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现代建筑太阳能热水供应系统设计

 论文栏目:科技论文     更新时间:2019-01-12 08:26     浏览:

摘 要:自80年代初开始, 太阳能热水器技术的研究开发取得了一大批科技成果,有些已转化为生产力,加速推广应用。笔者结合自身多年的工作经验,参考了大量文献资料,探讨了现代建筑太阳能热水供应系统的设计要求。 
关键词:建筑;太阳能;热水;供应;系统;设计。 
前言: 
在许多工业化国家中,太阳能热水器早已列为建筑配套设备的一部分。从节能、环保和改善人民生活条件等因素考虑,在住宅设计中采用太阳能热水器提供生活热水已是大势所趋。为使太阳能热水器尽早步入建筑行业,我们首先要研究太阳能热水器与建筑外观相协调的总体方案(依据南方或北方、城镇或农村、楼房或平房等不同情况),设计出与建筑结构相适应的各种太阳能热水器产品(依据平屋顶、斜屋顶、阳台等不同条件);其次要重视热水器产品的标准化、系列化以及热水器施工安装的规范化,加强与建筑设计部门的合作,使太阳能热水器列入建筑标准图册,真正成为建筑的配套设备。 
设计的原始依据 
太阳能热水系统设计的原始依据包括三个方面:①使用者的要求•主要包括用水量、水温、用水时间,是否需要辅助加热及采用何种辅助热源等;②建筑物情况•如热水系统安装平面(屋面)情况,建筑物周围环境情况,水源电源情况等;③地理气候条件•如平均日辐射量、平均环境温度、平均风速、基本风压等• 
主参数的确定 
太阳能热水系统的主参数为热水负荷和系统的采光面积,它们是进行热水系统设计的主要依据•①热水负荷即日用水量•根据国家颁布的卫生标准,淋—盆浴混合使用,40℃热水150 kg/(人•次),若按照一幢住宅楼(6层,36户,3口/户,则每天需要16.2 t,适当增大负荷系数,可确定为20t•②系统采光面积•根据热水负荷及100∶1体面比[1]设计系统采光面积•江苏省属于太阳能一般资源带,即年辐射量4 200~5 400 MJ/m2,所以应适当降低体面比,推荐使用75∶1,那么本系统采光面积确定为270 m2,即每平方米集热器日产40~60℃热水75 kg,系统总产热水量20 t•考虑住宅楼居民用水率,该系统可保证全天24 h有充足的热水供应• 

设计主要内容 
热管真空管太阳能系统是由集热器、水箱、管路、控制系统等几部分组成•下图给出了太阳能热水系统的示意图• 

太阳能热水系统的示意图 

系统设计运行方式的选择 
常见太阳能系统运行方式有3种,即自然循环式、定时强迫循环式和定温强迫循环式•根据热水负荷、安装环境、系统节能标准等方面条件,本系统采用定温强迫循环方式,在太阳能不充分时采用电加热作为辅助热源• 
1.定温强迫循环方式的优点 
(1)定温强迫循环方式较自然循环方式的循环作用强•这是因为自然循环中动力来自冷热水密度差形成的热虹吸压头,一般情况所形成的压头比较小、不稳定•在采光面积较大情况下,循环管路较长,局部阻力元件较多,相应循环作用较弱•而定温强迫循环可提供足够压头克服水流阻力,有效地保证了集中式热水系统循环的顺利进行• 
(2)定温强迫循环水流速度较大,管壁不易结垢,集热器阵列也不易形成“循环死区”;同时由于采用了温差控制方式,能够更充分地吸收太阳能,所以热效率较高•经过单位样品实验测试,本系统热效率高达47%• 
2.电加热补偿方式 
太阳能热水系统依靠吸收太阳能加热水,不可避免地会受到季节、昼夜、天气、环温等自然条件的影响•如在阴雨天气中太阳能不充分,热水系统所能够提供的热水就很难满足使用要求,必须通过辅助热源进行补偿•本系统采用电加热补偿方式,一方面电加热补偿方式方便易行、经济性好,另一方面由于电加热带来的安全隐患处理技术已趋于成熟(如华扬太阳能热水器厂的水电隔离技术等),能够满足热水系统采用电加热补偿加热水的安全标准,从而全天提供符合要求的热水• 

水箱的设计 
为保证全天24 h用户都能获得50℃的热水,本系统中设计了两个水箱,其中一个容量较大16m3为储水箱,另一个容量较小4 m3作为热水箱•储水箱和太阳能热水系统连接,与热管真空管集热器进行热交换;热水箱水温在正常工作条件下始终在50℃以上,若太阳能集热系统提供的热水未达到50℃,则由电加热补偿,热水箱中补给水由储水箱提供•在采用电加热补偿时,只加热热水箱中的少量水,不影响太阳能集热系统的热交换•且由于热水箱容量较小,既满足了在太阳能不充分条件下用户快速获取热水的需求,同时也避免电能消耗率的增大,从而使系统具有良好的经济性•水箱结构设计应满足其功能要求•储水箱内的管件主要包括与循环管路相连的上水循环管、循环回水管、与热水箱相连的取水管、水箱排污管、溢流管、安装传感探头的管箍等;热水箱中管件主要包括与储水箱相连的取水管、热水取水管、电加热装置安装管、水箱排污管、溢流管、安装传感探头的管箍等• 

供给水系统设计 
太阳能系统的供给水设计十分重要,这不仅关系到水箱、集热器水位、流量的稳定,而且关系到终端热水的流量与温度。设计中应保证储水箱有足够的水位,同时应避免终端大量用水时冷水渗入造成的温度波动。因此,小型系统可采用浮球液位控制器,同时在冷水管路上设置电磁阀。大型系统应采用有电讯号输出的液位控制器和时间控制器来控制冷水管路上的给水泵或电磁阀。为避免终端用水时放冷水造成浪费,同时也为了使用方便,对要求较高的宾馆、住宅楼等,在进行系统设计时还应设置供水循环系统,通过温度控制器和时间控制器控制循环泵的定温定时循环。这样一方面可保证供水管道的水温恒定,另一方面也强化了太阳能集热器的传热效果,提高了集热效率,是系统不可缺少的重要配置。循环泵应根据循环效果要求、流量、扬程、沿程阻力计算等来选择。 

辅助能源选择 
为保证太阳能供水系统全天候使用,必须设置辅助能源,在太阳辐射能量不足时代替集热装置向系统提供热量。可供选择的辅助能源一般有电加热、燃油锅炉、燃煤锅炉三种。从设备费用看,电加热器设备费用最低,但若电加热功率太大,供电地点远,变压器增容费与电缆费用也相当大。从运行费用来看,燃煤锅炉较经济,燃油锅炉次之,用电较贵。从消防、环保看,电加热均占优势。从自动化程度看,电和燃油锅炉均可实现较高程度的自动化。 

小结 
太阳能热水器具有节能、绿色、环保等优点,我们给排水设计工作者应积极推广和设计使用。而且在设计过程中既需根据其特点采取适当措施加以改进,又需做好各个专业的配合工作,才能使太阳能供水系统更加合理和便于维修管理。 
参考文献: 
1. 太阳能热水系统设计 林邦初  (福建省节能技术服务中心 350001) 
2. 多层建筑太阳能热水系统的设计 王宏宇 (江苏理工大学机械工程学院,江苏镇江212013) 
3. 太阳能热水器集中热水供应系统设计初探 杨 骏 (福州市经济技术开发区建筑设计院 350004) 
4. 我国太阳能热水器及其在住宅建筑中的应用 何梓年 




 
 
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