太阳能热水系统课程设计计算书

1、太阳能应用技术课程设计计算书 题 目：杭州市现代宾馆（公寓）太阳能热水系统设计 姓名： 杨超 学 院： 建筑工程学院 专业： 建筑环境与能源应用工程 班级： 建环142 学 号： 201451385236 指导教师： 候景鑫 2017年12月25日目录1.设计参数21.1 气象参数21.2 热水设计参数22.太阳集热系统设计22.1集热器面积确定22.2太阳集热器的定位32.3太阳集热器模块总数确定32.4太阳集热器间距33.贮热水箱选型44.集热循环管路水力计算54.1集热循环管路流量54.2集热循环管网热水流速及管径的确定54.3集热循环最不利环路管道阻力的确定64.4集热系统循环水泵选型

2、75.热水供应系统管路水力计算85.1热水供应系统管路流量的确定105.2热水供应系统最不利环路管道阻力的确定115.3热水供应系统循环水泵的选型126.辅助热源137.自动控制系统147.1运行控制147.2防冻控制157.3过热防护158.阻垢除垢159.参考文献161.设计参数1.1 气象参数本工程为杭州市现代宾馆的太阳能系统设计。杭州地区纬度为北纬30°14，根据民用建筑太阳能热水系统工程技术手册表1-10，查得该地区的水平面年总辐照量为4068.653 MJ/（a），水平面年平均日辐照量为11.117 MJ/（d），当地纬度倾角平面年总辐照量为4252.141 MJ/（a）

3、，当地纬度倾角平面年平均日辐照量11.621 MJ/（d）。1.2 热水设计参数根据民用建筑节水设计标准表3.1.7，酒店的热水平均日用水定额取110140 L/（床d），本设计取120 L/（床d），热水温度按60 计。根据民用建筑太阳能热水系统工程技术手册表116，杭州地区冷水计算温度取5 （地面水）。2.太阳集热系统设计2.1集热器面积确定 根据我国现行标准，太阳能集热系统的热性能指标以贮热水箱容积600 L为界限。本工程贮热水箱容积大于600 L，故其集热器面积的确定为：式中：系统集热器总面积，m2； 日平均用热水量，考虑太阳能热水系统全年提供宾馆客房用热水，客房总数 为72床，则日平

4、均用热水量为8640 L/d； c 水的定压比热容，4.187 kJ/（kg·）；水的密度，1 kg/L；贮热水箱内水的终止设计温度，取60 ；水的初始温度，取5 ；JT 当地集热器采光面上的年平均日太阳辐照量，取11621kJ/m2； f 太阳能保证率，上海地区属于太阳能资源一般区，由民用建筑太阳能热水系统工程技术手册4.4.3.1，并参照表46，取0.45； 集热器年平均集热效率，由民用建筑太阳能热水系统工程技术手册4.4.3.1， 太阳能热水工程中集热器效率一般在0.25 0.5 间，本工程全年使用，取平均 值0.375。 管路及贮热水箱热损失率，由民用建筑太阳能热水系统工程技

5、术手册4.4.3.1，取0.20。将数据代入，计算得系统集热器总面积=256.82 m2。2.2太阳集热器的定位根据太阳能集中热水系统选用与安装8.2.1条，在全年使用时，集热器的安装倾角宜与当地纬度相同，即与建筑同方位，朝向正南，倾角为30°14。2.3太阳集热器模块总数确定由太阳能集中热水系统选用与安装，选用PGT2.0平板型太阳能集热器作为一个单元集热器。单元平板集热器的尺寸为：2000 mm×1000 mm，单元集热器的集热面积为：1.83 m2。根据集热器的总面积及单元集热器的集热面积，计算需要集热器的数量为141块，则总集热面积约为258.03m2。2.4太阳集

6、热器间距（1）由民用建筑太阳能热水系统工程技术手册4.4.1.2，本工程集热器的安装方位为正南，即集热器方位角为0°。因此，全年运行的太阳能集热系统，集热器前、后排间不相互遮挡的最小间距的计算时刻选择春分日上午9点。 式中： 太阳高度角（°）； 地理纬度（°），取30°14； 赤纬角（°），春分日为0°； 太阳时角（°），上午9点对应的时角为-45°； 太阳方位角（°）。计算得，则，太阳高度角为37.73°，太阳方位角为63.38°。所以，.38°（2）以上为集热器倾角为30

7、°14的集热器侧视图，可知集热器高度为504mm，宽度为864mm由民用建筑太阳能热水系统工程技术手册4.4.1.2，,集热器前后排间距：式中：日照间距，m；前排遮挡物高度，女儿墙高度取1.3 m，集热器高度为0.504 m；计算时刻的太阳高度角；计算时刻太阳光线在水平面上的投影线与集热器表面法线在水平面上的投影线之间的夹角。计算得，太阳能集热器距南墙的距离为0.75m，前后排太阳集热器的日照间距为0.31m。3.贮热水箱选型根据本建筑所需的日平均用热水量8640L/d，选择3 m×2 m×2 m的贮热水箱，其实际容积约为12吨。4.集热循环管路水力计算集热环路采

8、用同程连接，各环路相同。取其中任一环路为最不利环路，即管段12345678。图41 集热循环最不利环路4.1集热循环管路流量根据民用建筑太阳能热水系统工程技术手册4.4.4，平板型太阳集热器的工作流量可按0.02 L/(s)计算，则本工程太阳能集热系统的总流量为：4.2集热循环管网热水流速及管径的确定由太阳能集中热水系统选用与安装8.8.2，太阳能集热系统管网热水流速，宜按下表选用：表41 集热系统管网热水流速推荐值公称直径DN（mm）1520254050流速（m/s）0.81.01.2根据下列公式，可计算出管段管径：式中：q集热系统循环管道内流量，m3/s；d集热循环管道直径，mm；v集热循

9、环管网中热水流速，m/s。太阳能集热循环管路中最不利环路的管径及流速计算结果如下：表42 集热循环管路中最不利环路的管径管段编号流量（m3/s）管径（mm）流速（m/s）10.00544 1000.69 20.00432 800.88 30.00288 700.73 40.00144 401.12 50.00144 401.12 60.00288 700.73 70.00432 800.88 80.00513 1000.65 4.3集热循环最不利环路管道阻力的确定 本设计集热循环管网采用镀锌钢管。（1）管道的沿程水头损失： 管道单位长度水头损失可查建筑给水排水工程（第六版）附表2-1。将各数据

10、带入，具体计算结果见下表：表43 集热循环最不利环路管道沿程损失 管段编号管径（mm）流量（m3/s）管道单位长度水头损失（kPa/m）管道长度（m）沿程水头损失（kPa）11000.00544 0.08926.3190.5642800.00432 0.223.1.170.2613700.00288 0.2541.170.2974400.00144 0.9351.171.0945400.00144 0.9351.171.0946700.00288 0.2541.170.2977800.00432 0.2231.170.26181000.00513 0.074960.114.5028.370 （

11、2）管道的局部水头损失。考虑阀门、弯头及三通所造成的局部阻力，按沿程阻力的20%取值，则局部阻力为：（3）集热器的阻力。根据太阳能集中热水系统选用与安装8.8.2，集热器单位面积流量为q=0.02 L/(s)时，单个集热器的阻力一般为0.5 kPa/m2。本次设计中最不利环路中共有35个单元集热器，故集热器总阻力为：=35×2×0.5=35kPa（4）管网总阻力。最不利环路的总阻力即为沿程损失、局部损失和集热器的阻力之和，即：。4.4集热系统循环水泵选型本工程太阳能集热系统的总流量为5.13L/s，即18.47m³/h,此流量即为集热系统水泵的流量。扬程考虑到沿程

12、损失、局部损失、集热器阻力，即管网的总阻力，相当于4.5mH2O，考虑流量储备系数1.1，则集热系统循环水泵的扬程H为4.95mH2O。根据流量和扬程，选择2台IRG-15-80型热水循环泵，其中一台为备用，具体性能参数见下表：表44 IRG-15-80型热水循环泵性能参数型号扬程m流量m³/h功率kWIRG-65-100A72.00.185.热水供应系统管路水力计算图51 热水循环系统最不利环路5.1热水供应系统管路流量的确定 该酒店建筑中，一个客房中热水供给的卫生器有洗脸盆、浴盆或淋浴器。由民用建筑太阳能热水系统工程技术手册4.6.1，洗脸盆的给水当量为0.5，额定流量为0.10

13、 L/s；浴盆的给水当量为1.0，额定流量为0.20 L/s。热水给水设计秒流量为（酒店取2.5）：若所求值大于计算管段卫生器具额定流量累加值，按累加值计。计算结果如下：表51 热水供水管路流量管段编号浴盆数量洗脸盆数量给水当量qg（L/s）17373109.55.23 2515176.54.37 3454567.54.11 44242633.97 53030453.35 61818272.60 71212182.12 86691.50 94461.22 102230.87 5.2热水供应系统最不利环路管道阻力的确定本设计热水循环管网采用镀锌钢管。根据民用建筑太阳能热水系统工程技术手册4.6.

14、2，为保证各立管的循环效果，尽量减少干管的水头损失，热水供水干管和回水干管均不宜变径，可按其相应的最大管径确定。根据建筑给排水设计规范GB500152010，表5.1.1-2，查得酒店旅馆的浴盆小时用热水量为250 L=0.07L/S，洗脸盆的小时用热水量为180 L=0.05L/S。并由此确定回水管的流量。管网热水流速的确定，可参照民用建筑太阳能热水系统工程技术手册表419：表52 热水管道内的流速公称直径DN（mm）1520254050流速（m/s）0.81.01.2（1）管道的沿程水头损失： 管道单位长度水头损失可查建筑给水排水工程（第六版）附表2-1。将各数据带入，具体计算结果见下表：

15、表53 热水循环最不利环路管道沿程水头损失管段编号管径（mm）流量（L/s）管道单位长度水头损失（kPa/m）管道长度（m）沿程水头损失（kPa）11005.23 0.079 19.61.554 2804.37 0.237 0.610.145 3804.11 0.213 0.180.038 4703.97 0.460 8.2123.778 5703.35 0.321 8.42.696 6702.60 0.210 8.41.764 7502.12 0.525 8.44.410 8501.50 0.237 5.1151.212 9501.22 0.182 3.30.601 10400.87 0.2

16、52 3.30.832 11320.72 0.501 11.055.536 12501.44 0.255 8.42.142 13502.16 0.503 8.44.225 14703.60 0.377 8.43.167 15805.04 0.311 7.52.333 16805.40 0.362 0.90.326 17806.12 0.433 0.610.264 181008.76 0.203 5.81.177 36.199 （2）管道的局部水头损失。考虑阀门、弯头及三通所造成的局部阻力，按沿程阻力的20%取值，则局部阻力为：（3）环路最不利出水点所需的最低压力。因水箱位于楼顶，水箱与最不利出

17、水点的静水压大于最不利出水点的最低工作压力。故环路中可不计最不利出水点所需的最低压力。（4）管网总阻力。最不利环路的总阻力即为沿程损失、局部损失和集热器的阻力之和，即：5.3热水供应系统循环水泵的选型（1）设计小时耗热量计算：式中：Qh设计小时耗热量，kJ/h； m用水计算单位数，本次设计客房总床数为72床； qr热水用水定额，日均用热水量为120 L/（bd）； c水的比热容，4187 J/（kg·）；水的密度，1 kg/L；热水温度，为60 ；冷水温度，为5 ；Kh小时变化系数，由民用建筑太阳能热水系统工程技术手册表44，取6.84。代入计算，得设计小时耗热量为157514 W。

18、 （2）水泵的流量为循环流量，根据民用建筑太阳能热水系统工程技术手册4.6.1，全天供应热水系统的循环流量可按下式计算： 式中：循环流量，L/h；配水管道系统的热损失，W，按设计小时耗热量的3%5%采用，本次计算 取5%，则热损失为7876 W；t配水管道的热水温度差，根据系统大小确定，一般取510 ，取10 ；水的密度，1 kg/L；代入计算，得热水循环流量为677 L/h。故水泵流量为677 L/h，即0.677 m³/h=11.3L/min。（3）热水循环水泵扬程即为克服管道所产生的阻力43.44 kPa，相当于4.344 mH2O，考虑流量储备系数1.1，则H为4.778 m

19、H2O。根据流量和扬程，选择2台ISG-15-80型热水循环泵，其中一台为备用，具体性能参数见下表：表54 IRG-15-80型热水循环泵性能参数型号扬程m流量m³/h功率kWIRG-15-80720.186.辅助热源本设计采用空气源热泵机组作为辅助热源，按照阴雨天太阳能供热量为0，计算辅助热源的设计小时供热量，其值可按下式计算： 式中：空气源热泵的设计小时供热量，kJ/h； m用水计算单位数，本次设计客房总床数为72床；热水用水定额，日均用热水量为120 L/（bd）； c水的比热容，4.187 kJ/（kg·）；热水密度，1 kg/L；热水温度，为60 ； 冷水温度，为

20、4 ；热泵机组设计工作时间，本次设计取20 h；代入计算，得到辅助热源的供热量为111421 kJ/h，即为30.95kW，由此选用1台格力KFRS-36s型号的空气源热泵机组，具体性能参数见下表：表61 KFRS-36s型号的空气源热泵机组性能参数表型号制热量kW水流量m³/h额定功率kWKFRS-36s366.08.77.自动控制系统根据民用建筑太阳能热水系统工程技术手册4.8，控制系统在设计时需要考虑到系统所以可能的运行模式，并遵循简单可靠的原则，选择可靠的控制器和温度传感器。7.1运行控制太阳能热水系统的控制方式主要有定温控制、温差控制、光电控制、定时器控制四种。定温控制和温差控制以温度或温差作为驱动信号来控制系统阀门的启闭和泵的启停，是最为常见的控制方式。强制循环一般采用温差控制，因此，本次设计对太阳能集热系统采用温差控制方式。在水箱与集热器回水管上分别设置温度探头T1、T2，当T2T110时，启动集热循环泵循环，T2T15时，停止集热循环泵的运行。对与用户相连的热水循环系统采用温差控制方式，在水箱与热水回水管底部分别设置温度探头T3，当T3T110时，启动热水循