太阳能热水系统蒸汽锅炉补热技术研究

1、 本科毕业设计（论文）太阳能热水系统蒸汽锅炉补热技术研究research on the solar energy hot water system steam boiler heat supplement technology致谢四月维夏，山有嘉卉。初春的绿城早已艳阳朝天，花满枝头，欣欣向荣。在这个美好的季节里，我在电脑上敲出了最后一个字，心中涌现的不是想象已久的欢欣，却是难以言喻的失落。是的，随着论文的终结，意味着我生命中最纯美的学生时代即将结束，尽管百般不舍，这一天终究会在熙熙攘攘的喧嚣中决绝的来临。 三年寒窗，所收获的不仅仅是愈加丰厚的知识，更重要的是在阅读、实践中所培养的思维方式、表达

2、能力和广阔视野。很庆幸这些年来我遇到了许多恩师益友，无论在学习上、生活上还是工作上都给予了我无私的帮助和热心的照顾，让我在诸多方面都有所成长。感恩之情难以用语言量度，谨以最朴实的话语致以最崇高的敬意首先要感谢我的导师楼洪梁对我的论文的全面指导。在论文写作的整个过程中，我从思想上、学术上得到了楼老师的悉心帮助和指导。导师渊博的知识，对问题实质的敏锐的洞察力和解决问题的能力，使我克服了在撰写论文过程中遇到的一个个困难。在此，我向楼老师表示崇高的敬意和由衷的感谢! 由于本人理论水平比较有限，论文中的有些观点以及对企业示例的归纳和阐述难免有疏漏和不足的地方，欢迎老师和专家们指正。也非常感谢各位同学的帮

3、助！感谢所有关心和帮助我的人!感谢参加论文答辩和评审、评阅的各位专家！太阳能热水系统蒸汽锅炉补热技术研究摘要：目前常用的太阳能热水供应系统有二种，一种是分散式家用太阳能系统，另一种是集中式太阳能生活热水系统与补充热源的组合方式。由于太阳能的间断性和不稳定性,分散式的家用太阳能系统在一年中的有些月份不能正常使用。集中式的太阳能生活热水系统与补充热源的组合方式，一般在住宅、公寓、宾馆、学校、工厂、部队等热水供应的问题上,一般的辅助热源难以满足要求。本文介绍的系统以太阳能为主要能源,以常规能源天然气为辅助能源,太阳能优先智能自控, 双能源自动转换,保证用户每天有热水供应,比常规能源热水系统节能。这对

4、于缓解能源紧张,降低运行成本、保护环境,将大有裨益。是一值得推广的项目。全文分三大部分。第一部分包括第一章，主要描述太阳能热水系统的发展状况和研究背景的介绍。第二部分包括第二章和第三章，主要描述太阳能热水系统及其分类，并以某酒店的具体情况为例，对太阳能热水系统进行设计。第三部分包括第四、五、六章,提出了太阳能热水系统和燃气锅炉的组合方案，并且描述了一个工程案例，作出了方案的总结。关键词：太阳能热水系统，蒸汽锅炉，补热技术中图分类号：tk515research on the solar energy hot water system steam boilerheat supplement tec

5、hnologyabstract: at present, there are two kinds of solar energy hot water system in common use. one is the seperate home solar energy system，another is compound mode which is made of centrilized solar energy hot water supply system and supplementary heat source. because of solar energys discontinui

6、ty and instability，the seperate home solar energy system can not collect sufficient energy and cannot be normally used in some months of one year. centralized solar hot water system and added combinations of heat source, generally in the residential, apartments, hotels, schools, factories, army, the

7、 issue of water supply, auxiliary heat source can not meet the general requirements. this article describes the system to solar energy as the main energy, conventional energy sources natural gas as auxiliary energy, intelligent automation solar priority, automatic dual-energy conversion, users every

8、 day to ensure hot water supply, energy saving than conventional water heating systems. this will ease the energy shortage, reduce operating costs, protect the environment, would be helpful. is a worthy project.the paper is divided three parts. the first part consists of chapter, describes the devel

9、opment of solar hot water systems, and background introduction. the second part consists of chapters ii and iii, main description and classification of solar hot water system, and to the specific circumstances of a hotel for example, design of solar hot water system. the third part includes the four

10、th, fifth and sixth chapters, solar hot water system and the proposed combination of programs gas boiler, and describes the case of a project, the summary of the program.key words：solar energy hot water system，steam boiler，heat supplement technology.classification：tk515目 次摘要 i目次 iii1 绪论11.1 课题背景11.2

11、 太阳能热水系统发展现状21.3 太阳能热水系统的辅助设备比较31.4 本文主要工作32 太阳能热水系统及其分类42.1 太阳能热水系统的原理和组成42.1.1 全玻璃真空集热管72.2 太阳能热水系统的分类73 太阳能热水系统设计93.1 热水需求量计算93.2 太阳能集热面积计算93.3 储热水箱设计113.3.1 水箱容积确定123.4 辅助能源加热设备123.5 太阳能集热器阵列设计134 太阳能热水系统和蒸汽锅炉联合补热154.1 一种真空的燃气锅炉154.2 真空锅炉的特点164.3 太阳能热水系统的特点174.4 燃气锅炉和太阳能热水系统联合补热方案175 工程实例205.1 酒

12、店太阳能热水系统设计案例205.2 系统运行原理216 总结23参考文献24作者简历25论文数据集261 绪论1.1 课题背景中国的太阳能热利用技术研究开发始于20世纪70年代末，其重点置于简单，价廉的低温热利用的适用技术，如太阳能温室，太阳灶，被动太阳房，太阳热水器，和太阳干燥器。20世纪80年代国家把太阳能热水器列入 “六五”和“七五”科技攻关项目。主要的研发项目是高效平板太阳集热器和全玻璃真空集热管。在90年代全玻璃真空集热管的科技成果通过中试转化为生产力形成自行设计和配套的集热管生产线是科技攻关的最杰出的成果。虽然目前我国的太阳能集热面积总量位居世界首位，但我们的人均利用太阳能面积却很

13、少。我们的热利用主要还是用来满足人们的生活用热水，在工农业应用方面还是比较落后，尤其是在太阳能热发电方面我们已落后很多。虽然我国制定了很多能源和可再生能源促进方面的政策，但还没有从税收方面制定鼓励人们积极使用太阳能的政策。太阳能热水系统是把太阳光能转化为热能，将水从低温度加热到高温度，以满足人们在生活、生产中的热水使用。太阳能热水器是由全玻璃真空集热管、储水箱、支架及相关附件组成，把太阳能转换成热能主要依靠玻璃真空集热管。集热管受阳光照射面温度高，集热管背阳面温度低，而管内水便产生温差反应，利用热水上浮冷水下沉的原理，使水产生微循环而达到所需热水。随着人民生活水平的不断改善,对生活质量的要求也

14、日益提高,因此新建住宅小区集中热水供应也成为各房地产企业提高竞争力的有效手段之一。随着住宅小区建设的进一步发展,人们开始把目光投向太阳能热水系统。太阳能以其清洁、源源不断、安全等显著优势，成为关注重点。在人类文明程度日益提高的今天，它是现代文明社会的最佳选择。应该注意到，集体单位对太阳能热水器的用量很大。新建商住楼统一安装热水器，己是房屋开发公司计划之内的事，配套热水器的商品房销势更好。随着国民经济和人民生活水平的不断提高，居民对家庭室内热水的需求越来越强烈，中国太阳能热水器市场潜力巨大。虽然太阳能热水器也在我国很多地方普及起来，而且可能取代燃气热水器和电热水器。因为太阳能热水器有非常明显的优

15、势，相对于以上两种热水器利用的加热能源来说，太阳能是一种取之不尽的生态能源，不产生污染，不危害环境。但是，我们也应该看到，太阳能的低密度和不稳定性是其在被利用过程中难以克服的缺点。所以，为了保证热水系统的正常使用，首先要考虑在日周期内的太阳能蓄积以及连续阴雨天气无法利用太阳能的事实，必须采用辅助的加热装置满足使用上的要求。对于每天需24小时供热水的单位,太阳能系统采用定温放水与辅助加热相结合的运行方式是合理的。这样系统既可充分利用太阳能能源,达到环保节能、降低运行费用的效果,又可保证热水供应量和可靠性。1.2 太阳能热水系统的发展现状太阳能热水系统具有安全、节能、环保、经济的优点。带辅助加热功

16、能的太阳能热水系统，它以太阳能为主，其他能源为辅的能源利用方式，使太阳能热水器能全年全天候使用。太阳能热水器是我国太阳能热利用中应用最广泛、产业化发展最迅速的太阳能产品。由我国自主开发生产的全玻璃真空管太阳能集热器科技水平、制造技术、生产规模均处于国际领先水平。我国太阳能热水器行业近十年来发展迅猛，数据显示，我国已成为世界上最大的太阳能热利用产品生产国、应用国和出口国。2006年全国总产量为1.8107m2，总保有量为9107m2，累计节约标准煤约2106t，二氧化碳减排约2108t；而到2007年，全国总产量达到2.34107m2，占全世界总量80%以上，总销售额约320亿元，总保有量达1.

17、08108m2，占世界总量60%以上，雄踞世界首位。我国有已建屋顶面积100亿m2， 如果达到人均1平方米 的热水系统，仅占屋顶面积的13%，便可完全解决生活热水的需求， 可取代2.1 亿t 标准煤1。同时，我国还是世界上最大的太阳能集热器制造中心，由我国生产的集热器推广面积约占世界的76%。此外，太阳能热水器在国内市场也在迅速推进。目前国内太阳能热水器的平均普及率约为15%，有些地区能达到31%，甚至60%。中国的太阳能行业正以每年20%30%的高增长率迅猛发展。太阳能热水系统工程化应用快速增长，学校、宾馆、饭店、洗浴中心等纷纷采用太阳能洗浴系统，节能减排、降低成本，2006年工程化份额约为

18、25%，2007年已达到30%以上2。农村市场已启动，来势较猛，太阳能热水器已成为各地新农村的内容之一。富裕地区如江苏、浙江、山东、广东等沿海地区。太阳能热水系统在建筑上应用并相互结合逐渐为开发商业主认识并在全国不同类型地区开展示范、应用和推广。其中有高层、多层等各类型不同建筑上应用，统一设计、统一施工、统一验收；建立热水中心，集中供热、计量收费。除户用太阳能热水系统广泛的为用户所采用外，太阳能热水和采暖的市场也正在启动并开展示范应用，它们将为节能减排作出更为广泛的贡献。1.3 太阳能热水系统的辅助设备比较辅助热源在太阳能热水系统中必不可少,其作用主要是:在太阳能集热系统不产热或达不到设计产热

19、水量时辅助生产热水。在太阳能集热器按设计能力生产热水的条件下,系统的用热量仍有可能超过集热器产热水量,因为太阳能的热水制备能力是按平均日用热功率而不是按最大小时用热功率设计的,所以需要辅助生产热水。（1）热泵技术是一种新型的节能制冷供热技术，长期以来主要应用于建筑物的采暖空调领域。因热泵制热在节能降耗及环保方面的良好表现，卫生热水供应系统也越来越多的采用热泵设备作为热源。但空气源热泵的一个主要缺点是供热能力和供热性能系数随着室外气温的降低而降低，所以它的使用受到环境温度的限制，一般不适用于低温的地区3。（2）基于现代电子技术的太阳能热水器辅助电加热方法,也可以满足在无光照阴雨天或寒冷冬季条件下

20、正常使用的要求，在阴雨天、寒冷季节，可开启电加热器加热，待水温达到要求时能自动断电。当日晒不足时，用水前可用电辅助加热，既充分利用了太阳能，又缩短了电加热时间。但是电加热相对于大型住宅、宾馆、游泳池、公共浴池等场所需电量比较大，往往会耗费比较大的电能却得不到应有的效果4。（3）以燃气锅炉为辅助加热设备的太阳能热水系统，即可以满足在无光照的阴雨天或寒冷的冬季条件下使用，也可以保证大型大型住宅、宾馆、游泳池、公共浴池等场所的热水供应，而且比较节省费用。但是锅炉的缺点是它的安全问题得不到保障。1.4 本文主要工作在太阳能热水系统的应用中，住宅、宾馆、游泳池、公共浴池等场所一般要求卫生热水在一定的时间

21、段内或全天24小时连续供应。为满足太阳能不足时的用热需求，使太阳能集热系统的投资更加经济，通常采用电加热器或电锅炉、燃煤或燃气锅炉、市政热力等作为太阳能中央热水系统的辅助热源。根据文献所述，以电加热器作辅助热源投资太大。而空气源热泵技术不能在冬季或者低温地区运行5。本文就是以太阳能热水系统的辅助能源的特点作如下工作：以某酒店为例，根据该酒店的具体人数和热水需求设计太阳能热水系统，并提出了一种真空的燃气锅炉和太阳能热水系统的组合方案。描述了这种组合方案的应用案例。2 太阳能热水系统及其分类2.1太阳能热水系统的原理和组成图2.1 系统结构图图2.1为系统的结构图, 自来水通过上水管进入储热水箱，

22、再经由储热水箱进入恒温水箱。当太阳辐射透过玻璃盖板，被集热板吸收后沿肋片和管壁传递到吸热管内的水。吸热管内的水吸热后温度升高，比重减小而上升，形成一个向上的动力，构成一个热虹吸系统。随着集热器内的水被加热，热水通过上循环管进入储热水箱的上部，并储存在恒温水箱上部，储热水箱下部密度较大的冷水通过下循环管进入集热器的下部，不断补充集热器内温度较低的水，如此循环往复，最终整箱水都升高至一定的温度。上述循环是连续进行的。一般情况下，经过一天的日照，储热水箱的水能全部被加热，供给用户使用。系统中排气管的作用：有时储热水箱内的温度过高而产生蒸汽，排气管及时将气体排出，防止其抑制自然循环的进行。自然循环的技

23、术要求：为确保一定的热虹吸压头和防止夜间反循环，蓄热水箱底部必须高于集热器顶部，其高差一般为0.30.5m；连接集热器和蓄水箱的循环管路，应按热水上升冷水下降的方向设计流水坡度，其坡度一般为1/100，绝对禁止出现反坡；集热器的上循环管进入蓄水箱的入口位置应低于水箱水面35cm，否则无法循环；集热器面积比较大时，集热器应考虑以并联为主，尽量避免采用串联；为减少管道的流动阻力，循环管路越短越好，拐弯处越少越好6。太阳能热水系统主要由太阳热热系统和热水供应系统构成，主要包括太阳集热器、储热水箱、循环管道、支架、控制系统、热交换器和水泵等设备和附件。图2.2中为典型的热水器装置简图。图中集热器1按最

24、佳倾角放置，下降水管2的一端与循环水箱3的下部相连，另一端与集热器1的下集管接通。上升水管5与循环水箱3上部相连，另一端与集热器1的上集管相接。补给水箱4供给循环水箱3所需的冷水。35176241-集热器 2-下降水管 3-循环水管4-补给水箱 5-上升水管 6-自来水管 7-热水出水管图22 热水器装置简图强迫循环系统，它是利用温差控制器来控制水泵的开关，当集热器顶部的温度和水箱下部水温之差达到预定数值时，水泵开始运行，否则书泵关闭。逆止阀的作用是防止水倒流。排气管的作用和自然循环系统的排气管作用相同一样：有时蓄水箱内的温度过高而产生蒸汽，排气管及时将气体排出，防止其抑制自然循环的进行。强迫

25、循环系统的技术要求：水箱安装位置无须高于集热器，可根据需要安放在任何地方。水箱热水冷水温差控制器逆止阀水泵集热器图2.3 强制循环式太阳能热水系统图2.4是直流循环系统，当集热器上部的电接点温度计达到预定的温度时，控制器就启动电磁阀，自来水就将集热器内的热水顶入水箱。当集热器上部的温度低于预定的温度时，电磁阀关闭。通过一天的间断运行，进入水箱的水均为指定温度左右的热水。排气口电接点温度计蓄水箱控制器电磁阀自来水图2.4 直流循环系统（1）太阳能集热器系统中的集热元件。其功能相当于电热水器中的电热管。和电热水器、燃气热水器不同的是，太阳能集热器利用的是太阳的辐射热量，故而加热时间只能在有太阳照射

26、的白昼，所以有时需要辅助加热，如锅炉，电加热等。目前国内使用的太阳能集热器主要有平板集热器、真空管集热器、热管集热器。平板集热器不防冻,只能在春、夏、秋三季使用;真空管集热器在零下20条件下,仍能产生热水,可全年使用;热管集热器可在零下40条件下使用,但其冷凝端(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,适合在北方高寒地区使用。（2）保温水箱和电热水器的保温水箱一样，是储存热水的容器。 因为太阳能热水器只能白天工作，而人们一般在晚上才使用 热水，所以必须通过保温水箱把集热器在白天产出的热水储 存起来。容积是每天晚上用热水量的总和。采用同乐搪瓷内 胆承压保温水箱，保温效

27、果好，耐腐蚀，水质清洁，使用寿 命可长达20年以上。（3）连接管道将热水从集热器输送到保温水箱、将冷水从保温 水箱输送到集热器的通道，使整套系统形成一个闭合的环路。 设计合理、连接正确的循环管道对太阳能系统是否能达到最 佳工作状态至关重要。热水管道必须做保温处理。管道必须 有很高的质量，保证有20年以上的使用寿命。（4）控制中心太阳能热水系统与普通太阳能热水器的区别就是控制中心。作为一个系统，控制中心负责整个系统的监控、运行、调节等功能，现在的技术已经可以通过互联网远程控制系统的正常运行。2.1.1 全玻璃真空集热管全玻璃真空集热管构造如图2.5所示，像一个拉长的暖水瓶胆，由两根同轴玻璃管组成

28、，内玻璃管和罩玻璃管之间抽成真空，太阳能选择性吸收涂层趁机在内玻璃管的外表面，形成吸热体，将太阳光转换为热能，加热内玻璃管内的传热流体。全玻璃真空太阳集热管采用单端开口设计，开口端通过内玻璃管和罩玻璃管熔封连接起来，内玻璃管另一端为密闭半球形，带有吸气剂的弹簧卡子，将带有吸热体的内玻璃圆头端支撑在罩玻璃管排气端内表面。当内玻璃管吸热涂层吸收太阳能辐射而引起内玻璃管温度上升时，内玻璃管圆头端可以形成热膨胀的自由端，解决了工作时引起的全玻璃真空太阳能集热管开口段端内玻璃管和罩玻璃管环封处的应力问题。电焊在弹簧卡子上的吸气剂通过高频感应加热蒸散，在集热管圆头端的内玻璃管外表面和罩玻璃管内表面形成吸气

29、膜，用于吸收全玻璃真空集热管在工作中玻璃、弹簧卡子及吸热涂层释放出来的气体，以及通过罩玻璃管和内玻璃管渗透到集热管真空夹层内的气体，维持内玻璃管和罩玻璃管之间真空夹层的真空度。图2.5 全玻璃真空太阳集热管结构1. 内玻璃管；2. 太阳选择性吸收涂层；3. 真空夹层；4. 罩玻璃管；5. 支撑件；6. 吸气剂；7. 吸气膜12345672.2 太阳能热水系统的分类根据不同的分类方法，太阳能热水系统可以分成不同形式和种类。按太阳能热水系统的集热系统与储热水箱换热方式分类，可分为：直接式热水系统和间接式热水系统直接式热水系统是指太阳能集热器直接加热储热水箱中的水的系统；间接式热水系统是指太阳能集热

30、器加热某种传热工质，再利用该传热工质通过热交换器加热储热水箱中的水的系统。按集热器中工质是否承压分类，可分为：开式集热热水系统和闭式集热热水系统7。根据热水使用情况分类，可分为：间歇式供热水系统和连续式供热水系统。间歇式供热水系统主要供应那些定时用热水的单位；连续式供热水系统主要供应那些24小时连续使用热水的单位。按有无辅助热源分类，可分为：有辅助热源热水系统和无辅助热源热水系统。有辅助热源热水系统是指太阳能和其他加热设备联合使用提供热水，在没有太阳能时，仅依靠系统配备的其他能源的水加热设备提供建筑物所需热水的系统。在需要保证生活热水供应质量的场合，辅助热源是必不可少的。无辅助热源系统是指仅依

31、靠太阳能来提供热水的系统。该系统中没有其他水加热设备，在没有太阳能的情况下，系统无法产出热水。有辅助能源热水系统根据加热方式的不同又可细分为：直接加热方式：水箱和加热系统最简单，系统只需要一个小功率低扬程的循环泵即可，辅助能源系统本身不再需要水箱，只要把两者连接起来实现同步控制就可以；缺点是由于直接给水箱中的水加热，容易结水垢而影响辅助能源系统的效率和寿命。水箱内置盘管换热器加热方式：需要在水箱内加工盘管换热器，系统需要一个小功率大扬程的循环泵。辅助能源系统需要补水装置，但由于辅助能源用水量小可以使用软化水以提高辅助能源系统的寿命。由于盘管换热器在水箱内部，容易在外表面结水垢，影响换热效率，且

32、维修困难。外置板式换热器加热方式：水箱结构简单只需预留出水口和回水口即可。系统需要两个循环水泵。辅助能源系统需要补水装置，但由于辅助能源用水量小可以使用软化水以提高辅助能源加热系统的寿命。同时由于板式换热器在水箱外部，维修和清除水垢都比较容易。3 太阳能热水系统设计3.1 热水需求量计算住宅和公共建筑内，生活热水用水定额应根据水温、卫生设备完善程度、热水供应时间、当地气候条件、生活习惯和水资源情况等确定。木前太阳能热水系统的用水定额通常根据经验采用简单估算，即共有多少个用水个体，每个用水个体一天用多少，两者相乘即得到日热水需求量。对于一般部队、工厂按每人每天50l热水计算是比较通行的方法。在实

33、际计算过程中可以提供的数据选择不同用水单位的用热水标准。按照要求，热水的供水温度以控制在5560为好。在实际的工程中，一般选取最高日生活用水定额的5060%。根据规范要求，每人每日的最高热水用量为:60的热水3050l/(人天)8。在本文中，以某酒店408间客房816个床位及服务人员近1200人用洗浴热水为例，最高日热水用水用量取为100l/(人)，设日平均用水量为日最高用水定额的50%。故每人每天的日平均用水量为50l。热水总需求量为：50l1200=60000l。3.2 太阳能集热面积计算原则上根据热力学定律和能量守恒原则计算太阳能集热面积，即产生热水所需的能量是由太阳能集热系统和辅助加热

34、系统提供的。系统的效率越高太阳能集热面积越小。由于不同季节太阳平均辐照量不同，各地的自来水初温也不同，因此产生同样容量同样温度的热水在不同季节需要的太阳能集热面积是不同的，为此要分季节进行计算。（1） 不同季节产生用户需要热水所需的能量的计算公公式为：q=cm t（3-1）式中:q产生热水需要的能量，mj；c水的定压比热容，4.186810-3mj/kgk；m水的质量，kg；t水的温升，k。（2）计算太阳能集热器的面积在计算过程中认为在晴好天气产生用户所需热水的能量全部来自太阳能集热系统,由于不同季节太阳辐照量的平均值也不同,因此要按不同季节分别计算集热面积.计算出各季节的集热面积后,按照春秋

35、季节完全由太阳能系统提供热水,夏季略有富余,冬季需要辅助能源补充的原则来初步定太阳能集热系统的面积。太阳能集热面积一般根据经验计算，在我国境内不同地区太阳辐照量不同，一般按照当地气象局提供的季节平均日辐照量作为计算依据。经验公式为： a=（3-2）式中:a太阳能集热器轮廓面积，m2； qt太阳能热水系统所需能量，mj； h不同季节平均日太阳辐照量,mj/m2； 太阳能集热及储热系统的综合效率，一般取值在0.30.5范围。为尽可能发挥太阳能热水系统的节能作用，太阳能热水系统的太阳能保证率不应取的太低，按我国的具体情况，取值宜在(40-80%)之间。在太阳能资源丰富区，太阳能热水系统的太阳能保证率

36、宜大于60%;较富区宜大于50%;一般地区宜大于40%。在太阳能资源贫乏区，设计使用太阳能热水系统应进行技术经济分析，太阳能保证率的取值可降至50%左右9。我国的太阳辐照资源区划如表3.210。表3.2 我国太阳辐照资源区划资源区划太阳辐照量指标（日）太阳能保证率i资源丰富区23 mj/m26080%ii资源较富区2023 mj/m25060%iii资源一般区1820 mj/m24050%vi资源贫乏区18 mj/m240%一个太阳能热水系统实际的设计过程是：首先根据当地的太阳能辐射资源、年热水负荷和推荐的太阳能保证率f初始值等参数，确定太阳能集热器总面积并计算此面积下的太阳得热量，直接式太阳

37、热水系统的集热器采光面积可根据系统的日平均用水量和用水温度确定，按下式进行估算10：（3-3）式中：ac直接式系统集热器总面积，m2； qw日平均用水量，kg， 通常与生活水平、生活习惯和气候条件等因素紧密相关，可以根据当地情况取规范规定的最高日用水定的某一百分数作为太阳集热系统的计算依据；cp水的比定压热容，kj/（kg）tend储热水箱内水的终止温度，；tl水的初始温度，；jt当地春分或秋分所在月集热器受热面上月均日太阳辐照量, mj/m2；f 太阳能保证率；cd集热器全日集热效率；l管路及储热水箱热损失率。本文中太阳能热水系统所在地为例，按上述公式（3-1）和（3-2）计算不同季节日产6

38、0000l，60热水所需的能量，=50%计算结果见表3.1我们在酒店的屋顶安装345m2集热器3块，共安装1035m2集热器面积。该面积集热器在夏天晴好天气可以产生60的热水71000l，在春秋晴好天气可以产生60的热水49400，在冬天晴好天气可以产生60的热水38000l。表3.1 热水能量计算表季节自来水初温()终温()温升（）需要能量（mj）辐照量（mj/m2）集热面积（m2）春4201256夏季20604010048.3223873.8秋4201256冬季5605513816.44171625.43.3 储热水箱设计确定

39、集热系统的储热水容积时，必须注意与集热器面积的合理配比问题。储热水容积过大，水箱内水温难以上升，虽然此时集热系统的效率高，除非作为预热水使用，否则将造成可直接使用的热水量减少；储热水容积过小，水箱内水温偏高，造成集热系统的效率下降，不能充分利用太阳能，而且在夏季还会出现水箱水超温的情况，造成使用隐患。储热容积是为了储存集热器生产制备的热水。太阳能集热是按日用水量(平均日用水量) 设计的,储热容积理论上应根据设计条件下24小时太阳能集热和系统用水的变化规律确定。太阳能集热的规律是白天集热,晚上集热器不吸收热量,系统用水的变化规律和建筑的使用性质有关。国家规范是按传统热水供应系统中的供热(水)调节

40、容积确定。对于住宅、酒店、宿舍等居住类建筑,热水主要在晚间使用,太阳能白天的集热量需要储存起来以备晚间使用,储热水箱容积按集热器一天的热水产量计算为宜10。对于办公、展馆类建筑,热水是在白天使用,和太阳能集热器的工作时间吻合,储热水箱容积可以减小,如可储存半日的产水量。水箱的总体设计原则是：因为水箱中的水不可能都翻出来，水箱容积要比计算容积大10%20%。3.3.1 水箱容积确定24小时连续供热水太阳能水箱的容积确定：由于24小时连续使用热水，太阳能热水系统只有白天产生热水，因此储热水箱至少要储存夜晚和次日8：30前的热水用量；因此其容积应小于总热水需求量。计算时要按用水习惯列出24小时用水量

41、表，根据用水量表分析实际用水情况后，再确定水箱容积。本文中酒店日需热水60m3，根据酒店提供的用水习惯，该酒店白天用水量为20t，夜晚用水量为40t；即到下午17时前水箱内应该储存最少40t热水，才能保证夜间的热水供应，再考虑到用水波动情况，水箱容积选择60m3。水箱材质的选择：太阳能热水系统主要的选材应充分考虑太阳能热水系统的功能，恶劣的室外工作条件，安全性要求及寿命，正常条件下，保证太阳能热水系统达到810年使用寿命，遵循下列选材原则：支架和保护材料应具有良好的强度和耐腐蚀性；内胆材料也应有良好的耐腐蚀性，补得含有妨害人身健康的重金属和各种有害物质，水质必须满足生活饮用水的卫生指标。目前常

42、用的水箱内胆材质有不锈钢、碳钢搪瓷和碳钢衬塑等形式。3.4 辅助能源加热设备太阳能热水系统的辅助加热系统有多种形式，实际设计中应根据用户实际情况，操控方便性综合考虑。辅助能源一般通过水加热的设备的形式向系统提供热量，辅助热源提供的辅助加热量即为水加热器的供热量。辅助能源加热系统的功率单位一般为kw，单位时间转换能量为kwh，目前我国锅炉行业一般以锅炉1h的发热量称其能力，单位为卡，生产热水是要考虑各种辅助能源的效率。根据能量守恒定律我们可以得到如下计算公式。3600pt=cpm t（3-4）p=0.001163mt/t（3-5）式中：p辅助能源加热系统的功率,kw;t辅助能源加热系统的工作时间

43、，h;辅助能源加热系统的效率，%;cp水的定压比热容, cp =4.1868kj/(kg)；t储热水箱内水的温度，;m被加热水的质量，kg。各种辅助能源加热系统的热效率如表4-13所示。本文采用的是燃气锅炉，所以选定的辅助能源加热系统的热效率为80%。表3.4 各种能源加热系统的热效率能源类型燃气炉燃油炉电锅炉燃煤炉效率/%8080909560太阳能系统运行中所产热水量是否供不应求、需要辅助加热,可通过储热水箱上端面附近的水温进行判别。当水温不低于系统的设计供水温度(如60) ,说明产热水量足够,无需辅助加热;当低于该温度,说明产热水量供不应求,需要辅助加热。设计太阳能辅助能源加热系统的原则是

44、：在阴、雨、雪天气，没有太阳辐照时，制造热水需要的所有能量都要由辅助能源系统提供。因此辅助能源的总能量必须大于太阳能热水系统的总能量需求，至于辅助能源系统一天工作多少时间，怎么样工作是太阳能热水系统辅助能源功率的关键因素，根据此原则对于不同使用情况要分别设计辅助能源的功率。白天定时使用热水的用户：为充分利用太阳能资源，对这种要求不严格的用户，一般考虑在其使用热水前24h启动辅助能源系统，这样的设计操作比较方便。白天连续用热水时太阳能辅助能源的功率：白天连续用热水系统，由于随时要提供热水，因此辅助加热系统基本上是连续工作的，这时要保证辅助加热系统的功率能满足最大用水高峰时的用水需求，在设计是应该

45、分析用户用水特点，根据用水习惯列出小时用水量表，找出其中的最大用水量，根据最大用水量选择辅助能源的功率24小时连续供热水太阳辅助能源的功：24小时连续供热水系统和白天连续使用热水情况性质基本相同，也是要分析最大用水量分布情况。由于太阳能热水系统有比较大的储热水箱，在设计连续供水系统是还要考虑辅助能源设备的间歇时间，如果用电能，而又实行了峰谷电价的地区，应考虑适当增加辅助能源的功率，以便最大限度地利用低谷电来降低运行费用。本文设计时按4h内把水箱内水温度升高40为依据。即天气不好，产热水量不够时从下午1点开始加热，5点停止加热。按一天加热50t热水计算。则辅助能源功率为：p=0.00116500

46、0040（480%）=725（kw）。3.5 太阳能集热器阵列设计太阳能集热器的最佳布置方位是朝向正南，实际设计是可以根据建筑物的实际情况进行适当的调整，但不应超出南偏东30或南偏西30范围10；否则影响集热器表面上可以接收到的太阳辐照量。集热器的安装倾角要与周围建筑环境相协调，尽可能做到与建筑物结合，对建筑造型没有影响或把影响控制在最小范围。全年使用太阳能热水系统，集热器安装倾角等于当地纬度。如系统侧重在夏季使用，其安装倾角一般采用当地纬度减1010；如系统侧重在冬季使用，其安装倾角一般采用当地纬度加10。安装倾角误差一般不超过3。由于地球既绕太阳能公转，本身又在不停地自转，且地球绕太阳运行

47、的轨道是椭圆形的因此太阳相对地球的方位始终在变化，为保证太阳光对地球上某平面的辐照量，则在该平面前应没有遮挡物，遮挡物也要里开该平面一定距离11。我们把集热器所在平面看成一个吸热面，如果需要前后排平行安装，为保证前后排间不至于遮挡，他们之间需要留出一定空间，为此我们需要计算前后排之间的距离。如果我们简单地把太阳光照射到地面的路程看作是一个平面，那我们可以用图3.1所示图形来解释遮挡问题，从图中我们可以得到：s= (3-6)hs图3.1 采光平面光线遮挡示意图在图3.1中只要光线落在阴影范围之外，就对后排没有遮挡，即只要光线的入射角度大于角，前后排之间就没有遮挡，我们求出了就可以根据上式，求前后排之间的距离s了。本文中应用太阳能热水系统的所在地的纬度为3010比较适宜的集热器倾角为2040，根据规范要求按20角设计集热器倾角。