太阳能热水系统工程设计

新能源科学与工程专业课程设计说明书设计题目：大理大学学生宿舍楼太阳能热水系统工程设计学生：学号：指导教师：完成日期：2015年10月12日～10月23日河北工程大学城市建设学院2015年10月I目录设计任务书·······························································································1第一章绪论·······························································································3第二章太阳能热水系统基本设计参数的确定···················································52.1用水额度的确定··········································································52.2进水温度的确定··········································································5第三章耗热量与热水量计算········································································73.1耗热量与热水量计算····································································73.2设计小时耗热量、热水量计算························································8第四章集热器总采光面积确定·····································································94.1集热器全日集热效率η的确定······················································94.2太阳能保证率的f的确定····························································114.3直接式太阳能热水系统的集热器总采光面积····································11第五章集热器的定位·················································································115.1集热器安装方位角和倾角····························································115.2集热器的布置间距·····································································125.3集热器的连接·········································································13第六章贮热水箱与辅助热源的设计·······························································14第七章太阳能热水系统的设计计算·······························································177.1太阳能热水供应系统的设计计算···················································17第八章太阳能热水系统的管材、附件以及主要附属设备···································188.1热水系统的管材········································································208.2热水系统的主要附件··································································208.3热水系统的主要设备··································································22第九章太阳能热水系统的自动化控制····························································24第十章经济分析·······················································································25参考文献································································································261设计任务书一、设计题目大理大学学生宿舍楼太阳能热水系统工程设计二、设计任务为大理大学的一栋学生宿舍进行太阳能热水系统工程设计，根据学生规模、所在区域用水定额、规范要求等确定热水量与耗热量，提出具体可行的实施方案并进行太阳能集热器、水泵等设备选型。三、设计内容和基本要求①基础数据调查和用水定额确定；②耗热量和热水量的计算；③确定太阳能热水系统和集热器选型；④选择集热循环泵的扬程和流量并选型；⑤系统设计方案图；⑥列出参考资料；⑦完成设计说明书与平面布置图（要求各部件配有照片或者图纸，生产厂家，型号及价格）。四、设计原始资料(一)地理位置及平面布置区域大理大学位于云南省大理市大理古城，东经E100°16′，北纬N25°67′，海拔1992m。宿舍楼顶可用于铺设太阳能热水系统，长27米，宽20米。(二)学生宿舍楼基本数据学生人数300，宿舍内设置独立淋浴间，每层楼设有公共洗衣房。(三)气象资料常年气象参数统计如下：1.气温：年平均气温15.5℃，全市极端气温最高为20.0℃，极端最低气温为9.0℃。2.风向：大理市主导风向夏季为西南风，冬季为西南风或偏西风。3.降水量：年降水量在1100-1600mm之间。24.冰冻深度0cm，无霜期365d。5.逐月平均气温及太阳总辐射量见下表。表1逐月平均气温及太阳总辐射量(四)工程地质资料1、地基状况良好，地基承载力特征值130KPa。2、设计地震烈度8度。1月2月3月4月5月6月7月8月9月10月11月12月平均累计月平均气温（℃）9.011141618201919181612915/月平均太阳总辐射(MJ/m2)3924155175655615104854884454353863764645576月平均直接辐射(MJ/m2)2172532051191552061932315月平均散射辐射(MJ/m2)1752633553652891792713260注：本数据源自《建筑用标准气象数据手册》及《中国建筑热环境分析专用气象数据》气象数据。3第一章绪论太阳能热水系统是利用太阳能集热器，收集太阳辐射能把水加热的一种装置，是目前太阳热能应用发展中最具经济价值、技术最成熟且已商业化的一项应用产品。太阳能热水系统的分类以加热循环方式可分为：自然循环式太阳能热水器、强制循环式太阳能热水系统、储置式太阳能热水器等三种。使用太阳能热水系统有益于：1.环保效益——相对于使用化石燃料制造热水，能减少对环境的污染及温室气体－二氧化碳的产生。2.节省能源——太阳能是属于每个人的能源，只要有场地与设备，任何人都可免费使用它。3.安全——不像使用瓦斯有爆炸或中毒的危险，或使用燃料油锅炉有爆炸的顾虑，或使用电力会有漏电的可能。4.不占空间——不需专人操作自动运转。另外，太阳能集热器装在屋顶上，不会占用任何室内空间。5.具经济效益——正常的太阳能热水器是不易损坏，寿命至少在十年以上，甚至有到二十年的，因为基本热源为免费的太阳能，所以使用它十分符合经济成本效益。太阳能热水系统有以下几方面组成：1.集热器系统中的集热元件，其功能相当于电热水器中的电加热管。和电热水器、燃气热水器不同的是，太阳能集热器利用的是太阳的辐射热量，故而加热时间只能在有太阳照射的白昼，所以有时需要辅助加热，如锅炉、电加热等。2.保温水箱和电热水器的保温水箱一样，是储存热水的容器。因为太阳能热水器只能白天工作，而人们一般在晚上才使用热水，所以必须通过保温水箱把集热器在白天产出的热水储存起来。容积是每天晚上用热水量的总和。采用搪瓷内胆承压保温水箱，保温效果好，耐腐蚀，水质清洁，使用寿命可长达20年以上。3.连接管路将热水从集热器输送到保温水箱、将冷水从保温水箱输送到集热器的通道，使整套系统形成一个闭合的环路。设计合理、连接正确的循环管道对太阳能系统是否能达到最佳工作状态至关重要。热水管道必须做保温防冻处理。管道必须有很高的质量，保证有20年以上的使用寿命。4.控制中心太阳能热水系统与普通太阳能热水器的区别就是控制中心。作为一个系统，控制中心负责整个系统的监控、运行、调节等功能，的技术已经可以通过互联网远程控制系统的正常运行。太阳能热水系统控制中心主要由电脑软件及变电箱、循环泵组成。5.热交换器板壳式全焊接换热器吸取了可拆板式换热器高效、紧凑的优点，弥补了管壳式换热器换热效率低、占地大等缺点。板壳式换热器传热板片呈波状椭圆形，圆形板片增加热长，大大提高传热性能。广泛用于高温、高压条件的换热工况。1.按太阳能集热器的类型分类4平板太阳能热水系统---采用平板集热器的太阳能热水系统；真空管太阳能热水系统---采用真空管集热器的太阳能热水系统；U型管太阳能热水系统---采用U型管集热器的太阳能热水系统；热管太阳能热水系统---采用热管集热器的太阳能热水系统。陶瓷太阳能热水系统---采用陶瓷太阳能集热器的太阳能热水系统。2.按储水箱的容积进行分类根据用户对热水供应的需求，确定储水箱的容量。按照储水箱的容积，系统可分为：家用太阳能热水系统---储水箱容积小于0.6m³的太阳能热水系统，通常亦称为家用太阳能热水器；公用太阳能热水系统---储水箱容积大于等于0.6mm³的太阳能热水系统，通常亦称为太阳能热水系统。优点：①物理、化学和热水学性质很稳定，人们对它了解得十分清楚，使用技术最成熟；②可以兼作蓄热介质和传热介质，在储热系统内可以免除热交换器；③传热及液体特性相当好，在常用液体中，其比热容最大，热膨胀系数较小，黏滞性小，很适合于自然循环和强制循环；④液态－气态平衡时的温度－压力关系十分关系十分适用于平板太阳能集热器；⑤来源丰富，价格低廉。5第二章太阳能热水系统基本设计参数的确定2.1用水额度的确定在《建筑给水排水设计规范》（GB50015-2009）中热水用水定额等设计参数是根据传统热源如化石能源、城市热力管网以及电力等相关加热设备而制定的。由于用户热水用量随时间段的不同而变化，故规范规定加热设备的加热能力须保证最不利时段的热水用量（即满足最高日最高时的用水量）即可满足供水要求。由于传统加热设备初期投资较少，这项规定是经济可行的。太阳能集中热水系统的与其他传统热源相比，初期投资相对较高，并且其设备的加热能力与初投资费用成正相关。太阳能热水系统的主要特点是产热量随机性较大，其加热能力易受季节变化与阴晴雨天的限制，因此系统必须配备辅助热源才能保证其安全顺利使用。若该热水用水定额按最高日来计算显然不合理。集热器面积Ac和储热设备容积是太阳能热水系统设备选型的主要依据。夏季辐射量超过设计平均值，若按最高日用水量设计，很可能会导致集热器面积过多，集热器空载运行等现象，造成了能源与设备的浪费，因此，人均用水量按新颁布的《