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太阳能热利用系统课程设计

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2020年4月19日
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淮 海 工 学 院
课程设计报告书

题 目： 《太阳能热利用系统》课程设计
项目12
学 院： 理学院
专 业： 光信息科学与技术
班 级： 光能101
姓 名： X X
学 号：

12 月 16 日

目 录
一、设计资料提供与使用要求……………………………………3
二、依据标准………………………………………………………3
三、我市太阳能资源情况…………………………………………3
四、太阳能系统设计方案…………………………………………4
4.1、系统日耗热量、热水量计算…………………………4
4.2、设计小时耗热量、热水量计算………………………4
4.3、太阳能热水系统集热面积的确定……………………5
4.4、太阳能集热器的安装方位和倾角……………………5
4.5、管材和附件……………………………………………6
4.5.1、管材 ……………………………………………6
4.5.2、附件 ……………………………………………6
4.5.3 水泵选型 ………………………………………7
4.6、保温层厚度计算………………………………………7
4.7、集热器的连接…………………………………………8
4.8、水箱的设计……………………………………………8
4.9、辅助热源设计…………………………………………8
五、系统运行控制及运行原理 ………………………………10
5.1、运行控制 ……………………………………………10
5.2、运行原理说明 ………………………………………10
5.3、工程保温水箱 ………………………………………10
5.4、太阳能热水工程智能控制系统 ……………………11
六、固件清单……………………………………………………12
设计说明
一、设计资料提供与使用要求：
根据图纸的要求，尽量在不影响楼房外观的情况下，合理设计太阳能安装数量，要与整体工程验收标准相匹配，采用楼面太阳能集中集热，分户储能， 春、夏、秋、冬晴天以太阳能制热为主，以分户电辅助加热为辅，太阳能外观颜色要与建筑外观颜色保持一致。
二、依据标准
系统严格安照以下国家标准进行设计
1、GB50015- 《建筑给水排水设计规范》
2、GB47272-92《设备及管道保温技术通则》
3、GB/T 5- 《太阳能热水系统性能评价规范》
4、GB/T4271- 《太阳能集热器性能实验方法》
5、GB/T18713- 《太阳能热水系统设计、安装及工程验收技术规范》
6、0017- 《钢结构设计规范》
7、B5009- 《建筑结构载荷规范》
8、B50207- 《屋面工程质量验收规范》
9、50205- 《钢结构工程施工质量验收规范》
10、50242- 《建筑给水排水及采暖工程施工质量验收规范》
11、50303- 《建筑电气安装工程施工质量验收规范》
12、50300《建筑工程施工质量验收统一标准》
三、我市太阳能资源情况
太阳能资源情况:江苏省连云港市处于暖温带南部，属于太阳能资源较丰富区，年日照时数在2500小时左右；水平面上太阳能辐照量为4200—5400MJ/㎡.a，年平均温度14.3℃。1月平均温度-0.4℃，极端低温-19.5℃：7月平均温度26.5℃，极端高温39.9℃。历年平均降水量920多毫米，常年无霜期为220天，主导风向为东南风。气象资料显示：连云港四季分明，冬季寒冷干燥，夏季高温多雨，每年大约紧有20-30天处于阳光不足状况状态。
四、太阳能系统设计方案
本项目设计对象为居民住宅，实际用户27户，每户平均3.5个人，日均用水量为5670L,需求水温60℃，鉴于极端天气情况，热水供应设计为日均5700L，故预采用集中集热分户计量系统。本系统包括水箱、集热模块、支架、水泵、自动化控制系统、辅助能源及相关配件等。

4.1 热水供应系统的日耗热量、热水量计算
全日供热水的建筑物其集中热水供应系统的日耗热量、热水量可分别按下列公式计算：
。

式中，—— 日耗热量
—— 热水用水定额，60L/单位
c——水的比热容
ρ——热水密度，60℃密度0.982kg/L。
tr-tl——温升，设计温升45℃。
m—用水设计单位，取94.5。
计算得：=8.62kw，可是一般计算时采用的是计算设计小时耗热量，因此一般计算用到下面公式。

4.2 设计小时耗热量计算

式中，—热水用水定额，60L/单位。
Kh—小时变化系数，查表得Kh=5.12。
tr-tl—温升，设计温升45℃。
m—用水设计单位，取94.5。
ρ—热水密度，60℃密度0.982kg/L。
计算得：Qh=44.06kw。
因此选用45kw的电辅加热。

4.3 太阳能热水系统集热面积的确定
根据

式中，Ac—集热器采光面积，㎡
Qw—日均产热水量5700KG
Cw—水的定压比热容 4.18KJ/(KG.℃)
T1 — 要求水温 60℃
T0 —初始水温15℃
f—太阳能保证率 0.45
J—平均日辐照量17540KJ/(m2·d)
ηcd—集热器全日集热效率 0.48
ηL—热损失率0.2
设定连云港年平均地表水温为：15℃，温升45℃；年平均日辐照量：17540KJ/(m2·d)，管道及储水箱热损失率ηL为0.2，太阳能保证率f为0.45。
经计算可得出AC＝71.685㎡
本工程采用47*1500型全玻璃真空管。单根集热面积为3.14*（0.047-0.01）*（1500-40）/2=0.0848㎡,所需真空管数目为71.685/0.0848=845，其中每组有50根全玻璃真空管，故需16.9组，鉴于工程需要，本项目预17组模块

4.4、太阳能集热器的安装方位和倾角
在确定太阳能集热器安装位置是、时，应考虑集热器安装倾角和方位对太阳能辐射能量收集的影响，可遵循以下原则：
1、太阳能系统集热器一般安装在屋顶、阳台或朝南方向外墙等建筑围护结构上。
2、热水系统安装倾角宜选在当地纬度+10°的范围内。
3、在建筑围护结构表面不够安装时，可按维护结构表面最大容许安装面积确定系统集热器总面积。
4、太阳能集热器设置在坡屋面上，集热器可设置在南向、南偏西、南偏东或朝东、朝西建筑屋面上，坡屋面上的集热器宜采用 顺坡嵌入设置或顺坡架空设置。
5、嵌入建筑屋面、阳台、墙面或建筑其它部位的太阳能集热器，应满足建筑围护结构的承载保温、隔热、隔声、防水、防护等功能。

4.4.1集热器前后排之间的日照距离D的计算
因为本系统的集热器采取的是平铺型，因此集热器间的距离只需留出50cm的维修通道即可。

4.5、管材和附件
4.5.1、管材：
1、太阳能热水系统采用的管材和管件应符合现行产品标准的要求。管道的工作压力和工作温度不得大于产品标准标定的允许工作压力和工作温度。
2、热水管道应选用耐腐蚀、安装连接方便可靠、符合饮用水卫生标准的管材。一般采用薄壁铜管、薄壁不锈钢管、塑料热水管、塑料和金属复合热水管等。
3、太阳能热水供应系统的管道，应采取补偿管道温度伸缩的措施。
4、当系统中采用了不同的材质的管材时，应注意防止不同电动势材料连接可能引起的电化学腐蚀。
5、在以乙二醇为防冻液主要成分的防冻液系统中，由于乙二醇会与锌发生不良反应，不应采用镀锌钢管。
4.5.2、附件:
太阳能热水系统的管道和设备上应设置下列附件：
1、排气装置 2、泄水装置 3、自动温度调节装置
4、温度计 5、压力表 6、安全阀 7、膨胀罐 8、膨胀管
9、疏水器 10、阀门 11、分水器、集水器、分汽缸 12、止回阀

4.5.3、水泵选型
集热循环泵的扬程计算公式为：
Hb =1.1(H1+ H2+ H3+ H4）
H1 =R（L+L’）
式中：
H1——管路水头损失，m；
H2——末端设备阻力损失，单个设备按0.01m；
H3——集热循环流经集热器的阻力损失，单个按0.1m；
H4——附加压力，2～5m；
R—单位长度水头损失，可按0.1~~0.15kPa/m估算 ；
L—贮水箱至末端最不利供水管长度；
L‘—末端最不利配水点至贮水箱的回水管长度；
当管道的管（配）件长度资料不足时，可按管网沿程损失的百分数估算局部水头损失，生活给水系统中采用25%—30%。根据太阳热水系统的性质，按经验取沿程水头损失的30%。
集热循环为等程布置，供水管路长度为97米，回水管路长度为36米；则H1为13.3m；H2为0.01*640=6.4m; H3为100*0.1=10m；
因此水泵扬程为1.1*（13.3+6.4+10+3）=36.3m，
故取扬程为40米的循环恒压水泵。
4.5.4管路直径、流速、及水力损失
根据水管的设计流量，取管路直径=0.02m，流速取v=1m/s,则管路单位长度损失
Re=25062<100000;
采用勃拉休斯（Blasius）公式
0.025;
单位长度的沿程阻力损失：
=628.67Pa/m;

4.6、保温层厚度计算
管道采用国标热镀锌管，及各类闸阀、截止阀、电磁阀等均采用国标铜，重质管件。
保温层厚度的计算公式 ：

式中，—保温层厚度mm；
—管道的外径mm；
—保温层的导热系数㎏/（h·m·℃）；取0.035W/（m·℃）即0.126㎏/（h·m·℃）；
t—未保温的管道的外表面的温度℃；
q—保温后的允许热损失㎏/（m·h）。
保温材料应根据“因地制宜、就地取材”的原则，选取来源广泛、价廉、保温性能好、易于施工、耐用的材料，具体有以下要求：
（1）、热导率低、价格低。一般来说，二者乘积最小的材料较经济。
（2）、容重小、多孔性材料。这类材料不但热导率小，而且保温后的管道轻。
（3）、保温后不易变形且具有一定的抗压程度。
（4）、保温材料不宜与有机物和易燃物，以至于引发火灾。
（5）、宜采用吸湿性小、存水性弱、对管壁无腐蚀作用的材料。
（6）、保温材料宜采用非燃或难燃材料，必须符合《建筑设计防火规范》等规定。
结合建设部 颁布的《全国民用建筑工程设计技术措施·给水排水》中的规定，根据公式计算的保温层厚度分别是：
公称管径25mm，橡塑保温层厚度为：24mm
公称管径32mm，橡塑保温层厚度为：24mm
公称管径40mm，橡塑保温层厚度为：25mm
公称管径50mm，橡塑保温层厚度为：25mm
公称管径100mm，橡塑保温层厚度为：27mm
保温层外包0.25mm厚铝板，对管道及保温层做进一步保护。

4.7集热器的连接
本项目采用混连方式，首先将平板集热器进行串联，再进行并联，共分为2组，每组8块平板。
同程管路使得每个集热器的进、出口到系统进、出口的集管长度之和相同，这有利于系统流量分配均匀，保证系统高效运行。

4.8、水箱的设计
1、水箱的设计
本项目设计对象为居民住宅，实际用户27户，每户平均3.5个人，日均用水量为5670L,需求水温60℃，鉴于极端天气情况，热水供应设计为日均5700L，故预采用集中集热分户计量系统。
因此水箱可采用容积6000L优质圆形预制不锈钢保温水箱。

4.9、辅助热源设计
辅助热源设计
为保证太阳能热水系统可靠供应热水，系统采用电能作为补给能源。恶劣天气状况下，不考虑太阳能提供的能源份额，电能应在设计时间内向系统提供热水所需的全部热量。
辅助热源的设计小时供热量应根据日热水用量小时变化曲线、加热方式及加热设备的工作方式经积分曲线计算确定，或根据国家标准GB 50015《建筑给排水设计规范》推荐公式根据系统设计小时耗热量等参数进行计算。无条件时，可按下是进行估算：

式中，P——辅助热源加热功率，W：
——辅助热源加热设备热效率
——管道及贮水箱热损率，一般取0.05~0.1
T——设计辅助热源的每日加热时间，h。(取2h)
本系统的电辅加热可根据设计小时耗热量等参数计算得出，因此不需要此式计算。
五、系统运行控制及运行原理
5.1运行控制
温差循环：
a.当热水箱底部温度低于60度（能够根据需要调整设置温度）时，系统将运行于恒温循环模式。采用温差循环方式运行，即当集热器出水口温度高于热水箱底部温度8度时，热循环泵工作；将热水箱下部水抽出送入集水器，将集热器内热水顶出，当集热器和热水箱底部温度差降至2度时热循环泵停止，如此往复，实现恒温循环；当热水箱底部温度高于60度（能够根据需要调整设置温度）退出恒温循环模式。
b.当热水箱水满后，系统将运行于温差循环模式。即当集热器出水口温度比热水箱底部温高7度（能够根据需要调整设置温度）时，热循环泵工作；当集热器出水口温度比热水箱底部温度高2度时，循热环泵停止，实现温差循环功能。
c.当管道温度低于2度（能够根据需要调整设置温度）时，热循环泵工作，当管道温度高于5度时，热循环泵停止，实现防冻循环功能。
5.2、运行原理说明
5.2.1、自动定时补水
进水电磁阀在设定时间补水，到设定水位关闭；
5.2.2、定温循环
当集热器温度达到设定温度时，集热循环泵打开，当集热器与水箱温度一致时集热循环泵停止；
5.2.3、恒温供水：当热水管道内水温低于设定温度时，管道增压循环水泵启动循环，当管道内水温达到设定水温时，管道增压循环水泵停止循环；
5.2.4、防冻循环：当集热管路温度T≤5℃时，集热循环泵启动循环，当集热器管道温度≥10℃时，集热循环泵停止循环（冬季使用）；
5.2.5、漏电保护：在电源接线中设置了漏电断路器，当相线对地出现漏电电流时，电源自动切断。
5.3、工程保温水箱：
根据使用需求、现场情况及系统设计需要，确定保温水箱形式，保温水箱分圆形预制和组合式不锈钢（球形板）水箱两种，均做相应保温、防腐处理；本项目采用圆形预制不锈钢水箱。
※产品特点：
5.3.1、选材优质精良： 内胆采用S30408不锈钢（SUS304/2B）板材，厚度1.5、1.2㎜，外壳为0.8mm厚不锈钢板；食品级不锈钢SUS304极大延长水箱的使用寿命，并能较好的防止水质的二次污染。
5.3.2、保温性能好：保温层为70mm厚聚氨酯保温块，保温性能良好，场组装焊接，无需吊装设备。
5.3．3箱体轻盈美观：高质量的冲压工艺，既保证了箱体最大限度的承压需要，又降低了材料厚度，满足了箱体的美观实用的要求。
5.4、太阳能热水工程智能控制系统：
5.4.1太阳能热水工程智能控制系统，对热水系统进行自动化控制，根据用户要求实现各种功能。该控制系统具有以下功能：
※太阳能集热器及热水箱水温显示；
※储热水箱水位显示； ※辅助加热自动恒温控制；
※电加热防干烧功能； ※自动补水；
※水满自动停止进水功能； ※温差循环；
※智能管道冷水循环； ※漏电保护；
※真空管防炸管保护； ※循环泵防空转保护；
※手自动切换功能； ※系统智能防冻循环；
※智能自动电辅助加热； ※智能节能；
※手动状态智能巡检功能；
5.4．2控制系统功能原理
5.4．2.1功能简介
系统具有恒温自动进水、温差循环、集热器防空晒保护、恒温用水循环、防冻循环、防溢流、缺水自动补水、自动辅助加热控制、防雷击、防漏电等功能。
5.4．2.2主要功能原理
※恒温自动进水（定温进水）：
当集热器出水口温度高于65度时，电磁阀(或水泵)打开，自动进水，将热水顶入热水箱；当集热器出水口温度下降至60度时，电磁阀(或水泵)停止工作，实现恒温自动进水功能。
※集热器防空晒保护：
当集热器出水口温度高于95度时，所有循环停止运行，当集热器出水口温度低于90度时，所有循环恢复运行，实现集热器防空晒保护功能。
※智能自动辅助加热:
阴雨天气或寒冷冬季，当热水箱水量不足以保证供应时，自动启动（或提示）辅助能源设备进行加热。

固 件 清 单

工程类型：集中集热分户计量（太阳能+电加热） 单位：元
序号
项 目
规格型号
单位
数量
单 价
合 价
备 注
1
集热器
MGQBMK47/1500
组
8

2
电加热组
10kw
组
3

3
控制柜
全智能控制柜
台
1

4
计量仪表
智能卡式
台
18

5
增压泵
PHJ-550A
台
2

6
温差循环泵
PH-245E
台
1

7
水处理器

套
1

8
电 磁 阀
ZS-25（220V/50HZ单相）
只
3

9
泄压阀

只
2

10
储热水箱
3000L
只
1

11
用户电磁阀
ZS-15（220V/50HZ单相）
只
18

12
用户控制仪
M只能控制仪
只
18

13
吊装费
吊装费
项
1

14
安装材料
管道、保温、闸阀、过滤阀、外保护及其它辅助材料
户
1

含室内、立管材料，不含用户用水材料
15
运 费

项
1

16
安装费用
含楼面太阳能系统、室内及管道井管路安装
户
1

17
小计

18
税费

19
总计(RMB)

普票

备注： 一、甲方需将主电源线接至控制柜下方、自来水管道送至楼面；
二、基础甲方协调制作；
三、本报价不含用户用水部分报价；
四、如需开具其它发票、税费另计。

评语：

成 绩：
指导老师