广州亚运村 北京奥运村,中央财经大学 谷泉会议中心,研究,实验室 实验基地,目的,重点研究集中太阳能热水系统的合理模式，包括集热、供,水、计量、节能等综合因素,2,1,3,花洒,实验室太阳能试验研究 集热器,实验室,采集卡,集,输,2,1,3,太阳 能系 统,转 化,实验 数据,传感器 的选择,测试软 件编制,主要工作测试平台的设计,水箱中部温度,太阳辐射量,C m(Te Tr,50,100,150,250,300,350,400,100 0,100 0,800 700

10、600,200 时间,6.23 6.24 6.25 6.26 6.27,50,100,150,250,300,350,400,15 0,25 20,500 40 400 35 300 30 200,55 50 45,200 时间,6.23 6.24 6.25 6.26 6.27,日期 效率 日总辐照 w/m2,6月23 53.68% 262012,6月24 58.46% 262712,6月25 60.89% 202620,6月26 60.74% 191614,6月27 63.84% 156795,平均值 59.52% 215150,温度差值,30.16,33.07,25.88,24.98,19

11、.98,26.814,实验表明：本系统的平均日效率为59.52%，高于国标要求,研究成果日平均效率分析,ACH,= P,推导系统 效率公式,日期 6月19日 6月23日 6月25日 6月26日,水箱初始 温度 23.21 24.09 23.77 24.68,水箱终止 温度 51.35 54.08 49.86 49.4,水箱升 温值 28.14 29.99 26.09 24.72,日曝辐量 kJ/ 13794.54 15348.90 11152.98 11517.90,系统效率 56.7% 54.3% 65.0% 59.7,研究成果系统效率与日辐照量的关系 可以看出当日辐照量大的时候， 系统的系

12、统效率反而很小，这是 因为平板型集热器的热损失会随 着平板的温度升高而增大，而系 统的效率很大程度上与系统的散 热性能相关,Atp,t0 +ti,2,Cp(t0 ti,研究成果盘管换热效率研 究,d,K = D,0 波纹管传热系数的变化曲线 1 2 3 换热系数的测量值在56.02和188.32范围之间变化， 换热系数的平均值为135.75，相对较低,结论,1、得到了一套完整的太阳能热水系统性能测试平台,2、实验不但从理论上计算和推导了双循环太阳能热水系统的工程参数，也 推导了系统效率和瞬时效率公式并提出了一种循环盘管换热系数计算公式。 3、通过水箱温度T随时间t的变化关系方程可以看出水箱升温

13、较迅速。 4、双循环的分体式太阳能热水器布置灵活，易于与建筑结合。系统效率为 59.5%，满足使用要求,5、得到水箱温度与辐照量的关系,6、得到日辐照量与双循环系统效率的非正比关系,7、双循环换热系统的盘管传热系数K的平均值较低，为135.75。这是由于 本系统选用的波纹管的波距过密所导致的，可以适当改进。 展望,由于时间关系，对于太阳能热水系统的研究还仅仅处于一个初步阶段,本装置尚有许多需要继续完善和研究的地方,实验基地,实验基地,广州亚运城热水系统综合测试,1.3.2 研究意义,第一，通过此次实地测试广州亚运城太阳能与水源热泵耦合热水系统 的应用情况，这种针对实际工程的测试，在国内还不多见

14、，尤其是亚 运会这种国际上的大型体育赛事，极具实际研究意义,第二，本测试的第一阶段在亚运开幕前的一个月内进行，在亚运城试 运行阶段和相关演练中，发现了一些系统运行中出现的问题，并告知 设计方、施工方与管理方，在亚运开幕之前及时整改，避免了亚运会 期间同样问题的出现，为亚运会参与各方挽回了一定的损失,第三，通过本次测试，分析太阳能与水源热泵耦合热水系统的运行情,况，给出测评报告，填补国内在该项技术研究上的空白,第四，通过研究太阳能与水源热泵耦合热水系统，发现了运行中的不,足之处，进行优化分析，给出可能的优化建议,2.1运动员村太阳能系统概况,广州亚运城太阳能热水系统采用了两种太 阳能集热器，分别

15、是布置在媒体中心屋面 的平板式集热器和布置在运动员村与技术 官员村的玻璃金属真空管集热器，集热 器总面积达到12000m2，平板集热器面积 为4850m2，真空管集热器面积为6200m2,常规太阳能集热系统原理图,一级站室、二级站室热水系统原理图,图3-1 相同环境条件下不同太阳房真空管太阳能测试结果,Fig. Under the same environmental the different vacuum tube results,图3-2 亚运期间2区6栋太阳能集热量、集热效率随辐照变化曲线,Fig.2-5 The curve of solar set heat and collecto

16、r,efficiency with the irradiation of area two building six,图3-3 现场进行仪器的安装与调试,Fig.3-1 Site equipment installation and commissioning,图3-4 仪器的校核与数据的校正 Fig. 3-2 Check the instrument,calibration and data,水箱温升,图3-5 媒体中心水箱温升随温度变化曲线,Fig.3-5 The curve of tank temperature change with temperature in,media cent

17、er,图3-6 运动员村太阳房水箱温升随温度变化曲线,Fig. 3-6 The curve of tank temperature change with temperature in,athletes village,图5-1 媒体村热水管网温度测点布置图,图5-2 11月13日媒体村低区供水管网起端、末端温度及温降曲线,图6 四区44栋A单元供回水水温曲线,广州亚运城成果,广州亚运城太阳能水源热泵项目设计要点介绍,给水排水2011年第07期,广州亚运城生活热水管网系统设计与能耗分析,给水排水2011年第07期,从广州亚运城项目分析住宅能耗比例,给水排水2011年第08期,广州亚运城运动员村

18、太阳能集热水箱保温性能测试研究,给水排水2011年第08期,亚运城玻璃金属真空管太阳能集热效率测试研究,给水排水2011年第09期,广州亚运城太阳能生活热水系统的思考,给水排水2011年第10期,广州亚运城成果,广州亚运城运动员村生活热水用水规律分析研究,给水排水2011年第10期,广州亚运城双水箱太阳能集热系统运行工况研究,给水排水2011年第11期,广州亚运城媒体村生活热水管网系统数值模拟分析,给水排水2011年第11期,广州亚运城运动员村赛后设计运行策略研究,给水排水2011年第12期,运行状态下直接式太阳能系统集热性能测试方法,给水排水2011年第12期,图7-1 亚运城真空管集热器（

19、左图）与平板集热器（右图） Fig. Asian Games vacuum tube collector (left) and flat,plate collector (right,亚运城,太阳能,集团位于山东省德州市德州区，选定的测试系 统为集团培训中心1#公寓楼太阳能热水工程。该 公寓为太阳谷酒店共有85个房间，170个床位。太阳 能热水系统布置在5层楼顶。楼顶标高17.2m。楼面设 计飘板型钢结构，集热器分东、西两部分布置，共安 装76台，集热器型号为JPS-30TT21-00，单台集热 器轮廓采光面积为5.4，系统集热器总轮廓采光面积 为410.4，实际采光面积268.28,图8-1

20、 太阳能集热系统简图,图8-2 双水箱模式原理图,测试目的,为了解决太阳能热水系统利用中的种种问题。主要测 试了该套太阳能集热系统的日有用得热量、集热效率、 水箱温降以及集热效率受哪些因素影响。以达到对太阳 能热水系统运行参数的优化。通过水泵工作时间可计算 耗电量，从而可以得出单位耗电量得到的热量。对整个 系统进行分析，可以得到电能的消耗、热水消耗、节能 率、运行费用等。同时可以了解各项热量损失占总得热 量的比例，进而可以对较大的损失产生的原因进行分析 ，提出合理的意见与建议在以后的运行中达到高效节能 的目的,8.3,8.21,8.22 图9-1 测试期间三天辐照量对比1 图9-2 辐照量与单

21、位面积得热关系图,图9-3 系统效率,15 10 5 0,20,25,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10 11 12 13 14 15 16 17 18,0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0,0.7,0.9 0.8,1,辐照量（MJ/m2,单位面积得热量（MJ/m2,系统效率,图9-4 1#公寓太阳能系统辐照、得热量与效率关系,结论,根据以上数据分析对太阳谷酒店太阳能热水系统得出,以下结论,该集热系统的集热效率相对较高,集热水箱和供热水箱测试期间温升高低不等,由于参数设置不合理导致水泵启停频繁或启动之后不停 泵，运行耗电量偏大，单位能耗集热量低，运行工况不合理； 系统每日处

22、于高温运行时间较长，过热保护现象多见,该系统集热器分两组运行：单相泵连接集热 器28组，采光面积98.84m2；三相泵连接集热器 48组，采光面积169.44m2。在以上所述的双水 箱运行模式下，假设关掉一组单相泵小系统， 仅使用三相泵连接的48组集热器系统,太阳谷酒店热水用水量比较小，导致大量热 水存在水箱，系统处于高温运行状态。由实际 监测数据得知，该酒店7月26号8:00-9月20号 8:00之间公寓总的用水量为170.8m，平均每天 用水3.1t,太阳能与建筑一体化工程案例,北京国奥村,德国宝马汽车,财经大学,财经大学,闭式间接加热供水系统,开式集中太阳能系统【1,集热系统开式 【直接

23、式】， 供水系统开式,集中太阳能系统【2,集热系统闭式 【间接式】， 供水系统开式,集中太阳能系统【3,集热系统闭式 【直接式】， 供水系统闭式,集热系统双水箱,集热系统平面布置图,适合高层 小高层住宅,按分 集散 热集 与热 储分 热散 分储 热,屋面分散集热分户储热多层住宅建筑,集 中 集 热,分 户 储 热,1、贮热罐布置困难 2、支管布置困难 3、串热 4、控制困难 不推荐,集 中 集 热,集 中 贮 热,1、管线长散热量大 2、计量困难 3、用户感知度较差 4、控制复杂 5、造价高、维护难 不推荐,传统太阳能热水系统分析,单罐箱储存：太阳能热源与辅助热源电在一个空间内， 互相干扰，太

24、阳能热效率不高；控制困难。家用、水箱 带加热棒,全玻璃真空管集热器承压运行易爆管,金属玻璃管造价高、运行成本高北方需要防冻液； 热水系统输配系统复杂、运行成本高管网散热量较大； 集中集热直接式集中供热水；集中集热间接集中供热水,集中集热分散式供热水,全成本较高需要做水箱间,合理控制户均热水管网能耗指标,“户均热水管网能耗指标”是指每户住宅分担的室内外热水管网不包,括户内支管平均耗热量,生活热水具有日耗能量较小、长年连续性使用、年累计耗能较大等技 术特点；资料表明住宅热水全年能耗占住宅总能耗的30%，因此生活 热水的节能应引起足够重视,由于全日制集中热水系统需要满足热水的及时性、稳定性、舒适性的

25、,要求，管网全天均需保持适宜的温度，因此管网的能耗较大,根据亚运村设计经验与理论分析表明，“户能耗指标”平均时散热量 合理数值控制在6080w为宜，折算成每户平均日管网能耗指标为 14401920w，并不宜超过每户住宅平均日热水能耗的30,太阳能利用性能比较,新型间接即热热水系统研制与应用,1、换热原理,2、最大化贮热、系统 热效率高,3、充分利用现有成熟 产品,4、保证水质,5、无水箱间、无动力 循环,推荐,无,动,力,循,环,住,宅,热,水,系,统,屋面布置图,户型大样图,户内管道三维图,无计量管道贮热换热住宅热水系统,新型间接即热热水系统工程应用,建,筑,一,体,化,建,筑,师,的,要,

26、求,北邮项目,开源（引新水源,节流（使用与管理,建筑与小区节水,城,市,再,生,水,小,区,中,水,再,生,水,小,区,雨,水,再,生,水,海,水,等,其,他,水,源,减,少,管,网,漏,损,节,水,龙,头,节,水,器,具,完,善,计,量,监,管,系,统,采,用,无,负,压,供,水,技,术,加,强,宣,传,教,育,建筑中水的技术复杂性和难度,收集难度：污废分流，双管路系统，占用户内面积,处理难度：水量稳定性较差、总量较小、设备运行困难；水质 可靠性较差,供水难度：单独供水管路，计量难题、误饮误用问题【居民自 装修、但冲洗身体马桶,管理难度：中水机房运行管理对技术人员要求较高,经济难度：成本较高，经济效益较差【全成本3万/m3.d】 认知难度：普通民众认可度较低，尤其突发传染病时段,北京25年来的建筑中水实践证明是失败的,住宅户内不应采用中水,建筑节水技术的选择,建筑建筑小中水,市政区域中水,建筑内部分户中水【模块节水装置,雨水利用,市政大中水,合理的优良设计、设备、管材,CAG）是2000年 4月由原建设部四家直属的建设部设计院、 中国建筑技术研究院、中国市政工程华北 设计研究院和建设部城市建设研究院组建 的大型骨干科技型中央企业，前身是创建 于1952年的中央直属设计公司，改革开放 后是第一批进入国际建