太阳能热水系统计算过程

昆明项目太阳能热水系统设计计算书一、工程概况32层普通住宅，建设地点位于昆明市，共192户，每户按3.5人计（考虑入住率、户型大小、用水习惯等因素），总用水人数：m=192户x3.5人/户=672人。按照国家建筑标准设计图集06SS128《太阳能集中热水系统选用与安装》第8.2.1款规定：（1，太阳能集热器方位角宜朝正南方放置。（2，在全年使用时，集热器的安装倾角宜与当地纬度相等。查《给水排水技术措施2009年版本》附录F-2可知，昆明当地的纬度为25。01'。因此本工程的太阳能集热器的安装倾角取25。，屋顶层正南向安装。二、设计计算依据（1）《建筑给水排水设计规范GB50015-2003》（2009年版）；（2）《全国民用建筑工程设计技术措施-给水排水》（2009年版，；（3）国家建筑标准设计图集06SS127《热泵热水系统选用与安装》；（4）国家建筑标准设计图集06SS128《太阳能集中热水系统选用与安装》;（5，专业公司提供的太阳能集中热水系统设计方案书；（6，云南省设计院提供的设计图纸。三、集热系统设计计算1•设计日用热水量q」十算：rd系统设计日用热水量按下式计算：Q二mqrr式中：Q-系统设计日用热水量（L/d）rm-用水计算单位数，m=672人；q-热水用水定额k/（人-dHq=60[l/（人-d）1rr则：Q二mqrr二672人x60L/人•d二40320L/d=40.32m3/d。太阳能集热器总采光面积的确定2.1太阳能集热器全日集热效率耳的确定本例选用真空管型太阳能集热器，每组集热器面积7.5m2。由于缺少该集热器相关的瞬时效率方程，故按照国家建筑标准设计图集06SS128《太阳能集中热水系统选用与安装》第8.4.4款第2条规定：太阳能热水工程中集热器效率一般在

25%〜50%之间，全年均衡使用时取平均值进行估算，因此耳=37.5%。太阳能保证率f的确定由于云南省太阳能资源属于III类一般区，太阳能保证率在40%~50%之间，本次计算取50%。2.3太阳能热水系统集热器面积AC按下式确定C-1-1)xf/JLTxqxG—耳)x1000]L式中：A—直接系统集热器总米光面积Cm2）Cf—太阳能保证率，取50%；Q—设计日用热水量（L/d）按40320L/d计；c—水的定压比热容，c二4.187力/（kg-°C）］p—热水密度Gg/取0.9832kg/L；t-贮水箱内水的设计温度。C）取60°C；/—水的初始温度（°C）,取10°C；J-倾角等于当地纬度时，倾斜表面平均日太阳总辐照量/m2-d）昆明取15.75（MJ/m2-（n-集热器年均集热效率，取37.50%；n—集热系统热损失率，取0.20。Lxnx(1—n)x1000]0.9832kg/Lx(60xnx(1—n)x1000]0.9832kg/Lx(60°C—10°C)CrreLT=40320L/dx4.187IkJ/(kg-°C)]xx0.5/15.75(MJ/m2-d0.375x(1—0.20)x1000-=878.22m2太阳能集热系统供水用户数量校核根据专业公司提供的方案书，本工程米用的太阳能集热器米光面积为：7.5m2/组。因此，要满足全部32层192户的日常热水用量要求，需要集热器数量为：878.22m2-7.5m2/组=117.10组沁118组。根据专业设计公司提供的“方案一”：以现有屋面面积，不作任何改动，可以安装真空管集热器38组。按照以上计算结果，“方案一”只能满足38组兰组x32层=10.31层住户的热水用水量，与专业公司的“可以满足17层住户的118组热水用水供应”不符。根据专业设计公司提供的“方案二”：以现有屋面的造型为基础，将整个屋面搭建成整体花架，则至少可以安装70组集热器。按照以上计算结果，“方案

二”只能满足170组x32层=18・98层住户的热水用水量’与专业公司的“可以满足全部32层住户的日常热水需求”不符。贮热水箱的设计计算贮热水箱容积按下式计算V=q-Arrjdj式中：V-贮热水箱容积(L)取5oL/(m2-d取5oL/(m2-dMq-单位采光面积平均日的产热水量rjd4.1.1当采用方案一时，A=38组x7.5m2/组=285m2VjV285m2=14250L=14.25m34.1.2当采用方案二时，A=70组x7.5m2/组=525m2jV=5ol/Cm2-d3x525m2=26250L=26.25m3r太阳能集热系统循环流量的设计计算集热系统总循环流量按下式计算：q=q・Axgzj式中：q-循环流量(L/s)p屮q[-单位采光面积集热器对应的工质流量d/(-m2』应按集热器产品检测数据确定,也可取经验值:0.015~0平L/(-m2)本次计算取0.02L/(-m2)A-集热器集热面积Cm2)方案一共设38组太阳能集热器。因此，集热器总采光面积为：A=38组x7.5m2/组=285m2j则：q=q-AxgzCj)=0.02L人•m2)x285m2=5.7L/s=20.52m3/h故方案一的集热系统总循环流量q=5.7L/s=20.52m3/hx方案二共设70组太阳能集热器。因此，集热器总采光面积为：A=70组x7.5m2/组=525m2j则：qx=qgz0A=0.02L/,-m2)x525m2=10.5L/s=37.80m3/h故方案二的集热系统总循环流量q=10.5L/s=37.80m3/hx循环泵流量的确定当采用方案一时⑴1号热水循环泵负责16组集热器的热水循环，因此该循环泵的流量为q=0.02L/(-m2)x7.5m2/组x16组=2.4L/s=8.64m3/hxl⑵2号热水循环泵负责22组集热器的热水循环，因此该循环泵的流量为：q=0.02L/(-m2)x7.5m2/组x22组=3.3L/s=11.88m3/hxl当采用方案二时⑴1号循环泵负责20组集热器的热水循环，因此该循环泵的流量为：q=0.02L/(-m2)x7.5m2/组x20组=3.0L/s=10.80m3/hxl⑵2号热水循环泵负责50组集热器的热水循环，因此该循环泵的流量为q=0.02L/(•m2)x7.5m2/组x50组=7.5L/s=27.00m3/hxl5.3循环泵的扬程计算开式太阳能热水系统循环泵扬程按下式计算：H=h+h+h+hxpjzf式中：H-循环泵扬程(kPa)；xh-集热循环管道沿程与局部阻力损失之和(kPa)；h"-循环流量经过集热器的阻力损失(kPa)，取单台集热器阻力H和串联集热器台数n的乘积;jch-循环泵吸水管管口与回水管管口之间的几何高差(kPa)；本工程h沁0；zzh-为保证换热效果附加压力(kPa)，h=20~50kPa。本次计算取40kPa。当采用方案一时⑴经计算：1号热水循环泵集热循环管道沿程与局部阻力损失之和为：h=24.57kPap2号热水循环泵集热循环管道沿程与局部阻力损失之和为：h=11.25kPa。⑵按照国家建筑标准设计图集06SS128《太阳能集中热水系统选用与安装》第8.8.2款第2条规定：在厂家未提供实测数据时，当集热器单位面积流量q二0.02L/（m2•s寸，单个集热器的阻力一般为0.5kPa/m2左右。集热器的采光面积为7.5m2/组，因此每组集热器阻力H二7.5m2/组x0.5kPa/m2二3.75kPa/组。C其中：1号热水循环泵负责16组（分4排并联，每排4组串联）集热器的热水循环,因此匕h二Hxn二3.75kPa/组x4组二15kPajC则：1号热水循环泵的扬程为：H=h+h+h+hxlpjzf=24.57kPa+15kPa+0kPa+40kPa=79.57kPa〜8.0mHO22号热水循环泵负责22组（分2排并联，每排11组串联）集热器的热水循环,因此h=Hxn=3.75kPa/组x11组=41.25kPajC则：2号热水循环泵的扬程为：H=h+h+h+hxlpjzf=11.25kPa+41.25kPa+0kPa+40kPa=92.50kPa=9.25mHO2根据上述计算结果，当采用方案一寸：1号热水循环泵的扬程为：H=7.84mHO,流量为：q=2.4L/s=8.64m3/h；xl2xl2号热水循环泵的扬程为：H=9.25mHO,流量为：q=3.3L/s=11.88m3/hxl2xl当采用方案二寸，⑴经计算：1号热水循环泵集热循环管道沿程与局部阻力损失之和为：h=15.28kPa；p2号热水循环泵集热循环管道沿程与局部阻力损失之和为：h=11.80kPa。p⑵按照国家建筑标准设计图集06SS128《太阳能集中热水系统选用与安装》第款第2条规定：在厂家未提供实测数据寸，当集热器单位面积流量q=0.02L/（m2•s）时，单个集热器的阻力一般为0.5kPa/m2左右。集热器的采光面积为7.5m2/组，因此每组集热器阻力H=7.5m2/组x0.5kPa/m2=3.75kPa/组。C其中：①1号热水循环泵负责20组(分5排并联，每排4组串联)集热器的热水循环，因此匕h二Hxn二3.75kPa/组x4组二15kPajC则：1号热水循环泵的扬程为：H=h+h+h+hxlpjzf=15.28kPa+15kPa+0kPa+40kPa=70.28kPa〜7.03mHO22号热水循环泵负责50组(分8排并联，其中，3排5组串联；5排7组串联)集热器的热水循环，因此h=Hxn=3.75kPa/组x7组=26.25kPajC则：2号热水循环泵的扬程为：H=h+h+h+hxlpjzf=11.80kPa+26.25kPa+0kPa+40kPa=78.05kPa〜7.81mHO2根据上述计算结果，当采用方案二时：1号热水循环泵的扬程为：H=7.03mHO,流量为：q=3.0L/s=10.80m3/h；xl2xl2号热水循环泵的扬程为：H=7.81mHO,流量为：q=7.5L/s=27.00m3/hxl2xl集热器前后排之间的最小距离D计算集热器前后排之间的最小距离D应按下式计算D=Hxcotaxcosyso式中：D-集热器前后排的最小距离(m)H-集热器最高点与最低点的垂直距离(m)a-计算时刻的太阳高度角sy-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o计算时刻的太阳高度角a按照下式计算：ssina=sin©sin5+cos©cos5cos①s式中：e-当地纬度（。）本工程地处昆明市，故0=25。。5-太阳赤纬角（。）春分、秋分时5=0。因系统全年使用，赤纬角按春秋分考虑，即§=0。。①一时角（。〉®=mxl5。m一偏离正午的时间（h）上午取负值，下午取正值。由于本系统全年运行，时角按春分9:00考虑，即3=（-3）x15=-45。因此：sina=sinQsin5+cosQcos5cos3=sin25°xsin0°+cos25°xcos0°xcos(-45》=0.64得太阳高度角a=39.86°，则太阳方位角a：ssina=cos5xsin3/cosa=cos0°xsin（-45°）/cos39.86°=-0.9212则太阳方位角a=-67.10°。由于本工程太阳能集热器采取正南向安装，所以集热器的方位角丫=0,因此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Y=太阳方位角a，o即Y=-67.10°。o集热器最高点与最低点的垂直距离H计算集热器长度L=1.80m，安装倾角为25°，即：H=Lxsin25°=1.80mxsin25°=0.76m因此集热器前后排之间的最小距离D为：D=Hxcotaxcosy=0.76mxcot39.86°xcos(-67.10°)=0.35m7辅助加热设备设计计算按照《建筑给水排水设计规范GB50015-2003》（2009年版）第5.4.2A款第4条规定：太阳能热水供应系统应设辅助热源及其加热设施。本工程拟采用空气源热泵作为辅助加热设施。设计参数：用水计算单位数m=672人，冷水温度10°C,机组出水温度60°C，At=50°C,q=60L/人•d，K=4.8。昆明气象参数：全年平均气温14.91°C；rh夏季平均气温（7、8月份）19.6°C；冬季平均气温（1月份）8.1°C；最低气温约5°C。机组的选型与计算最高日耗热量，按下式计算Q二Qxcxpx(t-1)/(24x3600)drrrL式中：(m3/dQ(m3/dQ-最高日热水量・3/d)取40.32c-水的比热，C=4187(J/kg-°C)P-60°C热水的密度Gg/L),取0.9832@/L)t-热水设计温度(°C)取60(°C)t-冷水设计温度(°C)取10(°C1L则：Q二40.32(m3/d)x4187J/kg-°C)x0.9832(kg/L)x(60°C-10°C)/(24x3600)二96.06(kW)设计小时平均秒耗热量，按下式计算Q二Qcp(t-1)/3600hrhrrL式中：Q-设计小时平均秒耗热量kW)Q-设计小时热水量・3/h2rh其中：Q二mKq/24000rhhr二672人x4.8x60L/人•d/24h二8064L/h则：Q=QCp(t-1)/3600hrhrrL=8064L/hx4187J/kg-°C)x0.9832(kg/L)x(60°C—10°C)/3600=461066W=461.07kW热泵机组制热量按下式计算：Q=24xkQ/Tg1d1式中：

Q-热泵机组设计小时平均秒供热量（kW）Q-最高日平均秒耗热量（kW）Q=96.06kW;T-热泵机组设计工作时间（h）,全日供水时，建议取12〜20（h）本次计算T取16h;11k-安全系数，可取k=1.05〜1.10。本次计算k取1.10。111则：Q二24xkQ/Tg1d1二24x1.10x96.06kW/16h二158.50（kW丿机组选型配比：考虑温度及结霜的影响，取综合影响系数为0.7。则机组的名义制热量为：q二158.50（kW）/0.7二226.43（kW）拟选用空气源直热式热泵热水机组：TFS-SKR1600（S）三台（制热量：72kW（97.96匹）/台，额定功率：16.6kW/台）；TFS-SKR480（S）一台（制热量：19.6kW（26.67匹）/台，额定功率：4.63kW/台）。所选机组额定总制热量为:72kW/台x3台+19.6kW/台x1台=235.6kW>226.43kW，机组选型满足要求。选型核算环境温度按冬季最低温度5OC计算，在5OC环境温度下，机组能力衰减30%，则在5OC环境温度下机组的工作时间为：T=24x96.06kW/（2kW/台x3台x70%+19.6kW/台x1台x70%）二13.98h<16h由上面计算可知，在极端恶劣的环境下，机组工作13.98h即可满足全部住户最大用水量的要求，选型满足要求。水箱贮热总容积计算:①热泵热水系统贮热总容积V按下式计算：rLrrLrrrn-有效贮热容积系数，耳取0.8；T-设计小时耗热量持续时间（h）—般T=2~4h,本次计算T取2h。则：V^^^^〈kW-(72kW/台x3台+19.6kW/台x1台)x0.7〕x2.0h/1.163x0.8x50°Cx0.9832(kg/L)；12.95鳥3)②V初步计算后按Q核算蓄热时间T,蓄热时间计算公式