太阳能热水系统设计

太阳能热水系统设计（精选十篇）

太阳能热水系统设计 篇1

1项目概况

用户所在地驻马店,北纬32°、东经114°左右,属于北亚热带季风性湿润性气候。年光照小时在2200~3000小时,太阳能年辐射量在1393~1625kwh/m2,属于可利用地区。

用户住宅位于驻马店市某小区一栋30层高的20层,楼盘整体坐北朝南,阳台位于南侧,住宅面积为100m2。

一般家庭热水供应大多用在洗澡方面,假设每天每人需要30L热水,一个三口之家,每日需求的热水量为90L。

2系统设计

2.1集热系统的设计

2.1.1集热器类型的选择

由于平板型太阳能集热器结构简单,运行可靠,成本低廉,工质的温度较低,安全可靠,与真空管太阳能集热器相比,它具有承压能力强,吸热面积大等优点,因此,本系统选择采用防冻措施的平板集热器。

2.1.2集热面积的计算

本系统采用工质传热以保证系统在冬季的运行,故本系统为间接系统,根据《GB 50364-2005民用建筑太阳能热水系统应用技术规范》中相关规定,集热器面积可由以下公式(3-1)和(3-2)计算[2]:

式中:AC为直接系统集热器面积,m2;QW为日均用水量,取100 Kg;CW为水的定压比热容,为4.2KJ/(Kg.℃);tend为贮水箱内水的设计温度,取45℃;t1为水的初始温度,夏季取20℃,冬季取10℃;JT为当地集热器采光面上年平均日太阳辐照量,取4800KJ/m2;f为太阳能保证率,根据系统使用期内的太阳辐照、系统经济性及用户要求等因素,综合考虑后确定[3];ηcd为集热器的年平均集热效率,根据经验取值为0.5;ηL为贮水箱和管路的热损失率,根据经验取值为0.2;AIN为间接系统集热器总面积;FRUL为集热器总热损失系数,根据集热器参数,平板集热器取4W/(m2·℃);Uhx为换热器传热系数,介质为丙二醇,故取值850W/(m2·℃);Ahx为换热器换热面积,根据水箱数据可知为0.65m2。

其中f确定需通过效益分析来确定,根据《GB-50364-2005民用建筑太阳能热水系统应用技术规范》给出的取值参考范围,驻马店地区年太阳辐照量在5400MJ/(m2·a)左右,位于资源一般区,所以取值40%。

带入数据,经式(3-3)、(3-4)计算可得AC为2.2m2,AIN为2.3m2。

由此可知,本系统平板集热器应在2.3m2左右。公式计算的为集热器总面积,并未除去边框的面积,故选用2m2的平板集热器即可。

2.1.3热水箱容积的确定

太阳能热水系统储热水箱的容积一般根据集热器面积来计算,通常来说每平米集热器对应储水箱容积为50L左右,本套系统集热器面积为2m2左右,故储热水箱容积为100 L即可[4]。另一方面,据国家住宅中心对全国近400家用户的实态调查,家庭平均日热水用量为30L/(人.天),用户家庭为三人,最高每日热水用量为90 L,本系统选择100 L容积的储水箱完全满足用户需求。

2.2辅助热源的设计

为保证太阳热水系统可靠供应热水,系统应设置辅助能源加热装置。辅助热源主要有燃气加热和电加热两种方式,经对比可知,电加热在热效率方面明显高于其他方式,且与加热水箱结合简单,控制方式多样化,故此本系统选用电加热方式。

辅助热源应在太阳能热水系统在最恶劣工况下满足用户的热水需求,不考虑太阳能提供的份额,在设计时间内向系统提供热水所需的供热量。

2.3系统控制方式的选择

太阳能热水系统中热水循环的控制方式主要有定温控制、温差控制、光电控制和定时控制四种。其中光电控制与定时控制效果较差,系统集热效率偏低,市场应用也较少,在此不予考虑。

本套系统采用的控制器具有自动上水及温度传感功能,因此采用温差控制加分区上水的控制方式。该控制方式运行的原理是,贮水箱首先加水至最低水位,待水箱内水温达到设定供水温度后,控制器控制打开补水装置,使水箱水位上升至另一水位,依次加热、补水,如此不断循环,使水温固定在某一设定值时不断提高水箱水位,直至达到最高水位,最后停止工作。

该种控制体系可以最大限度提高太阳能热水系统的利用率,减少辅助热源的使用,并且可以保证全天热水的供应。

2.4系统整体结构

①进水水龙头;②安全阀;③热水箱进水管路;④混水阀;⑤热水箱热水出口;⑥热水箱;⑦循环出口;⑧循环入口;⑨温度、水位传感器;⑩换热管路;瑏瑡加热装置;瑏瑢太阳能控制器;瑏瑣止回阀;瑏瑤太阳能工作站;瑏瑥膨胀罐;瑏瑦平板太阳能集热器。

3效益分析

3.1年节能量预估

系统设计完成后,根据公式4-1首先可以计算出系统提供的有用能量,即:

式中,△Qsave为太阳能热水系统提供的有用能量,AIN为集热器面积,JT为太阳能集热器采光表面年总太阳能辐照量,ηC为管路和水箱的热损失率,ηcd为太阳能集热器的年平均集热效率。

集热器面积为2m2,辐照总量为5400MJ/m2,ηcd取值0.5,ηC根据经验按0.2取值。带入数据可以得到,该系统每年可以提供4320MJ的能量。

本套系统采用电辅助加热,如果要提供4320MJ的热能,根据经验公式4-2:

式中,△Qs为系统年节能量,ηs为辅助热源系统的效率,电加热热效率为0.95。带入数据得到节约能源4547MJ。

3.2经济效益分析

系统切实运行后,可根据公式4-3计算出本套系统本套系统每年节能费用,即

式中,CC为系统设计当年的常规能源热价,查阅得知为0.065元/MJ,计算得知,系统每年节约电费295元。系统寿命一般在10~15年,系统10年即可回本,完全经济可行。

4结束语

随着社会的发展,人们对生活水品的要求会越来越高,太阳能热水系统对于人们生活的舒适度会有一个大幅度的提升,无论从哪方面来说,它都有其独特的优点,不仅经济环保,而且迎合国家建设节约型社会的倡导。所以太阳能热水这一行业具有良好发展前景和市场潜力,这一项技术也会越来越成熟,更好的融入到人们的生活当中。

参考文献

[1]郝华丽.浅析太阳能光热制冷技术及其应[J].信息化建设,2016,10(211):44.

[2]邵理堂,刘学东,等.太阳能热利用技术[M].镇江:江苏大学出版社,2014∶209-211.

[3]杨德福.沈阳地区太阳能热水系统设计及经济性分析[J].科技创新导报,2012(9):25.

太阳能热水系统设计 篇2

摘 要：文章首先对太阳能集中热水系统做简要的介绍，通过结合实际情况探讨小高层建筑物安装太阳能集中热水系统的特点，以及安装时需要引起注意的要点，最终尝试分析出太阳能集中热水系统的科学、经济实用性。

关键词：太阳能集中热水系统；特点；经济实用性

结合我国关于太阳能热水器的发展情况，前几年一直被关于中小型建筑物究竟能不能安装太阳能热水器的问题所困扰，主要原因是太阳能经销商将单台热水器定义为太阳能热水器的仅有的表现形式，此外受到安装环境和屋顶的安装面积所影响，在加上低楼层用户安装所使用的管道较长，考虑到水压等问题的影响，从而认为中低层建筑不适合安装太阳能热水器。文中结合北京某小区建筑物为例，对于小高层建筑物的太阳能集中热水系统的设计和安装中遇到的：太阳能系统防冻、预热；供水分区供冷、热水系统压力不均；供水网怎样合理利用水资源等问题进行深入的分析和探讨。希望可以为太阳能集中热水系统的设计、安装工作人员提供一些具有可行性的建议。

1 简述太阳能热水系统

由太阳能集热器、太阳能管网、辅助热源、供热管网、蓄热水箱和用户终端等多个部分组成的太阳能集中供热水系统，其主要的工作原理是太阳能集热器将太阳的热能通过供热管网传送到蓄热水箱里，在将这些热水通过热水管网输送到各个用户的家里以供日常使用。剩余多的热能量将存放在蓄热水箱内，以备不时之需。该供水形式的特点主要是集中化供热，能将太阳热能最大化合理利用，为整个建筑物的热水系统提供热量。此外，大部分西方科学家经过多方分析研究在结合国家的发展情况，总结出太阳能热水系统是一种稳定性较高、经济、安全的新型供热模式。

2 工程概况模拟

结合北京某小区的修建情况，着重要求建筑物必须设计太阳能热水系统，小区主要是由2栋小高层的（1#楼11层，2#楼10层）跃层式民用住宅楼以及5栋6层（3#、4#、5#、6#、7#）住宅楼构成。每栋楼都需要设置集中式太阳能热水系统。现以2#楼举例，对集中集热、分户供热系统的设计进行简要的分析。

太阳能储热水箱和太阳能集热器通过温差高低控制以及强制循环系统对冷水进行加热。预加热得到的制备热水通过热水变频增压供应热水设备，通过居民热水供应管道输送到各个居民户的冷热水燃气壁挂炉，由于壁挂炉内装置了调节温度差异的感温控制阀，当输送的水温达到了45℃及以上，热水就会通过壁挂炉的分流水阀向需要用水的用户提供热水，反之当水温低于45℃时，不够温度的热水就会通过通过壁挂炉内的辅助加热器对水温进行再次加热，直到温度足够45℃才会向用户供应热水，其中壁挂炉内加热器辅助加热的最佳温度要小于60℃。避免温度过高，此外，用户也可以自行判断设置分流阀上输送的水温判定值。

3 系统模拟设计

3.1 设计依据

小区2栋楼上下是一共10层，并无地下室设计。10层楼分为5个单元，一共可以住120户居民。预设每日消耗热能36.5KW；每日使用热水定额预计是14400L（生活热水预计每人使用40L，小区居民120户，按照每户正常的3口之家进行计算），太阳能系统内的集热器使用的是真空管道，集热面积预计总体为232m2。

3.2 系统控制设计

3.2.1 太阳能集中热水系统循环控制

（1）系统采用强制循环水泵，在输送水管道以及热水储存箱上的温差感应器上设定循环水泵，包括对温差高度、加热循环水系统的控制。当集热器的水温度高于储水箱预定温度时，温差控制器会自动启动循环水泵进行换热操作。当水箱水温和集热器中水温之间相差小于或等于3℃，循环水泵会自动关闭。这样周而复始的循环，促使储水箱的温度一直保持稳步升高的状态，已备居民使用。

（2）太阳能系统防冻、预热循环控制。一般情况下建议用户用热水终端自行辅助加热放出热水，考虑到后续管理问题较为复杂，建议不在水箱上安装辅助加热器。电加热功率 kWh=0.00116×水量 L×△T。

（3）供水管道。每天在使用热水前应进行定时设置，保证循环供水泵的管中水温可以和保温水箱来回循环。

3.2.2 控制变频加压水泵

楼层顶部的太阳能热水箱设定了变频加压供水设备专门针对生活热水进行加热，其加热控制要求：由压力传感器和压力开关控制对变频泵组的运行进行控制，其中将压力传感器设定在水泵输送水管道上，此外，压力传感器稳定值是0.15MPa，由生产厂家提供变频加压控制柜。

3.3 使用材料及储水箱保温设计

采用冉钋度胧降某乃芨止艿郎柚萌人输送管以及回水立管，卡环式的设计保障了安装便捷。输送热水管道采用的是PE-RT增强性的S3.2聚乙烯管道，居民每户内均设置了热水供应管、储热水箱进行保温。

4 设计系统应注意的问题和解决方法

4.1平衡冷热水压的控制

首要先进行水利值计算，尝试给供水给水的末端压力匹配热水变频加压设备参数，最大限度稳定压力源头两端平衡。最后在结合实际情况，系统分析生活用水的.高区和低区，1-2层是由市政进行供水（0.16MPa），3-10层是由小区的变频调速加压设备进行供水，供水的选用方式是下行上给。将变频供水控制设备以及储热箱安装在楼层顶部，这样不但客户保障用水尾端的冷热水之间压力达到一个恒定值，还可以把入户的水压控制在一个安全、合理的范围之类，最终达到节约用水用电的目的。

4.2 系统管网内储存水量及合理化利用

首先可以把输送管网内的水温和储热箱水温通过强制循环的方式把水温差缩减到最小值。其次在水温差别较大时，可以尝试通过用户终端的燃气壁挂炉内的辅热设备对输送管网内的水温进行再次加热，这样既可以节约用水，同时也可以大大的缩减了能源的浪费。

5 结语

太阳能集中热水系统采用的形式多种多样，其适用范围较广且各有占优势。设计小高层建筑物的太阳能集中热水系统时，应充分结合用户的需求、当地的用水情况，多方面综合性考虑其多种因素。此外还要考虑到太阳能系统的节能性以及经济实用性，选择最合适的集热系统，经过多方核算以及考虑其安全因素等，设计调整出真正高效节能的太阳能集中热水系统，更好的服务社会做出应有的贡献。

参考文献

[1] 高强.西安住宅建筑太阳能集中热水系统应用研究[D].西安建筑科技大学，.

[2] 小高层建筑太阳能集中热水系统设计探讨[J].中国建设动态.阳光能源，（6）：46-48.

[3] 马强.太阳能集中热水系统设计探讨[A].中国勘察设计协会建筑环境与设备分会・铁道系统委员会、中国铁道学会工程分会暖通空调专业委员会.铁路暖通年会论文集[C].中国勘察设计协会建筑环境与设备分会・铁道系统委员会、中国铁道学会工程分会暖通空调专业委员会，2014：11.

太阳能热水系统设计 篇3

关键词：太阳能；热泵系统；节能分析；热水箱设计

中图分类号： TU832 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2016）07（b）-0000-00

在经济社会发展的同时，节能成为世界工业发展的首要任务。太阳能热泵热水系统结合了太阳能利用技术和热泵技术两者的优点，是一种新型节能环保的热水系统。在“十二五”规划上，节能减排成为我国的新兴产业，同时还提出很多节能措施，这些措施能够减少能源消耗，在一定程度上缓解自然污染、环境破坏的速度。尤其是太阳能和热泵系统，它们的应用使生活热水节能量达到45%以上，本文将根据相关资源分布情况，来详细分析太阳能与热泵系统的节能。

一、太阳能与热泵系统节能分析

太阳能与热泵系统，是热水箱的重要组成部分，对太阳能与热泵系统进行能量控制，将有利于完善和改进热水系统，使热水箱能够最大限度发挥供热功能。太阳能与热泵系统节能作为“节能减排”的主要目标，我国早在2001年就提出太阳能、热泵系统在建筑一体化中的节能措施。我国对太阳能资源分布和太阳能评估做了详细的调查和分析，并得出相关结果和结论[1]。

（一）太阳能资源分布情况分析

1、太阳能资源丰富区。资源丰富区是指太阳辐照量在6700MJ/m2.a以上的地区，是太阳能资源等级最高的地区。例如新疆南部、西藏北部、甘肃、青海等海拔高的地区。海拔高缩短了太阳与地面的照射距离，使这些地区能够接受更多的日照，提高了太阳辐照量。

2、太阳能资源较富区。是指太阳辐照量在5400-6700MJ/m2.a之间的地区，这些地区大多是靠北的山丘地区，最具有代表性的地区有内蒙古呼伦贝尔、北京、天津、山西等有一定海拔的地区。这些地区是太阳能应用得最多的地区，因为这些地区除了自然环境优势外，还有经济发达的优势。

3、太阳能资源一般区。是指太阳辐照量在4200-5400MJ/m2.a之间的地区，这些地区海拔一般较低，并且处于平原地区，例如黑龙江、山东、安徽、湖南、福建等。这些地区太阳照射的距离较长，太阳辐照量相对较低。

4、太阳能资源贫乏区。是指太阳辐照量低于4200MJ/m2.a以下的地区，这些地区大多分布在盆地或盆地附近的地区，因为大多盆地的海拔都低于地平面，增加了这些地区与太阳的距离，使太阳辐照量降低。例如四川、贵州西部、云南南部、广西等地。

（二）一般热泵系统制热系数分析

热泵系统制热系数是指热泵COP值与环境温度值的正比例关系。例如，某热泵厂家提供的压输机制热系数中，热泵COP值与环境温度值的关系分析中发现，当环境温度低于10℃时，COP值才刚好达到2.0；环境温度达到20℃时，COP值达到3.0；环境温度达到30℃时，COP值达到4.0；环境温度超过30℃时，COP值超过4.0。从这些数据不难看出，环境温度值与COP值是呈正比例关系，并且是以1：10%的比例增加[2]。

COP值是衡量热泵系统供热的指标，也是衡量热泵系统的节能指标，该指标随着环境温度的提高而提高的特点，与太阳能随着太阳辐照量增加而增加的特点具有一致性。两者都需要太阳提供一个温度较高的环境，才能更好的进行供热工作，因此有效的节能方法，是以太阳能为供热主体，以热泵系统供热为辅助。

（三）太阳能与热泵系统节能评估

太阳能与热泵系统节能评估，要求明确掌握太阳辐照量、集热器面积、集热器效率、环境温度、COP值等指标[3]。该评价是太阳能与热泵系统节能的目标和标准，下面将简单分析太阳能与热泵系统节能的评估，并做出相关的数据分析。

这里以云南东部某地区为例，该地区集热器的热效率平均为60%，按照春夏秋冬季节的相关温度数据，推算出集热器面积，集热器热效率与面积，决定太阳能可承受的热能消耗为热水箱供热量的60%，热泵系统为40%。该地区年平均气温为20℃，可以判断当地实际太阳照射时间和面积，并得出太阳能与热泵供热系统全年大约节能86.8%，实际节能72.5%。

二、热水箱设计

（一）热水箱设计存在的问题

传统热水箱的设计，要求太阳能与热泵系统同时使用一个热水箱，这在很大程度上影响了太阳能与热泵系统的供热效率。因为在供热过程中，太阳能供热不足时，才会使用热泵系统供热，使供热过程复杂，延缓了供热速度。为了提高供热速度，很多用户不得不花精力去增加太阳能与热泵系统的供应量，导致热水箱设计时出现很多问题，集中体现在工程造价和热量控制两方面。

一方面，为了提高太阳能与热泵系统供热量，设计师会花资金去设计一个更大的热水器供用户使用，供热量提高了，但造价一般用户难以接受，这样会导致用户量下降。另一方面，热量的控制主要受季节影响。夏季太阳能提供的热量就能满足用户的需求，无需热泵系统提供热量，属于节能效果最佳的季节；秋季，大部分的热量是太阳能提供的，少数热量是由热泵系统提供。

（二）热水箱设计的措施

第一，增设热水箱，热水箱可以分成两个，分别供太阳能和热泵系统使用，其水箱的容量可达10t，这样做的目的是为了减少扩大水箱体积带来的额外花费，在一定程度上控制了热水箱的工程造价，以便用户能够接受。同时，也降低了太阳能与热泵系统的供热成本，提高了供热效率，满足用户的热量使用需求。第二，用真空管将两个水箱连接起来，两水箱的连接是为了解决因季节变化而不能及时供热的问题，两个水箱分别吸收太阳、热泵系统提供的热能，一般先使用太阳能提供的热量，储存热泵系统提供的热量，解决冬季热量供应不及时的问题。

该设计与传统水箱的设计相比，具有很多的优势，在这里笔者简单总结如下：第一，能够使太阳能得到充分利用，最大限度节约了热能；第二，该系统集太阳能热水箱、热泵系统热水箱于一体，两者是相互联系的，可以进行统一控制，不需要另行设计；第三，为热泵系统提供了足够的加热时间和空间。

结语

开发新能源和节能是寻求能源出路的两大重要途径 ，太阳能热泵供热系统以其显著的节能性和环保性具有广阔的发展前景。热泵技术是一种很好的节能型空调制冷供热技术，太阳能与热泵系统是热水箱最重要的供热源，它的节能直接影响“节能减排”目标的实现。因此，要加强太阳能与热泵系统的节能力度。本文通过分析太阳辐照量、集热器热效率、集热器面积、环境温度和COP值等指标，可以计算出相对条件下太阳能与热泵系统的节能量，为热水箱的改进设计提供依据。

参考文献

[1]郑荣进，庄麟，池清，等.温室太阳能与地源热泵联合供暖系统热力学分析[J].农业机械学报，2013，04：233-238+232.

[2]肖菊，丁文萍，杨敏芝.工程型太阳能热泵热水系统节能效益分析[J].河南科学，2013，06：829-832.

[3]熊慧灵，刘何清，李永存.太阳能-溶液-热泵干燥系统节能分析[J].建筑节能，2015，05：56-60.

作者简介

深圳学生宿舍太阳能热水系统设计 篇4

1 学生宿舍的太阳能热水系统设计

学生宿舍热水使用具有用水集中、用水次数多等特点,一般分为早晨、中午、晚上三个时段,特别是晚上淋浴喷头开启可达到100%,并且时长可达2～3小时。采用双水箱太阳能热水系统可以最大限度地利用太阳能资源。

1.1 热水系统控制原理

1.1.1 系统的节能特点

如图1所示,贮热水箱由太阳能集热器直接加热,供热水箱由贮热水箱供水(采用供热水箱补水泵)。阴雨天由空气源热泵辅助加热供热水箱;晴天当贮热水箱上部水温高于其下部水温时,控制供太阳能循环水泵,利用太阳能集热器加热贮热水箱,最大限度利用太阳能。供热水箱和贮热水箱容积之和满足最大小时用水量的4.5倍[1]。

1.1.2 系统的控制原理

(1)太阳能循环泵控制

启泵条件:当T2-T1>7℃时,太阳能循环泵启动;停泵条件:当T2-T1<2℃时或当T3>60℃时或当T2

(2)供热水箱补水泵控制

当T3≥55℃,且供热水箱水位低于高水位S3时,供热水箱补水泵启动,直至供热水箱处于满水位S4时停泵;当T3<55℃时,且供热水箱处于低水位S1时,供热水箱补水泵启动直至供热水箱处于中水位S2时停泵;

(3)空气源热泵控制

启泵条件:当供热水箱内T4<55℃,热泵循环泵启动,热泵与热泵循环泵同步并延时启动;停泵条件:当T4>60℃时,热泵停止,热泵循环泵延时停止;

(4)变频供水泵控制(受供水管压力控制器控制)

(5)回水电磁阀控制

当T5<40℃时,电磁阀开启;至T5>45℃时,电磁阀延时关闭。

(6)冷水补水电磁阀控制

受贮热水箱内水位控制,当水位低于S2时,电磁阀开启;当水位达到S3时,电磁阀关闭。

(7)系统具备自动控制及手动切换功能

(8)可选配置远程监控通讯接口

国标图集[2]给出的各种泵的启闭条件并不是很明确,而本系统中的每台泵都有明确的启闭条件。对于热水供水泵,推荐采用变频泵,能有效协调供水量和供水压力。针对学生宿舍用水特点,可以采用定时供水措施,也可以使学生养成定时作息的良好习惯。

1.2 热水系统计算

对于集热器的面积可以参考相关规范[3]计算;太阳能循环泵的参数,可以按照标准图集提供的方式进行计算;热水变频供水泵的参数,可以按照供水泵的性质计算。本文主要讨论热水定额的选择、贮热水箱计算和供热水箱计算,以及供热水水箱供水泵及热泵循环泵的计算。

1.2.1 热水用水定额的选择

规范[4]对设单独卫生间、公共洗衣室的学生宿舍的热水定额为60～100 L/人·日。根据2006年设计的深圳市教苑中学热水系统热水定额取80 L/人·日,2008年校方反应实际运行热水不够用,缺水量约20%。由此可见,对于深圳市学生宿舍的热水定额应取规范中的上限,即100 L/人·日比较合适。

1.2.2 贮热水箱计算

太阳能热水系统贮热水箱容积既与太阳集热器总面积有关,也与热水系统所服务的建筑物的要求有关,对太阳能集热系统的运行效率和整个热水利用系统都将产生重要的影响。一般来说,对应于每平米集热器需要的贮热水箱容积为40～100 L[5],对于深圳来说,本文推荐值为80 L。

1.2.3 供热水箱计算

集中热水系统的供热水箱容积应根据日用热水小时变化曲线及太阳能集热系统的供热能力和运行规律,以及常规能源辅助加热装置的工作制度、加热特性和自动温度控制装置等因素按积分曲线确定[206]。供热水箱容积和贮热水箱容积之和为最大小时热水用水量的4.5倍。但当供热水箱计算容积小于贮热水箱容积的40%时,太阳能热水系统可以采用单水箱的方式,但水箱容积仍按最大小时热水用水量的4.5倍计算,而不是按每平米太阳能集热器对应75 L的水箱容积选取[5]。

1.2.4 供热水箱补水泵计算

在上述系统控制原理运行的情况下,推荐其流量采用平均小时热水用水量。

1.2.5 热泵循环泵计算

热泵的加热方式分循环加热式和直热式系统,采用循环加热式并不需要每台热泵都配热泵循环泵,可以把所有热泵同程并联后配备一用一备的热泵循环泵,热泵循环泵流量对应于所有热泵总的产水量。

2 讨论

集热器的面积按照平均日热水用水量计算,而热泵的制热量则按照最大小时热水用水量计算;对于贮热水箱和供热水箱总容积,文献[1]提供了四种计算方式,但按照平均日热水用水量计算,对深圳市学生宿舍来说偏小,推荐采用最大小时热水用水量的4.5倍。对于定时和全日制供热问题,笔者认为应根据学校性质具体考虑,对于中小学生宿舍应采用定时供热系统,对于大中专学生宿舍可以采用全日供热系统。

3 结束语

本文从建筑给排水设计的角度提出了对于深圳市的学生宿舍太阳能热水系统的计算方法和控制系统原理,并且具有节能环保特性,运行稳定可靠。

摘要：提出一套合理的太阳能热水系统控制原理,并给出了适合深圳市学生宿舍的基于双水箱系统的太阳能热水系统设计计算方式。

关键词：双水箱,太阳能热水系统,学生宿舍

参考文献

[1]郑毅.西藏某培训中心太阳能热水系统设计探讨[J].给水排水,2007,33(5):74-78.

[206]SS128,太阳能集中热水系统选用与安装[S].

[3]GB50364-2005,民用建筑太阳能热水系统应用技术规范[S].

[4]GB50015-2003,建筑给水排水设计规范[S].

太阳能热水系统设计 篇5

为适应市场的需求，目前温室大棚在国内外都得到了广泛的应用，其中以美国、日本、荷兰等国家发展最为迅速，基本实现了环境智能监控和远程监测。而在国内，大部分温室大棚未采用智能控制技术，且存在环境控制能力低、自动化程度落后、价格昂贵等缺点，这在很大程度上降低了温室农作物的产量与质量，因此，广泛实现温室的智能监控很有必要。此外，维持温室大棚的正常运行需要提供充足的电能，而一般大型的温室大棚位于离居民生活区较远的空旷地区，对电能的利用并非很方便，但是太阳能资源丰富，因此如何实现对太阳能的利用成为一个值得思考与解决的问题。

设计思想

要实现对太阳能的利用，可以借助于太阳能电池实现光电转换，近年来太阳能电池的转换效率与使用寿命都有了很大的提高，目前单晶硅的转换效率可达30％左右。因此利用太阳能光伏系统为温室大棚供电成为了可能，为提高太阳能利用率，可采用MPPT和光伏系统自跟踪技术。影响农作物的生长因子主要有：温度、湿度、CO2浓度以及光照。实现对各生长因子的智能控制，能很大程度地提高农作物的产量与质量。

基于太阳能供电的温室环境智能监控系统框图如图1所示。

太阳能温室大棚监测控制系统框图 模块化设计

2．1 太阳能供电模块

该模块主要包含MPPT的实现、蓄电池充放电监控、自跟踪系统以及电压转换4个部分。MPPT的实现和自跟踪系统均是为了实现太阳能更高效率的利用，蓄电池充放电监控则是对蓄电池、太阳能光伏组件阵列以及负载的保护，电压转换使得该系统可为各种交流和直流负载供电。太阳能供电模块框图如图2所示。

2．1．1 MPPT的实现

MPPT即最大功率点跟踪，是指控制器能够实时侦测太阳能板的发电电压，并追踪最高电压电流值，使太阳能电池板以最高的效率对蓄电池充电。MPPT控制的原理实质上是一个自动动态寻优的过程，通过功率的比较来改变占空比和脉宽调制信号，进而改变太阳能电池板的工作负载，改变输出功率点的位置，以达到最优。实现MPPT通常需要斩波器来完成DC／DC转换，斩波电路分为BUCK电路和BOOST电路。本文中利用BUCK变换器来实现MPPT，通过调节BUCK变换器的PWM占空比输出，使负载等效阻抗跟随太阳能光伏组件阵列的输出阻抗，从而使光伏阵列在任何条件下均可获得最大功率输出。BUCK电路实际上是一种电流提升电路，主要用于驱动电流接收型负载，直流变换通过电感完成，其电路图如图3所示。

故通过调节占空比即可调整输出负载，从而可使太阳能光伏组件阵列工作在最大功率点。占空比的调节是通过控制Q基极电压来实现，可借助于单片机编程加以控制。

2．1．2 蓄电池充放电监控电路

蓄电池充放电监控电路是为了防止蓄电池组过充、过放等现象，蓄电池组在整个系统中起到储存与提供能量的作用，在硬件上可借助于单片机来实现，其软件程序流程图如图4所示。

2．1．3 自跟踪系统

为了实现对太阳能更大限度的利用，要保证太阳光每时每刻都垂直照射在太阳能电池板上，即太阳能电池板必须跟随这太阳的运动而运动。目前常用的自跟踪方法有匀速控制方法、光强控制方法、时空控制方法。为了方便实现并达到较好的跟踪效果，可以将匀速控制法与光强控制法相结合。并通过对实际光强与设定值的比较，分别采取紧跟踪、疏跟踪以及不跟踪的措施。在硬件上可以通过单片机、太阳光跟踪传感器、光强测定器等实现。

2．1．4 太阳能应用于温室的前景

目前使用太阳能光伏阵列进行供电需要占用一定的土地资源来安放太阳能电池板，然而现在已经生产出了半透明太阳能组件，此外透明太阳能电池组件也在进一步研究中，这使得将太阳能电池安装在温室顶部成为了可能。而且太阳能电池的转换效率在不断提升，因此太阳能光伏系统的广泛使用将成为必然趋势。

2．2 智能监控模块

智能监控模块的主要部分为传感器模块、A／D转换模块、微处理器以及各因子的控制设备。

2．2．1 传感器的选取

测温设备选择SLST系列数字传感器，它是采用美国Dallas半导体公司的DS18B20数字化温度传感器，为不锈钢外壳封装，防水防潮，且具有高灵敏度和极小温度延迟，现场温度以“一线总线”的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性能。其测温范围为-55～+125℃，温度准确度为±0．5℃，可直接将温度转换为串行数字信号供单片机处理。温室内湿度的测量采用JCJ100MH湿度变送器，其采用高精度湿敏电容进行测量，具有灵敏度高、稳定性好、准确度高和使用寿命长 等特点。其工作环境为-40～80℃，输出电压范围为0～5 V，湿度测量范围为0～100％，均满足温室测量的需求。土壤湿度的测量采用高精度土壤水分传感器，它采用世界先进技术的土壤湿度传感器，精密、可靠、耐用，可直接连接至数据采集器，可长期埋设在地下任意深度，连续测量，其测量范围为0～100％，工作电压为7～15 V，输出0～1．1 V的电压信号，可经适当放大后供A／D转换。光照度的测定可以采用KITOZER系统光照度变送器。该种变送器以对弱光也有较高灵敏度的硅兰光伏探测器为传感器，具有测量范围宽、线性度好、防水性能好、传输距离远等特点，其工作电压为12～30 V，测量范围为0～200 000 LUX，支持二线制4～20 mA电流输出、三线制0～5 V电压输出、液晶显示输出以及RS 232，RS 485网络输出，适合在温室大棚环境下使用。CO2浓度的测定可采用FIGARO公司生产的TGS4160，它是一种固态电化学型CO2传感器，具有体积小，寿命长，选择性和稳定性好等特性。因为它的预热时间较长，故适合在室温下长时间通电连续工作。它的测量范围为0～5 000 ppm，使用寿命2 000天，内部含有热敏电阻起补偿作用。通过各传感器获得电信号，经A／D转换后输入单片机与所需要的设定值相比较，然后控制相应的设备来对各因子进行调节。

2．2．2 各生长因子的控制

农作物生长因子主要是指温度、湿度、CO2浓度以及光照。

温度 升温设备可以采用热水锅炉、燃油锅炉、太阳能加热器等，鉴于室外太阳能资源充足，白天可采用太阳能加热器加热，实现光能向热能的直接转换，在太阳不足时，采取电加热器，由蓄电池组供电。降温设备采用湿帘风机，其中通风设备采取强制通风的方式，即利用风机产生风压强制空气流动降温，湿帘是利用水蒸发吸热的原理来降温，二者的结合作用能力强，效果稳定。

湿度 当实际湿度低于所需要湿度时，可以通过控制安装在大棚顶端的喷嘴来实现，通过喷雾来提高湿度，同时又不至于使得湿度过大。当湿度过高，则可以通过通风来降低，这是利用湿度差来进行室内外的空气交换实现。

CO2浓度 CO2的浓度直接影响着农作物的产量与质量，合适的CO2浓度可能达到40％～200％的增产。大气中的CO2浓度仅为350 ppm，在温室中需要提高CO2浓度，可利用CO2发生器来实现，采用化学反应、燃煤、燃气等方式来产生CO2，当CO2浓度过低时，即可通过控制CO2发生器的开关来提高。当浓度过高时，通过打开通风机即可。

光照 光照的控制设备为遮阳设备和补光设备，当光照过强时，可借助遮阳设备来实现，当光照过弱时，可利用补光灯来实现，而且补光灯开启的数量受外界光照的影响，最终达到较为合适的光照强度。

2．2．3 A／D转换 A／D转换采用TLC1549，将各传感器所采集的模拟电信号转换为数字量输入单片机进行处。，对各因子加以控制。TLC1549为逐次比较型10位A／D变换器，其片内自动产生转换时间脉冲。转换时间小于21μs。其具有固有的采样保持电路，终端兼容TLC549，TLV549，采用CMOS工艺，有2个数字输入和1个三态输出，可和微处理器直接相连。

2．2．4 软件实现

该系统中所采用的单片机可以选择51／52系列单片机，如AT89C51。通过单片机编程来实现对各种设备开关的控制，其控制流程图如图5所示。

环境智能控制流程图 结语

该系统实现了对太阳能资源的有效利用，采用MPPT和自跟踪系统来实现高效率转换，且可以较好地智能控制农作物各生长因子，使得农作物生长在最为合适的环境中，大大提高了农作物的产量与质量。本文中所涉及的只是单间温室的智能控制，然而可以通过通信接口RS 232与上位机进行通信，实现集散控制，这样可以大大提高总体工作效率。

托普物联网简介

托普物联网是浙江托普仪器有限公司旗下的重要项目。浙江托普仪器是国内领先的农业仪器研 发生产商，依据自身在农业领域的研发实力，和自主研发的配套设备，在农业物联网领域崭露头角！

托普物联网以客户需求为源头，结合现代农业科技、通信技术、计算机技术、GIS信息技术，以及物联网技术，竭诚为传统行业提供信息化、智能化的产品与端到端的解决方案。主要有：大田种植智能解决方案、畜牧养殖管理解决方案、食品安全溯源解决方案、食用菌种植智能化管理解决方案、水产养殖管理解决方案、温室大棚智能控制解决方案等。

托普物联网三大系统产品

我们知道物联网主要包括三大层次，即感知层、传输层和应用层。因此托普物联网产品主要以这三个层次延伸，涵盖了感知系统（环境监测传感设备）、传输系统（数据传输处理网络）、应用系统（终端智能控制平台。）

托普物联网模块化智能集成系统

托普物联网依据自身研发优势，开发了多种模块化智能集成系统。

1、传感模块：即环境传感监测系统。它依据各类传感设备可以完成整个园区或完成对异地园区所需数据监测的功能。

2、终端模块：即终端智能控制系统。它可以完成整个园区或远程控制异地园区进行自动灌溉、自动降温、自动开启风机，自动补光及遮阳，自动卷帘，自动开窗关窗，自动液体肥料施肥、自动喷药等各类农业生产所需的自动控制。

3、视频监控模块：即实时视频监控系统。主要是通过监控中心实时得到植物生长信息，在监控中心或异地互联网上既可随时看到作物的实时生长状况。

4、预警模块：即远程植保预警系统。可以通过声光报警、短信报警、语音报警等方式进行预警。

5、溯源模块：即农产品安全溯源系统。该系统对农产品从种植准备阶段、种植和培育阶段、生长阶段、收获阶段等对作物生长环境、喷药施肥情况、病虫害状况等实施实时信息自动记录，有据可查，在储藏、运输、销售阶段采用二维码或者RFID射频技术对各个阶段数据记录，这样就能实现消费者拿到农产品时通过终端设备或网络就能查看到各类信息，才能放心食用。

太阳能系统供电的ATX电源设计 篇6

关键词：太阳能；ATX；电源

中图分类号：TN86文献标识码：A文章编号：1007-9599 (2011) 08-0000-01

The ATX Power Design of Solar System Power Supply

Chen Wei,Mao Shuzhe,Zeng Weiyou

(Hubei Automotive Industries Institute,Shiyan442002,China)

Abstract:This paper presents a ATX power supply.Solar power system provides the 12V DC,the power supply into the PC used for +12V,+5V,+3.3V voltage,and to provide +5VBS standby voltage,PS-ON control switch board side and PG output terminals,to meet the small Power PC continuous use.

Keywords:Solar;ATX;Power

当前，能源危机愈发严峻。随着太阳能电池和电子技术的不断进步，光伏发电不断向大功率、高效率、高密度方向发展，光伏发电产业地位日趋重要。这一新型能源的发展，既可解决人类面临的能源短缺，又不造成环境污染，尤其是在民用领域，应用越来越广泛。

在太阳能发电系统的使用中，如果先用逆变器将直流电转换为220V交流电，然后再通过开关电源为PC机供电，那么效率原本就不高的光伏发电系统将会再次损耗50%以上的电能。如果直接用直流电对PC机供电，只需使用DC-DC电路将电压转换为PC机所需+12V、+5V、+3.3V电压，并提供+5VBS待机电压，PS-ON主板控制开关端与P.G信号端这些必须端口，就能正常工作，而且还能节约成本。

一、总体设计

太阳能光电系统提供12V直流电，但电压经常高于14V，则电源中+12V的DC-DC电路不能省略，还需转换为+12V、+5V与+3.3V。此外+5VBS待机电压必须单独提供，所以+5V电压需使用两个DC-DC芯片，若+5V用电设备较多，还需额外增加芯片以增大+5V输出功率，+12V、+3.3V也是如此。

本设计所选用DC-DC芯片为MP2307降压稳压集成电路。MP2307第7脚（EN脚）可以控制芯片的开启、关闭，使用一个开关管即可完成电源的开关。

P.G信号端使用一个简单延时电路即可完成其功能。

二、+5VBS待机电压转换电路设计

MP2307是一种常用的开关型降压稳压集成电路，输入电压范围4.75V-23V，输出电压范围0.925V-20V，可提供超过3A的输出电流。+5VBS电压转换原理图如图1（a）所示，与+12V、+5V与+3.3V电压转换电路基本相同，所以原理图中只画出一个模块。图中Vin接太阳能系统控制器输出端，R1取值由下式计算：5V=0.925×（R1+R2）/R2

图1 电源原理图

可知R1取44.2kΩ。

三、+12V、+5V、+3.3V电压转换电路设计

+12V、+5V与+3.3V电压转换电路与+5VBS基本相同，电路原理图见图1（a）。

输出+12V时，R1取121kΩ；输出+3.3V时，R1取26.1kΩ。

由于要受控于PS-ON端，所以图中R4此时应取消，而MP2307脚就与图1（b）中Q1集电极相连。在PS-ON端为低电平时，MP2307启动，为PC机提供+12V、+5V与+3.3V电压。

四、PS-ON主板控制开关端

PS-ON主板控制开关端原理如图1（b）所示。当按下PC机开机键时，PS-ON端由高电平变为低电平，MP2307启动，准备为PC机供电。当再次按下PC机开机键时，PS-ON端由低电平变为高电平，PC机关机。

五、P.G信号端

延时电路如图1（c）所示，LED1亮表示电源状态正常，P.G信号端输出高电平。当按下PC机开机键后，MP2307启动，并提供+5V电压，此+5V电压在延时后使P.G信号端变为高电平，电脑供电正常。

六、结束语

本ATX电源采用MP2307设计，此芯片价格便宜，性能可靠。所设计电源操作简单，使用方便，效率高，体积小，重量轻，可以实现产品化。+12V、+5V与+3.3V电压各路均采用单芯片输出时，可满足车载PC使用。可根据PC机功耗来增减MP2307数量，当然也可采用其他扩流手段。

参考文献：

[1]赵争鸣.太阳能光伏发电及其应用[M].北京:科学出版社,2005

[2]沙占友.单片开关电源设计[M].北京:机械工业出版社,2009

[3]康华光.电子技术基础模拟部分（第四版）[M].北京:高等教育出版社,1999

[4]周志敏.便携式电子设备电源设计与应用[M].北京:人民邮电出版社,2007

[5]Analog IC Technology.Datasheet of MP2307[EB/OL].http://www.MonolithicPower.com

太阳能热水系统设计 篇7

关键词：绿色环保,热水用水量,太阳能,集热模块,投资

1. 太能能资源

天津市位于华北平原东北部, 东临渤海北依燕山, 纬度39度05分, 经度117度04分, 海拔高度3m;天津为太阳能资源较丰富区 (Ⅱ) 区, 年照时数大多在2259~3016h/a以上;辐射量4200~5400 (MJ/m2·a) , 符合太阳能热利用标准。

2. 热水用水量

根据甲方要求, 需利用现有基础设施, 对供热系统进行改造, 同时必须满足天津地区最恶劣天气洗浴要求, 达到节能降耗的效果。

(1) 该校区现有师生15000人, 根据后勤部门提供的用水习惯及浴室统计, 每日洗浴的人数在高峰时间为3000人左右, 平常2000人左右。考虑各种因素, 新建浴室确定为每天2000人次洗浴。

(2) 用水定额:据统计, 浴室由于采用的是插卡计时用水方式, 每人每日平均用水量为45L/人·次 (注:该水量标准使用中证明可行, 但与文献[1]表5.1.1-2规定的热水用水定额小很多) , 用水温度38℃~42℃, 考虑各种因素后则每日用热水量确定为100吨 (38℃~42℃) 。

(3) 辅助能源:采用燃气锅炉。方案一:按照设计图纸采用两个1吨蒸汽锅炉作为辅助能源;方案二:原有浴室系统的两个0.5吨热水锅炉作为辅助能源。

(4) 供水时间:定时, 男、女各80个喷头, 每日12:00~20:00。

(5) 用水方式:集中洗浴、插卡式取水, 实行全智能远程自动化控制系统。

3. 太阳能集热模块选用

本项目采用直插式太阳能集热模块, 主要特点如下:

(1) 集热高效率高, 日平均热效率可达55%。

(2) 系统初投资较低。

(3) 集热器整体承压0.1MPa, 可直接与城市自来水系统连接, 自动运行。

集热管管的安装分横置和竖式两种安装。

集热管横置特点 (本项目采用) :

(1) 安装紧凑, 可充分利用安装面积;

(2) 模块可实现对太阳能的四季跟踪;

(3) 加大中心距后集热器可平行地面安装, 以便能与建筑的造型完美的结合;

(4) 横置管可实现系统的彻底排空, 减少水垢、杂质等存在集热管中;

(5) 紧凑的联集箱, 尽可能的减少集热系统的散热能力, 将热量尽可能的储存。

集热管竖式特点:

(1) 安装松散, 同等采光面积安装面积较大;

(2) 竖式安装实现对太阳能的全天跟踪;

(3) 安装对地倾角度大为45度, 后支架的高度较高;无法与现有的建筑造型完美结合。

4. 太阳能采光面积和产水量

由于安装位置不能满足日产100m3的集热系统, 根据甲提供的安装现场尽最大可能的布置即热系统, 根据现场的要求, 现只能安装186组47-1550-25型太阳能集热模块 (规格见表2) 。47-1550-25集热单元的性能参数:

太阳能采光面积为:186组×6.25m2/组=1163m2, 满足采光面积的测算表中的对应的产热水量数据。根据国家现行标准《太阳热水系统设计、安装及工程验收技术规范》GB/T18713-2002直接加热太阳热水系统的集热器采光面积可根据系统的日平均用水量和用水温度确定, 按下面公式进行估算如下:

式中:AC—直接系统集热器采光面积, m2;

QW—日均用水量, 计算值:90kg;

CW—水的定压比热容, k J/ (kg·℃) , 计算值:4.187k J/ (kg·℃) ;

tend—储水箱内水的终止温度 (用水温度) , 计算值:43℃;

ti—水的初始温度, 计算值:10℃;

jt—集热器受热面年均月辐照度 (见采光面积的测算表) ;

f—太阳能保证率, 无量纲, 计算值:1;

ηcd—集热器全日集热效率, 无量纲, 计算值:0.55;

ηL—管路及储水箱热损失率, 无量纲, 计算值:0.1;

该项目采用一台100m³储热水箱, 储热水箱规格:规格:12×4×2 (单位:米) 。

5. 太阳能热水系统

淋浴热水系统采用下行上给式, 系统采用定时循环供水功能, 即:在用热水期间定时启动供水循环泵, 采用自力式恒温混水阀, 淋浴水再经过混水温度补偿装置 (内含辅助电加热) 后, 达到一开淋浴头便有热水的效果。实践证明, 该措施能弥补管道循环过小而导致的混水阀使用效果不佳。

储热水箱的上水和热交换是通过控制柜控制循环泵及上水电磁阀利用定温上水和温差循环方式实现的。在集热器和保温水箱上分别装有精密温度探头, 控制柜读取集热器和保温水箱温度探头的数据并自动进行比较, 若集热器和保温水箱之间温度差值达到某个设定数值 (可在控制系统中随意设定) , 则系统自动启动循环泵强制将集热器中的热水输送到集热水箱中, 与集热水箱中相对温度较低的热水进行热量交换, 循环一段时间后若温度差小于某个设定数值 (可在控制系统中随意设定) , 系统自动关闭循环泵停止热量交换, 如此往复循环, 将集热水箱中的水温持续提高。若保温水箱水位低于80%自动转换为定温上水。

同时, 为保证热水的正常供应, 控制系统追加定时上水功能、低水位强制补水功能和手动上水功能, 保证水箱中保持合理的用水温度和水位。补水分三种情况: (1) 定温补水:当储热水箱的温度达到设定温度, 冷水电磁阀自动打开, 将冷水补入储热水箱。 (2) 低水位补水:当水位低于20%时冷水电磁阀自动打开, 开始强制补水, 达到20%自动停止补水。 (3) 定位补水:当水位低于40%时冷水电磁阀自动打开, 开始强制补水, 达到60%自动停止补水。

另外, 该系统采用型号为DCS-50的高频电磁水处理仪对供水进行磁化处理, 原理是利用电子元件产生的高频信号, 使水经过时, 物理结构发生变化, 原来缔合链状大分子断裂成为单个水分子, 水中溶解盐的正负离子被单个水分子包围, 运动速度降低, 有效碰撞数减少, 静电引力下降, 从而在受热面或管壁上无法结垢, 达到了防垢目的。

6. 辅助热源和集热循环系统

辅助能源系统采用在定时时间段内, 当储热水箱的温度低于设定温度时, 辅助能源系统自动启动, 加热水箱的低温水, 达到使用温度自动停止, 保证供水的最低温度。

(1) 辅助热源:

甲方要求实际使用中, 保证在6小时左右将水从10度水加热到42度使用温度。

考虑现状热源为燃气锅炉的情况, 设计采用原有2台0.5吨燃气锅炉。

(2) 集热循环系统

循环流量确定:每平方米采光米面积的流量为:0.01~0.02L/s确定集热系统的流量;管路中的流速在0.8~1.5m/s之间。

7. 太阳能热水设备投资 (见表4)

8.其他

太阳能系统在设计时, 应充分考虑了管理员的管理便利性, 将系统的控制、显示装置安放在管理室, 人员不用出门可了解到系统的运行状况;辅助热源的选择须结合项目现状热源使用情况, 该项目中太阳能系统与现有的蒸汽换热系统兼容使用;同时, 力求太阳能系统安装在建筑上以达到太阳能与建筑一体化的设计效果, 避免因安装太阳能而带来的视觉污染。

参考文献

[1]《建筑给水排水设计规范》 (GB50015-2003) (2009年版) .

[2]《全玻璃真空管太阳能集热管》GB/T17049-19970

[3]《真空管太阳集热管》GB/T17581-1998.

[4]《太阳能集热器热性能室内试验方法》GB/T18974-2003.

[5]《家用太阳能热水系统热性能试验方法》GB/T-18708-2002.

[6]《家用太阳热水系统安装、运行维护技术规范》NY/T651-2002.

商业项目太阳能热水系统的设计心得 篇8

关键词：商业,太阳能热水,经济效益

1概况

本项目位于江苏省昆山市, 物业类型包括可售商业、购物中心和停车库, 其中购物中心地上四层, 地下一层, 总建筑面积77971m2。购物中心内业态有餐饮、零售、影院、冰场、超市, 其中餐饮面积为共计15528m2;地下一层设有物业及商场的后勤用房。

根据江苏省地方规范DGJ32/J96-2010《公共建筑节能设计标准》 (下称《标准》) 的规定, 本项目属于甲类建筑, 应采取太阳能热水系统、地源热泵空调系统、太阳能光伏发电系统或光诱导系统中的一种或几种可再生能源利用措施, 且应符合规范规定的使用比例。当仅采用太阳能热水系统时, 此比例为建筑物生活热水量的50%。同时, 根据《标准》的规定, 有热水需求的公共建筑, 应设置太阳能热水系统;同时根据江苏省对于商业建筑的定性, 当商业建筑中餐饮面积超过300m2时视作有热水需求的建筑。

2系统选型

2.1系统简介及形式选择

太阳能热水系统可以分为集中式和分散式, 集中式是以整个建筑作为服务对象设置热水系统, 所有的集热设备、储热设备、循环设备和加热设备均统一设置、统一控制;而分散式则是根据不同的使用功能, 分散设置这些设备, 各单元独立运行。

根据本项目特点, 由于规模较大, 热水需求高, 因此使用分散式热水系统从管理和成本方面并无优势, 所以建议使用集中式热水系统。

以下是几种常见的集中太阳能供热系统的示意图 (见下图) :

目前市场上比较常见的集热器的集热效率和造价对比如下:集热效率:U形管真空管>热管真空管>平板式集热板>全玻璃真空管;造价:平板式集热板<全玻璃真空管<U形管真空管<热管真空管。

根据当地的气象参数, 参考国家标准图集提供的各类集热器典型瞬时效率方程, 计算出按直接加热方式制备每m3的60°C的热水所需的集热板面积如下:

辅助热源是在太阳能无法提供足够热量时, 采用常规能源为系统提供热量的装置。

从安装位置来看, 辅助可以分为内置式和外置式两种:内置式是直接将加热设备 (主要是指电加热棒) 直接置于储热装置内;外置式是来管路系统中串接或并接若干个加热设备 (表面式热交换器、燃气/电热水炉或热水器) 。

对于本项目来说, 可以根据最终确定的系统规模, 选用内置或外置式的加热设备。当选用外置式加热设备时, 采用燃气作为热源的经济性相对较好;但由于运行燃气接入的场所有一定的限制, 因此需要根据设置加热器的具体位置确定辅助热源。

2.2设计热水量计算

3分析比选

3.1合理性分析

根据计算得到的热水量需求, 当使用太阳能热水作为唯一的可再生能源利用方式, 即按满足50%最高日热水需求来设置太阳能集热板, 则不同类型的集热板所需要的面积如下:平板型:2426~2916m2;全玻璃真空管:3068~3291m2;热管真空管:2081~3318m2;U形管真空管:1896~2822m2。即使采用热效率最高的U形管真空管集热器, 不考虑前后排间距, 占用的屋面面积就需要近2000m2, 考虑安装间距后实际面积可能需要3600m2。从本项目的具体情况来看, 必须设置于购物中心屋面的设备包括冷却塔、锅炉房、消防水箱间、空调设备、新风机组、排烟风机和正压送风风机等, 所占用的屋面面积非常大, 需要再找出可布置如此大面积集热板的区域非常困难。

根据《标准》的要求, 当本项目采用太阳能热水作为唯一的可再生能源时, 必须应用于有生活热水需求的场所, 且其供应量应满足热水用量的50%。

由于本项目的热水需求主要来自于餐饮租户, 而为该部分用户集中供应热水存在以下几个方面的困难: (1) 热水需求不确定:各餐饮用户由于经营类别不同, 对热水的需求也不一致, 根据设计规范计算的热水量与实际情况存在一定的偏差, 可能造成初投资的浪费; (2) 运行费用增加:当为租户集中供应热水时, 在供热时段辅内助热源必须自动运行, 保证储水罐中的水温随时能够满足用户的使用要求。因此也会造成集热效率的下降, 常规能源的消耗增加, 从而导致运行费用也随之增加; (3) 费用收取困难:集中热水系统收费, 容易在两个方面发生纠纷:一是供水表和回水表的计量精度不足;二是回水效果不佳导致供水温度偏低。此外, 由于租户的经营状况不佳而拖欠费用的情况也会经常发生。

3.2经济性分析

初投资:如按照采用太阳能热水作为唯一可再生能源利用方式设置该系统, 当满足规范要求时, 不同形式集热系统的单价和本项目系统的整体造价大致为:平板型:13000~15000元/m3热水, 总价195~225万元;全玻璃真空管:12000~15000元/m3热水, 总价180~225万元;热管真空管:16000~200000元/m3热水, 总价240~300万元;U形管真空管:15000~18000元/m3热水, 总价225~270万元。

静态回收期:假定采用U形管真空管太阳能集热器直接加热, 集热器总面积1896m2。

(1) 平均日耗热量Q1:Q1=Q×C×ρr× (tr-tl) /1000;Q—平均日热水用水量:Q=199586L;最高日热水量Qd=299.38m3/d, 日变化系数Kd=1.5, 全年使用天数T=365d;C—水的定压比热容, 4.187k J/kg·℃;ρr—热水密度, 60℃的热水密度为0.983kg/L;tr—热水的设计温度, 60℃;tl—水的初始温度;

(2) 集热板供热量Q2:Q2=JT×× (1-) ×Ajz×T;JT—倾角等于当地纬度时, 集热器采光面上年平均日太阳辐照量 (k J/m2·d) ;集热器平均集热效率, U形管真空管取0.7556;贮水箱和管路的热损失率, 取20%;Ajz—直接加热集热器总面积, 1896m2;T—太阳能集热器供热天数, d。

本项目逐月耗热量及太阳能供热量情况见下表:

由表可见, 各月份的日耗热量均大于太阳能集热器的实际供热量, 故全年累计太阳能利用量为5338094MJ。考虑到太阳能集热系统在集热过程中的能耗 (约为太阳能利用量的10%) , 故全年实际利用的太阳能总量为5338094×0.9=4804285MJ。

太阳能供热相对于天然气和电能全年节省的能源量如下:

注:天然气热值8400kcal/m3;电加热效率按95%计。

按之前的假定条件, 采用U形管真空管太阳能集热器, 初期总投资225万元。故静态回收期如下: (1) 参照天然气的静态回收期:t=225/47.08=4.78a; (2) 参照电的静态回收期:t=225/115.30=1.95a。

4系统形式确定

由以上计算分析可知, 如按保证最高日热水用水量的50%设置太阳能热水系统, 虽然回收期相对较短, 但是需占用大量的屋面面积, 所需的初投资极大;同时存在管理方面的各种困难, 因此我们建议尽量减少太阳能热水的设置规模, 同时考虑其他可再生能源的利用方式 (如太阳能光伏发电等) 以满足《标准》对甲类建筑的要求。

由于地下室存在部分有热水需求后勤用房 (员工更衣室和员工厨房) , 其此部分是物业自行管理和运营, 不存在收费方面的困难, 因此建议在此部分设置太阳能热水系统。考虑到屋面面积有限, 建议把太阳能集热板的安装面积控制在500m2以内。此规模的太阳能热水系统在春秋季日照条件正常的情况下, 全天收集的热量能够供应大约30个左右的淋浴器同时使用2小时。

系统形式确定为地下一层员工洗浴及员工餐厅设置太阳能热水系统, 采用直接加热开式强制循环系统, 集热水箱和保温水箱设于屋面热水箱间内, 辅助热源采用内置的电加热棒。

5结束语

太阳能热水系统作为可再生能源利用的一种方式, 其经济效益与社会效益均较为明显;但具体到本项目中, 由于安装条件和运营要求的限制, 应当在符合国家和地方相关政策法规的前提下, 控制好该系统的设置范围和建设规模, 从而使其真正发挥出节能方面的作用。

参考文献

[1]郑瑞澄.民用建筑太阳能热水系统工程技术手册[M].化学工业出版社, 2011.

太阳能热水系统设计 篇9

太阳能是一种取之不尽, 用之不竭的无污染可再生能源, 开发利用太阳能既可节约能源, 为企业提高经济效益, 又可减少常规能源的消耗和对环境的污染, 有利于保持生态平衡, 具有巨大的经济效益和社会效益。

2 工程设计方案

2.1 工程概况

石家庄某原料药车间位于石家庄市经济技术开发区, 是一个原料药生产车间, 共三层, 建筑物高度23.50m, 属于甲类工业厂房, 生活用水按最大班100人考虑, 每天洗两次。

2.2 系统选择

本太阳能热水系统采用闭式强制循环太阳能热水系统。按照《民用建筑太阳能热水系统应用技术规范》 (GB50364-2005) 和《民用建筑太阳能热水系统工程技术手册》中对太阳能热水系统的要求, 结合现场实际情况, 选用真空管太阳能集热器组成的综合式太阳能热水系统为淋浴室提供热水, 为防止阴雨天不能使用, 春夏秋冬四季使用蒸汽辅助加热。该系统采用智能 (PLC控制器) 控制。

2.3 系统设计参数确定

根据《建筑给水排水设计规范》 (GB50015-2003) 2009年版3.1.12规定, 工业企业建筑淋浴用水定额, 应根据现行国家标准《工业企业设计卫生标准》GBZ1中车间的卫生特征分级确定, 可采用40L/人·次~60L/人·次, 延续供水时间1h。本设计取qr=50L/人·次.

2.3.1 热水量计算

日用水量:Qd=mqr=100×50×2=10000L/d

式中:m—用水计算单位数, 取m=100人;

qr—热水用水定额, 50 L/人·次。

2.3.2 太阳能集热器总面积计算

(1) 石家庄地区的太阳辐射资源

查《太阳能集中热水系统选用安装》图集06SS128得, 石家庄地区太阳集热器斜面 (当地纬度斜面) 年平均值16.15 Mj/m2.d作为设计值。

(2) 真空管集热器的总面积计算

根据《建筑给水排水设计规范》 (GB50015-2003) 2009年版

5.4.2 A规定, 直接加热供水系统的太阳能集热器总面积可以按下公式计算:

式中:Ajz———直接加热集热器总面积, (m2) ;

qr———设计日用热水量 (L/d) ;对于该太阳能系统, 取10000L/d。

tr———热水温度 (℃) , tr=60℃;

tl———冷水温度 (℃) , 按本规范表5.1.4采用, 对于该太阳能系统, 取10℃;

Jt———集热器采光面上年平均日太阳幅照量 (k J/m2·d) , 对于该太阳能系统, 取16150KJ/㎡·d;

f———太阳能保证率, 根据系统使用期内的太阳辐照量、系统经济性和用户要求等因素综合考虑后确定, 取30%~80%, 对于该太阳能系统, 取60%;

ηj———集热器年平均集热效率, 按集热器产品实测数据确定, 经验值为45%~50%, 对于该太阳能系统, 取50%;

ηl———贮水箱和管路的热损失率, 取15%~30%, 对于该太阳能系统, 取20%。

据上述数据计算如下:

(3) 真空管集热器的数量计算

选用58×1800×24型全玻璃真空管集热器, 每块由24支Ф58×1800真空管组成, 长:1900mm, 宽:2000mm, 为了减小太阳集热器风载荷和防止真空管被大雪裹抱, 真空管太阳集热器底部不设置反光板。根据GB/T 17581-1998《真空管太阳集热器》国家标准的规定, 单块太阳集热器的总面积为:

Aa———太阳集热器的总面积

La———真空管集热器长度

D0———真空管集热器宽度

因此, 需要58×1800×24型全玻璃真空管集热器的数量为:194.40÷3.8=51.2块, 考虑到系统同程要求及工程现场实际情况, 本系统共安装54块。

所需Ф58×1800真空管数量共计:54块×24支/块=1296支

实际太阳能集热器的总面积Az=54×3.8=205.2m2

(4) 储热水箱有效容积计算

式中:Vrx———贮水箱有效容积 (L) ;

Aj———集热器总面积 (m2) ;

qrjd———集热器单位采光面积平均每日产热水量[L/ (m2·d) ], 根据集热器产品的实测结果确定。无条件时, 根据当地太阳辐照量、集热器集热性能、集热面积的大小等因素按下列原则确定:直接供水系统qrjd= (40~100) [L/ (m2·d) ];间接供水系统qrjd= (30~70) [L/ (m2·d) ]。本设计qrjd取48[L/ (m2·d) ]

(5) 循环水泵流量计算

式中:qx———集热系统循环流量 (L/s) ;

qgz———单位采光面积集热器对应的工质流量[L/ (s·m2) ], 按集热器产品实测数据确定。无条件时, 可取 (0.015~0.02) [L/ (s·m2) ]。本设计取0.015[L/ (s·m2) ]

(6) 循环水泵扬程计算

式中:Hx———循环泵扬程 (k Pa) ;

hp———集热系统循环管道的沿程与局部阻力损失 (k Pa) ;

hj———循环流量流经集热器的阻力损失 (k Pa) , 本设计取20k Pa;

hz———集热器与贮热水箱之间的几何高差 (k Pa) , 本设计为0k Pa;

h———附加压力 (k Pa) , 取20k Pa~50k Pa。

选择温差循环水泵KQW50/90-0.75/2, Q=11m3/h, H=10m。两台, 一用一备。

室内热水回水管道设循环泵KQW40/100-0.55/2, Q=6.3m3/h, H=12m。两台, 一用一备。

(7) 辅助加热系统参数确定

为保证太阳能在阴雨天气也能正常使用, 根据建设单位的情况, 本太阳能热水系统采用蒸汽辅助加热, 采用浸没式汽水消声加热器进行辅助加热。

根据水箱水量及加热时间确定蒸汽耗量:

式中:G0———蒸汽耗量 (kg/h) ;

M———加热水量 (kg) ;

t1、t2———加热水前后温度 (℃) , 本设计取t1=10℃, t2=20℃;

T———加热时间 (min) , 本设计取120min;

i//———饱和蒸汽焓 (KJ/kg) , 蒸汽采用0.3MPa, 取2167KJ/kg;

251———单位换算常数。查设备样本得, 选用浸没式汽水消声加热器型号CLP-DN50一套。

3结语

作为节能减排的重要措施, 国内外在太阳能热水系统的应用上作了大量的实践与研究, 有许多值得我们去学习和思考的经验, 特别是在集热、传热、蓄热、集热器与建筑物的结合、运行控制等领域还有很多内容需要作进一步探索。

摘要：本文通过对石家庄某原料药车间职工生活淋浴间太阳能热水系统的设计案例分析, 探讨了太阳能热水系统在工业厂房节能设计中的应用, 介绍了工业企业生活间太阳能热水系统的设计思路。

关键词：太阳能,热水系统,辅助加热,节能减排

参考文献

[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, 2007.

太阳能热水系统设计 篇10

关键词：太阳能热水系统,辅助热源,空气源热泵

1 引言

太阳能作为取之不尽、用之不竭的洁净能源，越来越受到人们的重视和青睐。但是，太阳能属于不稳定的低密度能源，受天气的影响较大，必须配置可靠的辅助热源保证热水的稳定供应。辅助热源有多种形式，设计时需合理选择，做到稳定、安全、合理、节能。

2 太阳能热水系统的辅助热源

太阳能的辅助热源应结合热源条件、系统形式及太阳能供热的不稳定的状态等因素，经技术经济比较后合理选择配置。辅助热源可因地制宜选择城市热力管网、电、燃气、燃油、热泵等。下面分别介绍其优缺点及适用性，见表1。

综合表1可以看出，热泵作为太阳能的辅助热源是个理想的选择。热泵系统的低温热源有水源（含地表水、地下水等）、地源（也称土壤源，主要是地埋管）和空气源。选用水源和地源热泵时，需征得当地相关主管部门的批准，这给设计带来一定的不便。而选择空气源热泵比较自由，基本不受到类似条件的制约。

3 空气源热泵的工作原理

热泵机组按压缩机的形式分类主要有：离心式热泵机组、螺杆式热泵机组及活塞式热泵机组。空气源热泵机组一般为活塞式、涡旋式压缩机，适用于小功率制热量的系统。

空气源热泵依据"逆卡诺"原理工作，以制冷剂为载体，将室外环境空气的低温热量，源源不断地输送到水侧换热器，再将热量传递到水中，使水加热升温，原理如图1。

空气源热泵一般由压缩机、蒸发器、过滤器、节流器、储液罐、冷凝器、储水箱等部分组成。通过消耗少量电能驱动压缩机，使制冷剂吸收空气里的热量来加热热水，其制热效果比传统锅炉等热水器高出3倍，而消耗的电能仅为普通电热水器的四分之一。

4 太阳能与空气源相结合的热水系统

以空气源热泵作为太阳能的辅助热源，在天气晴好的时候，由太阳能集热板吸收阳光的热量加热热水；在天气不好的时候，由空气源热泵吸收空气中的热量来加热冷水；在少数寒冷的冬天温度低于0℃时，热泵效率降低，由热泵内预留的辅助电加热器一起加热热水，以保证建筑热水的稳定供应。

4.1 工程实例系统介绍

下面以“三一上海产业中心”食堂的太阳能热水系统为例分析此系统的设计特点。三一上海产业中心是在上海市临港新城奉贤产业园内投资的大型产业基地，占地约240hm2(3600亩），主要生产制造大型挖掘机等工程机械。其内建有多座大型员工食堂，食堂一般都需要使用大量集中的热水。在其中一座食堂内设计的热水系统就是太阳能和空气源热泵组合的形式，系统原理如图2。

4.2 系统控制方式

屋顶设太阳能集热板、热水箱和空气源热泵机组，回水循环泵设在1层设备房内。太阳能集热储热水箱和集热器间设集热循环泵，循环泵的启停由集热器出水口温度与热水箱内温度差控制，当温差达到8℃时启泵，当温差达到2℃时停泵；太阳能集热储热水箱和空气源热泵间设换热循环泵，循环泵的启停由储热水箱内水温决定，当此温度低于50℃时，空气源热泵自动启动，通过热泵机组将水箱中热水加热至60℃时，空气源热泵自动停止工作。

为保持冷热水压力一致，平衡开式热水箱和管路的水损，在热水箱出水管上设微型管道泵；在热回水管上设回水循环泵，由热水箱出水干管与循环泵吸水管上的温度传感器之温差控制，当温差高于或等于5℃时启泵，当温差低于2℃时停泵，以保证热水干管内的热水温度稳定。

4.3 太阳能和空气源热泵设计的主要计算

4.3.1 太阳能集热器面积的计算

式中，Aj z为直接加热系统集热器总面积；qr为设计日用热水量；m为用水单位数；C为水的比热容；ρr为热水密度；tr为热水温度；tl为冷水温度；f为太阳能保证率；Jt为当地集热器采光面上的年平均日太阳辐照量；ηj为集热器的年平均集热效率；ηl为贮水箱和管路的热损失率。

4.3.2 空气源热泵机组的设计小时供热量的计算

式中，Qg为设计小时供热量；q为设备名义制热量；k2为使用地区室外计算温度的修正系数，按产品选取；k3为机器融霜修正系数，每小时融霜一次取0.9，二次取0.8（或由厂家提供）。

4.4 空气源热泵设计的注意事项

当然，空气源热泵需要配备一定的电量，这在设计之初就需要给电气专业提资料。其用电之一是驱动压缩机工作需要动力，使压缩机中的制冷剂吸收空气里的热量来加热热水。另外，在极端天气情况（例如在寒冷的冬季空气温度非常低时），热泵机组的工作效率会下降，需要预留一定的电量直接加热，以保证水箱的水温，在大部分正常情况下，此功率是不需动用的。

空气源热泵也有它的缺陷。根据空气源热泵的工作原理，热媒在吸热器内的最低蒸发温度可低到零下30℃以下，很少有地区的环境空气温度能够比它还低。但由于温度过低时，容易在吸热器上结冰而封堵空气通道，降低传热效果，而且过小的温差也减少对空气热量的吸收。所以，主机可以在0℃以上的环境气温下正常运行。但中国的绝大多数地区（包括南方和中部地区）低于0℃的气温是非常少的，即使在黄河流域低于0℃的天气也不超过2个月，而且多是在夜间。基于上述情况，空气源热泵当气温过低时辅助电加热器会自动启动，以确保提供足够的热水。但工作时间会很短，换句话说，空气源热泵在全年会节约大量的运行费用。

5 结语

太阳能热水系统在建筑中的应用越来越广泛，辅助热源可以有多种选择，每个工程应根据具体情况合理选用。空气源热泵作为太阳能的辅助热源有很多优势，太阳能热水系统与空气源热泵的组合设计是经济合理的。提出的空气源热泵设计的注意事项供同行参考。

参考文献

[1]GB50015—2003建筑给水排水设计规范(2009版)[S].

[2]郑瑞澄.民用建筑太阳能热水系统工程技术手册(第二版)[K].北京:化学工业出版社,2011.

[3]罗会龙,等.空气源热泵辅助加热太阳能热水系统热性能研究[J].建筑科学,2009,25(2):52-54.