精选太阳能热水系统与建筑一体化的应用分析

1、精选太阳能热水系统与建筑一体化的应用分析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根本思路和体会。(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

2、设计关键点鉴于该太阳能热水系统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以下问题，科学设计太阳能热水系统，使其到达合理、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，为确保翻开阀门就能出热水，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缺乏时的热水供应问题，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；当太阳能缺乏时，再利用辅助能源补充热能，以到达节能降耗的目的。5系统处

3、在杭州，冬季寒冷结冰。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)有关设计标准和依据GB/T18713-2023?太阳热水系统设计、安装及工程验收技术标准?GB 50364-2023 ?民用建筑太阳能热水系统应用技术标准?GB/T 20235-2023?太阳热水系统性能评定标准?GB50015-2023?建筑给

4、水排水设计标准?GB/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)系统根本设计 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。太阳能缺乏时，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，到达充分利用太阳能，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，防止了家用太

5、阳热水器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，电磁阀自动翻开；当热水循环使管道水温到达水箱水温时，电磁阀自

6、动关闭。(五)系统设计计算根本参数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 设计小时热水量式中：qrh设计小时热水量(L/h)h设计小时耗热量(W)tr

7、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式中：Uo生活给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

8、个卫生器具，给水当量的额定流量(L/s)计算得：Uo0.04%查?建筑给水排水设计标准?(GB500152023)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外表积仅是真空管的百分之一，易结水垢，换热效果不如真空

9、管，且使用效果直接受到热管本身质量和寿命的影响，局部热管出现质量下降和衰减问题，不容易被发现，且本钱高；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，本钱相对也高。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适宜，热效率高，经济实用，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

10、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)，那么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0.010-0.2Ls/进行计算,此处按0.015 Ls/计算，该泵的流量为L23425.2 (L/h扬程考虑到位置高度，沿程损失，局部损失，计算得qrh0.15MPa2) 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：Hb0.20M

11、Pa七太阳能集热面积确实定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/d123456789101112水平面6.8137.7539.02112.54214.46813.21817.40516.46312.01310.2768.3887.303纬度斜面9.1038.5349.55211.95312.71511.41715.15815.68411.84611.52410.83910.425从上表可知：不同斜面上的太阳辐照量是不同的，且随月

12、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=tR- ta/G，其中tR 为集热器热水进出口平均温度(产热水温度)，ta 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tR- ta/G的变化而变

13、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，那么越低。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 太阳能在杭州地区全年各月的平均热效率值月份123456789101112ta4.35.69.515.820.724.328.427.923.418.312.46.80.420.460.500.520.550.560.580.570.560.540.510.463太阳集热面积确定根据GB/T 18713-2023?太阳热水系统设计、安装及工程验收技术标准?,太阳集热器的采光面积可以

14、按如下公式计算：式中： - 直接系统太阳集热器的采光面积，单位 - 日均用水量，单位27360kg。对于该太阳能系统， - 水的定压比热容，单位 KJ/(kg)。应取4.186 KJ/(kg)。 - 贮水箱内水的终止温度，单位 。对于该太阳能系统，应取55 - 水的初始温度，单位 。对于该太阳能系统，应取15 - 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0.5 - 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12000 KJ/d - 太阳集热器效率，无量纲。据表2应取0.55 - 管路及贮水箱热损失，无量纲。考虑到贮水箱在室内，取0.2经计算得

15、: =433.8八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/kg M： 加热水量 kg T: 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到达设定水温时可在01

16、00之间任意设定，一般设定在4555之间，电脑控制器使供冷水电磁阀自动翻开，自来水进入太阳集热器底部，同时将太阳集热器顶部到达设定温度的热水顶入储热水箱；当太阳集热器顶部水温低于设定温度时一般定在4045之间，电脑控制器使供冷水电磁阀自动关闭。如此运行，不断将到达设定温度的热水顶入储热水箱储存。2储热水箱满水位时，太阳能温差循环加热当储热水箱水满时，为了防止水满溢流，电脑控制器使太阳能系统自动转入温差循环。当太阳集热器水温高于储热水箱水温时，循环水泵自动启动，将储热水箱内较低温度的水泵入太阳集热器继续加热，同时将太阳集热器内较高温度的热水顶入储热水箱。如此，通过使储热水箱水温升高的方法储存太阳

17、集热器吸收的太阳能。当用户使用热水，使储热水箱水位下降后，电脑控制器使太阳能系统自动转入定温加热。3太阳能缺乏时，自动启动辅助能源电脑控制器将随时监测储热水箱水温，当水箱水温达不到使用要求时，自动启动电加热辅助加热，以保证用热水。4储热水箱水位控制PLC控制器将随时监测储热水箱水位。在天气正常的情况下，储热水箱的水位在一天中不同的时间将到达不同的水位。如果在某一时间内，储热水箱的水位没有到达正常的水位，说明太阳能产热水缺乏或用户用热水过度，此时，PLC控制器使辅助能源自动启动，当到达正常水位时，PLC使辅助能源自动停止。5储热水箱水温控制当由于循环散热等原因，使储热水箱的水温低于设定值时一般应

18、设定在4555之间，PLC控制器会自动根据情况选择加热方式。当太阳能正常时，自动启动太阳能循环水泵，通过太阳能加热储热水箱内的水；当太阳能缺乏时，自动启动辅助加热，加热到设定温度，辅助加热自动停止。6用热水采用变频恒压循环供热水方式，一方面减少电能的消耗，一方面保证翻开淋浴喷头很快就出热水的效果。7系统远程监控控制器配备的中文显示器可放在2000米内的地方，显示太阳能系统的水温、水箱水温及水量、各控制终端设备如循环泵、电磁阀、辅助加热等的运行、故障信息等，并可使用显示器的功能键控制终端设备的运行和设定各种变量值。系统配备的控制器还预留有网络接口，可以实现远程计算机监控、数据存储及程序升级。该宾

19、馆太阳能热水系统实景图该宾馆太阳能热水系统设计特点如下：1与建筑一体化。由于该屋面南侧摆放太阳能面积缺乏，充分考虑利用北侧廊架造型结构上。为与屋面协调一致，太阳集热器平铺在屋面廊架造型结构上，给周围环境增添生机起到画龙点睛的作用，绿色能源溶入和谐的人文环境中。2系统平安可靠。充分考虑了防风、防雷、防冻、抗冰雹、防漏电、防高温，保证系统平安。3优先和充分利用太阳能。电脑控制器会根据天气情况准确计算辅助加热启动时间，以最大化利用太阳能，节约常规能源；辅助加热补水通过太阳集热器，即使在阴天太阳能只起一点作用时，也能充分利用起来；4CPU智能控制，全自动运行。采用西门子工业级CPU，运行稳定可靠；采用

20、我公司研制的太阳能控制程序，融入了我公司多年工程安装经验；具有计算功能，准确计算辅助加热启动时间，充分利用太阳能；可实现远程监控及程序升级；可显示水温、水量精确到1升、太阳能运行状态、故障信息。5设计了手动操作功能。系统自动运行可以与手动操作功能自由转换，系统循环泵及辅助加热设备可以按需要手动操作，真正表达人性化的操作界面。6设计了应急操作系统。保证维修期间热水供应如果太阳能系统出现问题，可以启动应急操作系统，保证维修期间热水供应。7热水供应采用变频技术。保证热水恒压供应，同时节约电能消耗。十设计体会该太阳能热水系统已在该宾馆中安装运行了两年多时间，经过两年多时间的运行，该系统证明是稳定、可靠的。并满足了用户的要求，到达了设计目的。通过本工程的设计，我们感到要真正做到太阳能与建筑一体化，没有房地