太阳能热水系统专业课程设计计算报告书.doc

《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：　 建筑环境和能源应用工程
班　　级：　　　 建环142 　　
学 号： 51385236
指导老师：　　　　 候景鑫 　

12月25日

目录
1.设计参数 2
1.1 气象参数 2
1.2 热水设计参数 2
2.太阳集热系统设计 2
2.1集热器面积确定 2
2.2太阳集热器定位 3
2.3太阳集热器模块总数确定 3
2.4太阳集热器间距 3
3.贮热水箱选型 4
4.集热循环管路水力计算 5
4.1集热循环管路流量 5
4.2集热循环管网热水流速及管径确实定 5
4.3集热循环最不利环路管道阻力确实定 6
4.4集热系统循环水泵选型 7
5.热水供给系统管路水力计算 8
5.1热水供给系统管路流量确实定 10
5.2热水供给系统最不利环路管道阻力确实定 11
5.3热水供给系统循环水泵选型 12
6.辅助热源 13
7.自动控制系统 14
7.1运行控制 14
7.2防冻控制 15
7.3过热防护 15
8.阻垢除垢 15
9.参考文件 16

1.设计参数
1.1 气象参数
本工程为杭州市现代宾馆太阳能系统设计。杭州地域纬度为北纬30°14’，依据《民用建筑太阳能热水系统工程技术手册》表1-10，查得该地域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），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
依据《民用建筑节水设计标准》表3.1.7，酒店热水平均日用水定额取110—140 L/（床•d），本设计取120 L/（床•d），热水温度按60 ℃计。依据《民用建筑太阳能热水系统工程技术手册》表1—16，杭州地域冷水计算温度取5 ℃（地面水）。
2.太阳集热系统设计
2.1集热器面积确定
依据中国现行标准，太阳能集热系统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，故其集热器面积确实定为：
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整年提供宾馆客房用热水，客房总数
为72床，则日平均用热水量为8640 L/d；
c ——水定压比热容，4.187 kJ/（kg·℃）；
——水密度，1 kg/L；
——贮热水箱内水终止设计温度，取60 ℃；
——水初始温度，取5 ℃；
JT ——当地集热器采光面上年平均日太阳辐照量，取11621kJ/m2；
f ——太阳能确保率，上海地域属于太阳能资源通常区，由《民用建筑太阳能热水系统工程技术手册》4.4.3.1，并参考表4—6，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通常在0.25 —0.5 间，本工程整年使用，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太阳集热器定位
依据《太阳能集中热水系统选择和安装》8.2.1条，在整年使用时，集热器安装倾角宜和当地纬度相同，即和建筑同方位，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择和安装》，选择PGT—2.0平板型太阳能集热器作为一个单元集热器。单元平板集热器尺寸为： mm×1000 mm，单元集热器集热面积为：1.83 m2。依据集热器总面积及单元集热器集热面积，计算需要集热器数量为141块，则总集热面积约为258.03m2。

2.4太阳集热器间距
（1）由《民用建筑太阳能热水系统工程技术手册》4.4.1.2，本工程集热器安装方位为正南，即集热器方位角为0°。所以，整年运行太阳能集热系统，集热器前、后排间不相互遮挡最小间距计算时刻选择春分日早晨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（°），早晨9点对应时角为-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°14’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；
——计算时刻太阳高度角；
——计算时刻太阳光线在水平面上投影线和集热器表面法线在水平面上投影线之间夹角。
计算得，太阳能集热器距南墙距离为0.75m，前后排太阳集热器日照间距为0.31m。
3.贮热水箱选型
依据本建筑所需日平均用热水量8640L/d，选择3 m×2 m×2 m贮热水箱，其实际容积约为12吨。
4.集热循环管路水力计算
集热环路采取同程连接，各环路相同。取其中任一环路为最不利环路，即管段1—2—3—4—5—6—7—8。

图4—1 集热循环最不利环路
4.1集热循环管路流量
依据《民用建筑太阳能热水系统工程技术手册》4.4.4，平板型太阳集热器工作流量可按0.02 L/(s•㎡)计算，则本工程太阳能集热系统总流量为：

4.2集热循环管网热水流速及管径确实定
由《太阳能集中热水系统选择和安装》8.8.2，太阳能集热系统管网热水流速，宜按下表选择：
表4—1 集热系统管网热水流速推荐值
公称直径DN（mm）
15—20
25—40
≥50
流速（m/s）
≤0.8
≤1.0
≤1.2
依据下列公式，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管径及流速计算结果以下：
表4—2 集热循环管路中最不利环路管径

管段编号
流量（m3/s）
管径（mm）
流速（m/s）
1
0.00544
100
0.69
2
0.00432
80
0.88
3
0.00288
70
0.73
4
0.00144
40
1.12
5
0.00144
40
1.12
6
0.00288
70
0.73
7
0.00432
80
0.88
8
0.00513
100
0.65

4.3集热循环最不利环路管道阻力确实定
本设计集热循环管网采取镀锌钢管。
（1）管道沿程水头损失：

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：
表4—3 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）
1
100
0.00544
0.0892
6.319
0.564
2
80
0.00432
0.223.
1.17
0.261
3
70
0.00288
0.254
1.17
0.297
4
40
0.00144
0.935
1.17
1.094
5
40
0.00144
0.935
1.17
1.094
6
70
0.00288
0.254
1.17
0.297
7
80
0.00432
0.223
1.17
0.261
8
100
0.00513
0.0749
60.11
4.502

8.370
（2）管道局部水头损失。
考虑阀门、弯头及三通所造成局部阻力，按沿程阻力20%取值，则局部阻力为：

（3）集热器阻力。
依据《太阳能集中热水系统选择和安装》8.8.2，集热器单位面积流量为q=0.02 L/(s•㎡)时，单个集热器阻力通常为0.5 kPa/m2。此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。
最不利环路总阻力即为沿程损失、局部损失和集热器阻力之和，即：
。
4.4集热系统循环水泵选型
本工程太阳能集热系统总流量为5.13L/s，即18.47m³/h,此流量即为集热系统水泵流量。扬程考虑到沿程损失、局部损失、集热器阻力，即管网总阻力，相当于4.5mH2O，考虑流量贮备系数1.1，则集热系统循环水泵扬程H为4.95mH2O。
依据流量和扬程，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4—4 IRG-15-80型热水循环泵性能参数
型号
扬程m
流量m³/h
功率kW
IRG-65-100A
7
2.0
0.18

5.热水供给系统管路水力计算

图5—1 热水循环系统最不利环路
5.1热水供给系统管路流量确实定
该酒店建筑中，一个客房中热水供给卫生器有洗脸盆、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，洗脸盆给水当量为0.5，额定流量为0.10 L/s；浴盆给水当量为1.0，额定流量为0.20 L/s。
热水给水设计秒流量为（酒店α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。计算结果以下：
表5—1 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）
1
73
73
109.5
5.23
2
51
51
76.5
4.37
3
45
45
67.5
4.11
4
42
42
63
3.97
5
30
30
45
3.35
6
18
18
27
2.60
7
12
12
18
2.12
8
6
6
9
1.50
9
4
4
6
1.22
10
2
2
3
0.87

5.2热水供给系统最不利环路管道阻力确实定
本设计热水循环管网采取镀锌钢管。依据《民用建筑太阳能热水系统工程技术手册》4.6.2，为确保各立管循环效果，尽可能降低干管水头损失，热水供水干管和回水干管均不宜变径，可按其对应最大管径确定。
依据《建筑给排水设计规范》GB50015—，表5.1.1-2，查得酒店旅馆浴盆小时用热水量为250 L=0.07L/S，洗脸盆小时用热水量为180 L=0.05L/S。并由此确定回水管流量。
管网热水流速确实定，可参考《民用建筑太阳能热水系统工程技术手册》表4—19：
表5—2 热水管道内流速
公称直径DN（mm）
15—20
25—40
≥50
流速（m/s）
≤0.8
≤1.0
≤1.2
（1）管道沿程水头损失：

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：
表5—3 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）
1
100
5.23
0.079
19.6
1.554
2
80
4.37
0.237
0.61
0.145
3
80
4.11
0.213
0.18
0.038
4
70
3.97
0.460
8.212
3.778
5
70
3.35
0.321
8.4
2.696
6
70
2.60
0.210
8.4
1.764
7
50
2.12
0.525
8.4
4.410
8
50
1.50
0.237
5.115
1.212
9
50
1.22
0.182
3.3
0.601
10
40
0.87
0.252
3.3
0.832
11
32
0.72
0.501
11.05
5.536
12
50
1.44
0.255
8.4
2.142
13
50
2.16
0.503
8.4
4.225
14
70
3.60
0.377
8.4
3.167
15
80
5.04
0.311
7.5
2.333
16
80
5.40
0.362
0.9
0.326
17
80
6.12
0.433
0.61
0.264
18
100
8.76
0.203
5.8
1.177

36.199

（2）管道局部水头损失。
考虑阀门、弯头及三通所造成局部阻力，按沿程阻力20%取值，则局部阻力为：

（3）环路最不利出水点所需最低压力。
因水箱在楼顶，水箱和最不利出水点静水压大于最不利出水点最低工作压力。故环路中可不计最不利出水点所需最低压力。
（4）管网总阻力。
最不利环路总阻力即为沿程损失、局部损失和集热器阻力之和，即：

5.3热水供给系统循环水泵选型
（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，此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/（b•d）；
c——水比热容，4187 J/（kg·℃）；
——水密度，1 kg/L；
——热水温度，为60 ℃；
——冷水温度，为5 ℃；
Kh——小时改变系数，由《民用建筑太阳能热水系统工程技术手册》表4—4，取6.84。
代入计算，得设计小时耗热量为157514 W。
（2）水泵流量为循环流量，依据《民用建筑太阳能热水系统工程技术手册》4.6.1，全天供给热水系统循环流量可按下式计算：
式中：——循环流量，L/h；
——配水管道系统热损失，W，按设计小时耗热量3%—5%采取，此次计算
取5%，则热损失为7876 W；
△t——配水管道热水温度差，依据系统大小确定，通常取5—10 ℃，取10 ℃；
——水密度，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阻力43.44 kPa，相当于4.344 mH2O，考虑流量贮备系数1.1，则H为4.778 mH2O。

依据流量和扬程，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5—4 IRG-15-80型热水循环泵性能参数
型号
扬程m
流量m³/h
功率kW
IRG-15-80
7
2
0.18
6.辅助热源
本设计采取空气源热泵机组作为辅助热源，根据阴雨天太阳能供热量为0，计算辅助热源设计小时供热量，其值可按下式计算：
式中：——空气源热泵设计小时供热量，kJ/h；
m——用水计算单位数，此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/（b•d）；
c——水比热容，4.187 kJ/（kg·℃）；
——热水密度，1 kg/L；
——热水温度，为60 ℃；
——冷水温度，为4 ℃；
——热泵机组设计工作时间，此次设计取20 h；
代入计算，得到辅助热源供热量为111421 kJ/h，即为30.95kW，由此选择1台格力KFRS-36s型号空气源热泵机组，具体性能参数见下表：
表6—1 KFRS-36s型号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kW
KFRS-36s
36
6.0
8.7
7.自动控制系统
依据《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运行模式，并遵照简单可靠标准，选择可靠控制器和温度传感器。
7.1运行控制
太阳能热水系统控制方法关键有定温控制、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启闭和泵启停，是最为常见控制方法。
强制循环通常采取温差控制，所以，此次设计对太阳能集热系统采取温差控制方法。在水箱和集热器回水管上分别设置温度探头T1、T2，当T2—T1≥10℃时，开启集热循环泵循环，T2—T1≤5℃时，停止集热循环泵运行。
对和用户相连热水循环系统采取温差控制方法，在水箱和热水回水管底部分别设置温度探头T3，当T3—T1≥10℃时，开启热水循环泵循环，T3—T1≤5℃时，停止热水循环泵运行。
对上水系统采取水位控制方法。当储水箱中水位达成低水位时，由液位计控制电磁阀打开，冷水自动向储水箱中补水，水满后（即水位达成高水位时）电磁阀关闭。
对水箱内辅助热源采取定温控制方法，当水箱内水温T1≤40℃时，开启辅助电加热装置，加热水箱内水，当水箱内水温T1≥60℃时，停止辅助电加热装置。
7.2防冻控制
本工程在杭州市，属于夏热冬冷地域，冬季温度不低于0 ℃，所以不需要考虑防冻问题。
7.3过热防护
过热防护通常由过热温度传感器和相关控制器和实施器组成。水箱过热温度传感器通常能够借用温差控制中水箱温度传感器。水箱过热温度传感器温度设定通常在80 ℃以内以免发生烫伤危险，集热系统过热温度传感器温度设定高于水箱过热温度传感器温度设定。
8.阻垢除垢
在热水供水管上安装电子除垢仪，依据热水设计秒流量为5.23 L/s ，即5.23*3600/1000=18.83 T/h（吨每小时），选择CLDC-2D型号电子除垢仪，具体性能参数见下表：

表 8—1 CLDC-2D电子除垢仪性能参数

9.参考文件
[1] 郑瑞澄.民用建筑太阳能热水系统工程技术手册[M].北京：化学工业出版社，.
[2] 中国国家标准.民用建筑节水设计标准（GB 50555-）[S]. 北京：
中国建筑工业出版社，.
[3] 太阳能集中热水系统选择和安装（06SS128）[S].
[4] 建筑给水排水工程[M].北京：中国建筑工业出版社，.
[5] 中国国家标准.建筑给水排水设计规范（GB50015-）.北京：中国计
划出版社，。