太阳能热水器设计工程

一、基本情况 一居民小区，共十个单元，每单元楼房占地面积约：18*100m2，共六层每层可住 8 户人家。二、设计要求 1、系统产水量：以每户每天平均用水45150L 量设计。2、晴天以太阳加热为主，阴天以电辅助加热为主。3、用水方式：全天候 24 小时供应热水。表 1 昆明市环境条件 昆明 纬度 25.01 经度 102.41 海拔高度 1892.4 月份 1 2 3 4 5 6 月平均室外气温 8.1 9.9 13.2 16.6 19 19.9 水平面月平均日太阳总福照度 13.322 15.928 18.368 19.423 17.655 14.565 月日照小时数 231.5 227.2 264 252.8 219.6 140.2 月份 7 8 9 10 11 12 月平均室外气温 19.8 19.4 17.8 15.4 11.6 8.2 水平面月平均日太阳总福照度 13.571 14.681 12.950 11.634 11.590 11.884 月日照小时数 128.4 149.5 127.8 149 175.7 208.6 三、热水系统方案的选择 图 1 太阳能储能平板集热器热水系统 T1 自来水 泵 2 回水管路 排气阀 T3 集热水箱 储热水箱 T4 阀 3 恒温混水器 阀 4 阀 1 阀 2 控制开关 辅助热源 控制器 泵 1 集热上循环管 T2 集热下循环管 系统工作方式：1.定温上水：集热器出口温度 T2 达到 50时，电磁阀 1 开启，自来水通过集热器下循环管将水顶入集热水箱中，T2 温度降至 4时，电磁阀 1 关闭；,2.当检测到集热水箱中的水达到水位上限时，控制器控制阀 2 开启，集热水箱中的水被排入储热水箱中；3.温差循环：集热器出口温度 T2 比储热水箱中温度 T4 高出 10时，温差循环泵 1 启动，储热水箱内的水将集热器中的水顶入集热水箱中，集热水箱中的水满后放入储热水箱中，直至 T4 比 T2 高于 2时，温差循环泵 1 停止工作，系统完成温差循环集热；4.系统在太阳能集热状态下执行温控上水和温差循环功能，在辅助加热状态下执行箱温上水和温控、时控加热功能；5.箱温上水：首先电磁阀 2 开启，集热水箱放空至储热水箱中，同时系统检测储热水箱水温，若 T4 高于 50，电磁阀 1 开启，系统通过集热场上水至储热水箱，直至储热水箱水位满止，若储热水箱中 T4 低于 45，启动空气源热泵进行辅助电加热。6.温控加热：系统根据储热水箱温度自控加热，T4 温度低于 45时，辅助电加热启动后，空气源热泵加热储水箱中的水，直至T4 达到 50停止加热。7.防冻保护：冬季如果环境温度低于 4时，电磁阀 4 开启，集热系统中的水全部回流至储热水箱中，防止集热系统因温度过低而损坏。8.即热用水：热水循环管路水温低于 38电磁阀 3 开启，启动变频泵 2，储热水箱中的热水循环至管路中，延时 8 分钟后电磁阀 3 关闭，淋浴末端用水即热。四、集热器 4.1 集热器类型的确定 据建国以来的气象资料统计，昆明年均气温 14.5，最热月(7 月)平均气温19.7，最冷月(1 月)平均气温 7.5，年温差 1213。一月份日最低气温不会低于 0 度，可以选着平板型集热器，首先，在日平均效率方面，平板型太阳能集热器要优于真空管太阳能集热器。目前，平板型太阳能集热器热效率一般为60%，而真空管太阳能集热器的热效率一般为50%。集热器内的水温处于 50以下时，平板型集热器的瞬时热效率大于真空管集热器。而普通太阳能集热器的温度一般为中温或低温，所以普通的太阳能集热器在运行时，平板型集热器的瞬时效率要高于真空管集热器。故选择平板型集热器。4.2 平板集热器面积的确定 根据GBT 18713-2002 太阳能热水系统设计、安装及工程验收技术规范A1直接系统的集热器总面积：集热器采光面积可根据用户的每日用水量和用水温度确定，按式(A1)估算：式中：AC直接系统集热器采光面积，m2 QW日均用水量，kg；CW水的定压比热容，kJ/（kgC）；tend储水箱内水的终止温度，C；ti水的初始温度，C；JT当地春分或秋分所在月集热器受热面上月均日辐照量，kJ/m2；f太阳能保证率，无量纲；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数综合考虑确定，宜为 30%80%；cd集热器全日集热效率，无量纲；根据经验值取 0.400.55,。L管路及储水箱热损失率，无量纲；根据经验值取 0.20.25。日均用水量：QW=150kg*8*6=7200kg；水的定压比热容：CW=4.2kJ/(kgC)；储水箱内的水的终止温度：tend=；自来水温度：ti=15；昆明地区集热器采光面上的年平均日辐照量查表可得：JT=14.63103kJ/m2；太阳能保证率：f=70%；平板集热器平均集热效率：cd=50%；管路及储水箱热损失率：L=25%将以上值带入（A1）公式中可得系统集热器的采光面积：Ac=135.0m2 每个平板集热器的面积 S=2m2；所需集热器的个数：；4.3 集热器定位 图 2 集热器安装示意图 4.3.1 集热器定向 集热器摆放面为正南方位。4.3.2 集热器安装倾角 根据昆明气候条件，月平均日辐照量及 GBT 18713-2002 太阳能热水系统设计、安装及工程验收技术规范等综合考虑，集热器的安装倾角设为 30。集热器安装的垂直高度：H=2=1m 2m m 1m 1.2m 4.3.3 集热器排列间距 昆明地区维度：25 12 月份平均赤维角：将即为 12 月 10 日带入上式得：时角：以当地中午 12 点算 昆明地区 12 月份 9 点钟的太阳高度角：=0.669=42 为了避免遮挡，集热器距离遮光物的距离：=11.11m 取 D=1.2m 4.3.5 集热器阵列 共需 135 个平板型集热器，每排并联集热器数 10 个，共需 14 排。五、水箱设计 5.1 水箱容积的确定 对于太阳能热水系统，由于太阳能资源的不确定及不稳定性，为满足用户24 小时用水要求，根据实际情况，考虑储热水箱水量、太阳集热功率和用户用水量之间的关系，太阳能热水系统宜设计为集热水箱和储热水箱组合式系统。该系统水箱有效容积应为 7.2t，故将储热水箱容积设计为 8t，集热水箱容积设计为 2t，自来水中的水进过集热器被加热到一定温度后，先进入集热水箱，当集热水箱中的水储存满后，再由循环泵送入储热水箱(罐)中以供用户使用,辅助热源与储热水箱连接，太阳辐照量不足的情况下，系统控制供热水箱中的辅助热源对储热水箱中的水加热。5.2 水箱形状的设计 5.21 集热水箱的设计 集热水箱设计公式：；集热水箱半径：R=0.63m 集热水箱高度：H=1.75m 集热水箱容积：V=2.0m3 5.22 储热水箱容积设计 储热水箱设计公式：；储热水箱半径：R=1.01m 储热水箱高度：H=2.35m 储热水箱容积：V=5.3 水箱材料的选择 集热水箱：内胆：采用进口 SUS304 食品级不锈钢 0.6mm 板材，亚弧焊接而成，外皮：为0.4mmSUS202 彩钢板装饰，保温层：50mm 厚聚氨酯发泡保温。储热水箱：内胆：采用进口 SUS304 食品级不锈钢 0.8mm 板材，亚弧焊接而成，外皮：为0.6mm SUS202 彩钢板装饰，中间层：50mm 厚聚氨酯发泡保温。5.4 水箱位置的选择 集热水箱放置在有足够承载能力的房顶梁柱上，于集热器同一高程，设置有上下水管和紧急排水通道，水箱与地面间做防水处理。储热水箱与辅助热源、控制系统一起设置在楼层的底部。六、辅助热源加热系统设计 6.1 辅助能源的选择 太阳能热水系统的辅助能源加热系统有多种形式，实际设计中应根据用户的实际情况，操控方便性综合考虑。目前常见的辅助能源加热形式有：内置式电加热器、电锅炉、燃气锅炉、热泵、燃油锅炉和燃煤炉。由于燃煤锅炉和燃油锅炉会产生较大的污染，对小区的环境造成很大的影响，下面我们只对内置式电加热器、热泵、天燃气锅炉等三中形式的辅助热源的经济效益、安全及操控方便性进行综合分析，从而选择合理的辅助热源方案。表 2 辅助热源经济分析 辅助加热方式 内置式电加热器 燃气锅炉 空气源热泵 能源种类 电 天然气 电 安全指数 较危险 危险 安全 实际热值 817 千卡/kwh 6450 千卡/m3 3870 千卡/kwh 燃料价格 0.6 元/kwh 3.5 元/m3 0.6 元/kwh 日消耗燃料 1107kwh 140 m3 233 kwh 日运行费用 664 491 140 年能源费用 60590 44803.7 12775 10 年热泵节约费用 478150 320287 注：制热工作状况为：进水温度 15，出水温度 45以上。表中每天用水量为 7.2 吨，热水温度为 45、升温 30为例计算，燃料价格按市场价为参考，电费 0.6 元/度；太阳能按每年 25%阴雨天气进行辅助能源加热计算。6.2 辅助热泵功率 辅助能源加热系统的功率单位一般为 kW，单位时间转换的能量为 kW,根据能量守恒定律我们可以得到如下计算公式；式中 P辅助能源加热系统的功率，kW；T辅助能源加热系统的工作时间，h；辅助能源加热系统的效率，%；水的定压比热容，=4.1868kj/(kg);储热水箱水的温升，；被加热水的质量，kg。需加热水的质量：=7200kg；水被加热升高的温度：=30；加热时间：T=8h；转化效率：=1；热泵的功率：P=31.2KW。6.3 热泵的选型：由上式计算可知,为了达到热水用量设计要求，主机能力不应小于 31.2KW，故选择 1 台 RSJ-380/S-820 热泵机组，总制热量为 38.5KW，故满足设计要求。6.4 工作示意图 图 3 空气源热泵工作示意图 如果遇到阴雨天气，太阳辐照度不足，这时产水量不足以满足用户的使用要求，需要空气源热泵辅助加热。当检测到储热水箱中的水低于 45，或低于水位下限时，集热水箱的控制阀门开启，水从集热水箱中全部流入储热水箱中，打开自来水控制阀，将集热器中的水循环至储热水箱中，直至水箱水满为止，同时检测储热水箱中的水温，当水温低于 45时，控制辅助热源空气源热泵启动加热，当储热水箱中的水温达到50时，加热停止。七、管路系统设计 7.1 管路系统示意图 图 5 机械循环热水供应系统示意图 系统运行原理：图中红色线代表供水管路，绿色线代表回水管路，储热水箱中的水经过水泵加压后，送入恒温热水器，恒温热水器将储热水箱中的热水与自来水中的冷水混合后送出恒温恒压的热水供给用户使用，剩余的水经过绿色管路循环回到储热水箱，循环利用。热水循环管路中设有温度传感器和压力传感器，当温度传感器检测到热水管路中的热水温度低于 38时，控制循环水泵启动，将管路中的冷水循环至储热水箱中，再将储热水箱中的热水循环至管路中，用户用水即热。八、水泵的选型 水泵选型为广东凌霄 BJZ100 不锈钢 1KW 自吸清水泵。BJZ 系列自吸泵，自吸性能高达 9 米，泵体及泵轴采用 SUS304 不锈钢，机械式轴封，射流器、导叶采用高强度耐热工程塑料，设计轻巧美观、耐腐蚀、不生锈、寿命长、高扬程。适用于输送纯净水、清水、海水、弱腐蚀性液体，液体温度小于 60 度，符合饮用水卫生标准。其参数为：额定扬程：20m 最大扬程：36m 额定流量：1.5m2/h 最大流量：3m2/h 电源参数：220V/50HZ 价格：650 元/台 九、工程预算 9.1 平板集热器的选型及价格 Solera 今喜来太阳能平板集热器 价格：860 元/台 图 6 平板热水器 表 3 Solera 今喜来太阳能平板集热器技术参数 集热器类型 工程类 型号 P-G/0.6-L/HG-1.88-1 外形尺寸（mm）2000*1050*80 重量 34kg 有效采光面积 1.88m2 制造标准 GB/T6424-2007 集热器流道 类型 H 型/支管竖置 材料 无氧铜 流道 10mm*0.8*8 制造工艺 钎焊 工作压力 0.8MPa 吸热板 材料 整板铝 涂层 进口蓝膜 颜色 蓝色 吸热面 1960*960（mm)厚度 0.4mm 吸收率 95%发射率 12%焊接工艺 激光焊接 玻璃 类型 地铁、布纹、铜化玻璃 含铁量 0.01%透光率 透光率91.6%，达到 ANS1297-1975，BS6206A 和 JIS R3206 标准 厚度 3.2mm 保温层 类型 玻璃纤维棉和聚酯棉 保温规格 厚度：40mm 密度：40kg/m3 厚度：45mm 密度：40kg/m3 类型 标准 镀铝锌板外壳 材料 接口 连接口 22mm25mm 单价 860 元 合计 860*68=58480 元 9.2 水箱的选型及价格 图 7 水箱 表 4 哈密瓜保温水箱技术参数 品牌 哈密瓜保温水箱 集热水箱 热损性能 环境温度 10情况下 24 小时水温度降幅 35 容积 2t 尺寸 1260mm*H1750mm 内胆 材料 SUS304 厚度 0.6mm 外胆 SUS202 0.4mm 保温层 聚氨酯 50mm 价格 2100 元 储热水箱 热损性能 环境温度 10情况下 24 小时水温降幅 35 容积 8t 尺寸 2020mm*H2350mm 内胆 材料 SUS304 厚度 0.8mm 外胆 SUS202 0.6mm 保温层 聚氨酯 50mm 价格 5600 元 合计 7700 元 9.3 空气源热泵的选型及价格 表 5 美的空气源热泵技术参数 品牌 美的空气能热水机 型号 RSJ-380/S-820 制热量 kW 38.5 额定功率 kW 8.7 出水温度 （默认）55，4860范围内可调 电能规格 380V 3N50/60Hz 运行控制 可手动、自动开关机，有多重保护和故障报警功能 价格 35000 元 图 8 美的空气源热泵 9.4 工程报价汇总 表 6 工程项目投资汇总 项目名称 备注 数量 单价/元 总价/元 集热器 P-G/0.6-L/HG-1.88-1 68 台 860 58480 空气源热泵 RSJ-380/S-820 1 台 35000 35000 集热水箱 哈密瓜保温水箱 1 个 2100 2100 储热水箱 哈密瓜保温水箱 1 个 5600 5600 控制系统 智能控制 1 套 2500 2500 信号线、电源线 国标 1 项 1200 1200 热水循环泵 BJZ100 2 台 650 1300 控制泵 朗能 2 台 700 1400 管道管件及辅材 国标 1 项 5000 5000 管道保温材料 橡塑材料 1 项 1500 1500 运输及吊装费用 1 项 3000 3000 安装费用 1 项 5000 5000 合计 122080 元