论文部分内容阅读
【摘 要】太阳能水暖气系统能节约能源、保护环境,正在逐渐地被社会接受。一些传统的供暖方式仍然妨碍太阳能水暖气系统的推广使用。集中式太阳能热水系统能克服这些困难。
【关键词】自来水;太阳能;暖气
Design of Multi-storey residential building concentrate solar water heating system
Liu Bu-yue, Wang Juan
(Anyang City Construction Design and Research Institute Anyang Henan 455000)
【Abstract】Solar water heating system can save energy while protecting the environment is gradually being wide spread to accept by the society. There are still some stability and instant heating performance difficulties in residential area which use of centralized solar water heating system. With a combination of assitant electricity heating system can overcome these difficulties.
【Keywords】Continuously water supply;Solar energy;Assitant heating
1. 引言
目前太阳能热水器的应用,主要还是以分户独立系统为主,随着太阳能应用水平和技术的不断提高,集中式太阳能热水系统越来越受到人们的重视,集中式系统与分户式系统相比,具有节省投资、集成化程度高、便于与建筑结合、用户间用水可相互平衡、容易实现连续供水等优势,同时具有统一设计、统一施工、统一管理的工程化特点,应该是今后太阳能热水系统发展的主要方向。
2. 工程概况及设计原则
安阳市某9层住宅楼,建筑面积12000m2,共4个单元,每单元一梯两户,全楼72户,屋顶为平屋面。开发商要求该住宅楼24h连续供应热水,经分析比较最终决定采用集中太阳能热水系统,配以辅助电加热系统。
在进行系统设计和产品选择时应主要考虑以下设计原则:(1)保证用户热水供应的连续性和稳定性;(2)一天中尽可能早地产生一定量的热水;(3)日照不充足时有可靠的辅助加热措施,保证用户随时用水;(4)最大限度地利用太阳能,尽可能少地利用辅助能源加热;(5)在满足系统供热能力的同时,尽可能优化系统配置,减少初投资;(6)解决好与建筑一体化及系统冬季防冻、漏电、防雷等安全问题;(7)控制系统设计合理,既满足自动化、智能化、远距离控制要求,又具有长期无故障运行的可靠性和稳定性。
3. 系统组成及工作原理
整个系统由集热器、储热器、辅助加热器、控制系统及管路循环系统组成,系统流程见图1。该系统以热管玻璃真空管作为集热器,热管玻璃真空管集热器具有水容量小、产热快、承压能力高、便于大面积连接、防冻性能好、单管故障不影响系统运行等特点。集热器分组串联摆放在屋顶,面向正南与屋顶平面呈45°夹角,各组并联同程连接;系统集热水箱设于机房层水箱间,略高于集热器;电辅助加热器设于地下室设备机房内,集热水箱与辅助加热器分开设置,可有效提高太阳能利用率,减少电力消耗。
系统工作及控制原理为:
(1)定温上水。当集热器出口水位T1达到设定值50℃时,定温上水电磁阀F1打开,系统自动将热水顶入集热水箱,当T1降至45℃时,F1关闭,系统再次进入集热状态,定温上水功能可使系统一天中尽可能早地使用太阳能产生热水。
(2)温差循环。当集热器不断产生热水使集热水箱达到最高水位h1后,定温上水电磁阀F1不再开启,系统自动比较集热器出口水温T1与集热水箱出口水温T2,当T1高于T2达到设定温差5℃时,集热循环泵自动开启进行温差循环,当T1与T2温差小于1℃时,循环泵停止运行。
(3)快速补水。如果用水量较大集热器产水量不能满足要求,集热水箱水位不断下降至最低警戒水位h3时,快速补水阀F2打开,系统快速补水,避免系统断水,F2流量按设计秒流量进行校核,当水箱水位上升至最小水位h2时,补水阀F2关闭,系统再次进入定温上水过程,h2与h3差值为系统设计秒流量5~10min用水量。
(4)自动辅助加热。当水由集热水箱进入半容积式电加热器时水温较高,T4高于用户用水设定值(50℃)时,热水由集热水箱流经电加热器供给各用户,电加热器不工作;当集热水箱水温较低使得T4低于45℃时,电加热器自动启动进行加热,T4升至50℃时,停止加热,保证用户供水温度相对稳定。
(5)保温循环。用户供热管路设供热循环泵,当热水回水管路水温T5低于40℃时,供热循环泵自动启动,进行保温循环,当T4升至45℃时,停止循环,保证用户热水随开随用。
(6)防冻循环。系统采用热管玻璃真空管集热器本身具有较强的防冻能力,但为保证系统万无一失,当室外管路水温T3低于4℃时,集热循环泵自动启动进行防冻循环,T3升至6℃时,停止循环,保证室外管路冬季不发生冰冻危险。
(7)自动控制。系统设集中控制器,对以上所述各种工作过程进行检测和控制,各温度设定值可根据不同设用要求和季节变换进行现场调整,系统运行参数均可显示,出现故障自动发出报警信号,并可与小区物业管理系统联网,实现远距离控制。
4. 系统设计水量
4.1 用户热水用量计算。
本工程最高日热水用水定额按70L/(人•d)(60℃),安阳市地下水温度为10~15℃,根据《建筑给水排水设计规范》(GB 50015-2003)中式5.3.1~5.3.3,经计算热水最高日用水量(60℃)为0.07×252=17.65(m3/d),设计小时耗热量Qh=163kw,设计小时热水量qrh=2.83 m3/h,根据用户卫生洁具用水当量按概率法计算系统设计秒流量qg=2.63L/s。按系统设计水温50℃换算,最高日用水量为22.05 m3/d,设计小时热水量qrh=3.56 m3/h,设计秒流量qg=3.27L/s。
4.2 太阳集热器设计计算。
安阳市所处地理位置为东经114.3°,北纬36.1°,属于我国三等太阳能辐射照度地区,年辐射总量为5000~5400MJ/(m2•a),设计取值5200MJ/(m2•a),年照时数在2400h。全年晴天光照时间按8h计算,全年晴天时间为2400÷8=300(d),每个季节平均日照天数为300÷4=75(d/季)。春夏秋冬四季太阳辐射量为5200÷(1+0.7×2+0.4)=1857(MJ/(m2/d))。同理春秋季每季及日平均太阳辐射量为1300MJ/(m2•季),17.3 MJ/(m2•d);冬季为743 MJ/(m2•季),9.9 MJ/(m2•d)。
集热器全日集热效率取50%,太阳辐射量按春秋季取值即17.3 MJ/(m2•d),热水温度取值为50℃,水箱、管道热损失取值为20%,参照《太阳热水系统设计、安装及工程验收技术规范》(GB/T 18713-2002)附录A计算方法,经计算系统集热器集热面积Ac为266.3m2。根据厂家提供的产品技术资料,每组集热单元24支47×1500集热管,总集热面积为3 m2/组,则共需要集热器88.8组,最终选用90组。
4.3 集热水箱及加热器设计选型。
集热水箱容量按最高日用水量选用,与集热器春秋季平均日产水量相匹配,设计选用22m3不锈钢水箱一个,水箱设于屋顶机房层水箱间内,外做8 cm聚氨酯保温层。系统加热器选用半容积式电辅助加热器,加热器功率按热水设计小时耗热量配置,为163kw;储水容积为系统20min最大小时用水量,即3.56÷60×20=1.19(m3)。
5. 系统造价及效益分析
本工程各组成部分造价见表1
系统总造价为318800元,平均每户造价为4428元,按单位建筑面积计算造价为26.6元/(m2•d)。根据前文所述,太阳能年辐射总量5200MJ/(m2•a),集热器集热效率50%,与电热水器相比,该系统每m2集热面积每年可节约用电5200×50%÷3.6=722(kw•h),按电费0.5元(kw•h)计算,则系统每年可节省电费722×266.3×0.5=96134(元),理论上最短3~4年即可收回成本,经济效益可观,因此该系统具有较高的投资回报率。
6. 结语
连续供水集中太阳能热水系统具有供水品质好、节能、环保、便于管理、使用费用低等特点,值得今后推广应用。太阳能综合利用在我国还处于起步阶段,太阳热水器技术的发展也十分迅速,随着新的产品技术的不断发展,如新型太阳集热器,新型末端瞬时加热器及太阳热泵等技术的开发应用,必将推动系统设计应用水平不断提高。
[文章编号]1006-7619(2009)07-24-685
[作者简介]刘步月,男,从事给排水设计。
【关键词】自来水;太阳能;暖气
Design of Multi-storey residential building concentrate solar water heating system
Liu Bu-yue, Wang Juan
(Anyang City Construction Design and Research Institute Anyang Henan 455000)
【Abstract】Solar water heating system can save energy while protecting the environment is gradually being wide spread to accept by the society. There are still some stability and instant heating performance difficulties in residential area which use of centralized solar water heating system. With a combination of assitant electricity heating system can overcome these difficulties.
【Keywords】Continuously water supply;Solar energy;Assitant heating
1. 引言
目前太阳能热水器的应用,主要还是以分户独立系统为主,随着太阳能应用水平和技术的不断提高,集中式太阳能热水系统越来越受到人们的重视,集中式系统与分户式系统相比,具有节省投资、集成化程度高、便于与建筑结合、用户间用水可相互平衡、容易实现连续供水等优势,同时具有统一设计、统一施工、统一管理的工程化特点,应该是今后太阳能热水系统发展的主要方向。
2. 工程概况及设计原则
安阳市某9层住宅楼,建筑面积12000m2,共4个单元,每单元一梯两户,全楼72户,屋顶为平屋面。开发商要求该住宅楼24h连续供应热水,经分析比较最终决定采用集中太阳能热水系统,配以辅助电加热系统。
在进行系统设计和产品选择时应主要考虑以下设计原则:(1)保证用户热水供应的连续性和稳定性;(2)一天中尽可能早地产生一定量的热水;(3)日照不充足时有可靠的辅助加热措施,保证用户随时用水;(4)最大限度地利用太阳能,尽可能少地利用辅助能源加热;(5)在满足系统供热能力的同时,尽可能优化系统配置,减少初投资;(6)解决好与建筑一体化及系统冬季防冻、漏电、防雷等安全问题;(7)控制系统设计合理,既满足自动化、智能化、远距离控制要求,又具有长期无故障运行的可靠性和稳定性。
3. 系统组成及工作原理
整个系统由集热器、储热器、辅助加热器、控制系统及管路循环系统组成,系统流程见图1。该系统以热管玻璃真空管作为集热器,热管玻璃真空管集热器具有水容量小、产热快、承压能力高、便于大面积连接、防冻性能好、单管故障不影响系统运行等特点。集热器分组串联摆放在屋顶,面向正南与屋顶平面呈45°夹角,各组并联同程连接;系统集热水箱设于机房层水箱间,略高于集热器;电辅助加热器设于地下室设备机房内,集热水箱与辅助加热器分开设置,可有效提高太阳能利用率,减少电力消耗。
系统工作及控制原理为:
(1)定温上水。当集热器出口水位T1达到设定值50℃时,定温上水电磁阀F1打开,系统自动将热水顶入集热水箱,当T1降至45℃时,F1关闭,系统再次进入集热状态,定温上水功能可使系统一天中尽可能早地使用太阳能产生热水。
(2)温差循环。当集热器不断产生热水使集热水箱达到最高水位h1后,定温上水电磁阀F1不再开启,系统自动比较集热器出口水温T1与集热水箱出口水温T2,当T1高于T2达到设定温差5℃时,集热循环泵自动开启进行温差循环,当T1与T2温差小于1℃时,循环泵停止运行。
(3)快速补水。如果用水量较大集热器产水量不能满足要求,集热水箱水位不断下降至最低警戒水位h3时,快速补水阀F2打开,系统快速补水,避免系统断水,F2流量按设计秒流量进行校核,当水箱水位上升至最小水位h2时,补水阀F2关闭,系统再次进入定温上水过程,h2与h3差值为系统设计秒流量5~10min用水量。
(4)自动辅助加热。当水由集热水箱进入半容积式电加热器时水温较高,T4高于用户用水设定值(50℃)时,热水由集热水箱流经电加热器供给各用户,电加热器不工作;当集热水箱水温较低使得T4低于45℃时,电加热器自动启动进行加热,T4升至50℃时,停止加热,保证用户供水温度相对稳定。
(5)保温循环。用户供热管路设供热循环泵,当热水回水管路水温T5低于40℃时,供热循环泵自动启动,进行保温循环,当T4升至45℃时,停止循环,保证用户热水随开随用。
(6)防冻循环。系统采用热管玻璃真空管集热器本身具有较强的防冻能力,但为保证系统万无一失,当室外管路水温T3低于4℃时,集热循环泵自动启动进行防冻循环,T3升至6℃时,停止循环,保证室外管路冬季不发生冰冻危险。
(7)自动控制。系统设集中控制器,对以上所述各种工作过程进行检测和控制,各温度设定值可根据不同设用要求和季节变换进行现场调整,系统运行参数均可显示,出现故障自动发出报警信号,并可与小区物业管理系统联网,实现远距离控制。
4. 系统设计水量
4.1 用户热水用量计算。
本工程最高日热水用水定额按70L/(人•d)(60℃),安阳市地下水温度为10~15℃,根据《建筑给水排水设计规范》(GB 50015-2003)中式5.3.1~5.3.3,经计算热水最高日用水量(60℃)为0.07×252=17.65(m3/d),设计小时耗热量Qh=163kw,设计小时热水量qrh=2.83 m3/h,根据用户卫生洁具用水当量按概率法计算系统设计秒流量qg=2.63L/s。按系统设计水温50℃换算,最高日用水量为22.05 m3/d,设计小时热水量qrh=3.56 m3/h,设计秒流量qg=3.27L/s。
4.2 太阳集热器设计计算。
安阳市所处地理位置为东经114.3°,北纬36.1°,属于我国三等太阳能辐射照度地区,年辐射总量为5000~5400MJ/(m2•a),设计取值5200MJ/(m2•a),年照时数在2400h。全年晴天光照时间按8h计算,全年晴天时间为2400÷8=300(d),每个季节平均日照天数为300÷4=75(d/季)。春夏秋冬四季太阳辐射量为5200÷(1+0.7×2+0.4)=1857(MJ/(m2/d))。同理春秋季每季及日平均太阳辐射量为1300MJ/(m2•季),17.3 MJ/(m2•d);冬季为743 MJ/(m2•季),9.9 MJ/(m2•d)。
集热器全日集热效率取50%,太阳辐射量按春秋季取值即17.3 MJ/(m2•d),热水温度取值为50℃,水箱、管道热损失取值为20%,参照《太阳热水系统设计、安装及工程验收技术规范》(GB/T 18713-2002)附录A计算方法,经计算系统集热器集热面积Ac为266.3m2。根据厂家提供的产品技术资料,每组集热单元24支47×1500集热管,总集热面积为3 m2/组,则共需要集热器88.8组,最终选用90组。
4.3 集热水箱及加热器设计选型。
集热水箱容量按最高日用水量选用,与集热器春秋季平均日产水量相匹配,设计选用22m3不锈钢水箱一个,水箱设于屋顶机房层水箱间内,外做8 cm聚氨酯保温层。系统加热器选用半容积式电辅助加热器,加热器功率按热水设计小时耗热量配置,为163kw;储水容积为系统20min最大小时用水量,即3.56÷60×20=1.19(m3)。
5. 系统造价及效益分析
本工程各组成部分造价见表1
系统总造价为318800元,平均每户造价为4428元,按单位建筑面积计算造价为26.6元/(m2•d)。根据前文所述,太阳能年辐射总量5200MJ/(m2•a),集热器集热效率50%,与电热水器相比,该系统每m2集热面积每年可节约用电5200×50%÷3.6=722(kw•h),按电费0.5元(kw•h)计算,则系统每年可节省电费722×266.3×0.5=96134(元),理论上最短3~4年即可收回成本,经济效益可观,因此该系统具有较高的投资回报率。
6. 结语
连续供水集中太阳能热水系统具有供水品质好、节能、环保、便于管理、使用费用低等特点,值得今后推广应用。太阳能综合利用在我国还处于起步阶段,太阳热水器技术的发展也十分迅速,随着新的产品技术的不断发展,如新型太阳集热器,新型末端瞬时加热器及太阳热泵等技术的开发应用,必将推动系统设计应用水平不断提高。
[文章编号]1006-7619(2009)07-24-685
[作者简介]刘步月,男,从事给排水设计。