太陽能熱水循環(huán)系統(tǒng)在住宅宿舍樓中的應用

1、<p>　　太陽能熱水循環(huán)系統(tǒng)在住宅宿舍樓中的應用</p><p>　　摘要：隨著有限的礦產(chǎn)資源利用越來越少，而經(jīng)濟社會的發(fā)展將會越來越快，礦產(chǎn)資源利用對環(huán)境污染也比較嚴重，兩者之間的矛盾已十分突出，如何充分利用好自然資源，達到節(jié)能、環(huán)保要求，對加快社會經(jīng)濟發(fā)展、保護環(huán)境、提高人民群眾的生活水平有著舉足輕重的作用，太陽能技術(shù)的研究和應用就是其中一個方面，本文就太陽能熱水系統(tǒng)在住宅樓中的應用進行了探討。

2、</p><p>　　關(guān)鍵詞：太陽能 熱水循環(huán)節(jié)能環(huán)保 </p><p>　　中圖分類號：TE08文獻標識碼： A </p><p><b>　　引言 </b></p><p>　　隨著世界人口的增加，礦產(chǎn)資源的過度開發(fā)，可利用的礦產(chǎn)資源越來越少，礦產(chǎn)資源的消耗帶來的污染也越來越嚴重，本著節(jié)約資源、降低能耗、減少環(huán)境污染

3、的思想，特別是進入21世紀以來，社會的經(jīng)濟的發(fā)展和科學技術(shù)水平的提高，建筑也向著節(jié)能、環(huán)保的方向迅速發(fā)展，其中太陽能環(huán)保、節(jié)能、經(jīng)濟的特性得到了充分的應用，太陽能的技術(shù)的應用早已成為世界各國科學家研究的課題，其中太陽熱水器已進入千家萬戶，方便了廣大老百姓的生活，但是，目前太陽能熱水器絕大數(shù)為一家一戶獨立單獨的簡單的小系統(tǒng)，熱源、水源（熱水未能循環(huán)，開始使用需將管內(nèi)冷水放盡才到熱水）浪費也較大，而未形成集中統(tǒng)一的大型、復雜、多功能、更節(jié)能

4、、更環(huán)保的熱水供應系統(tǒng)，在公共住宅建筑中（如學校宿舍樓、大型賓館的熱水供應系統(tǒng)還采用鍋爐燒水供應）未能得到充分利用。 </p><p>　　中國科學院研究生院（現(xiàn)更名為中國科學院大學），新園區(qū)學生宿舍的熱水供應擬采用太陽能熱水集中、統(tǒng)一供水、熱水循環(huán)，且進行遠程控制的供應系統(tǒng)。且其設計設想如下： </p><p><b>　　一、工程概況 </b></p>

5、<p>　　1、中國科學院研究生院新園區(qū)5標段，總建筑面積：79000平米，由A、B、C、D、E五個組團及三食堂組成，層數(shù)6-9層，共計478間宿舍，可容納4300名學生住宿。遠程控制室及泵房擬設在三食堂地下設備房。 </p><p>　　2建筑狀況：樓頂建筑為平頂； </p><p>　　3用水類型：學生宿舍沐浴及生活用水； </p><p>　　4

6、熱水用量：每人每日熱水定額為50L計算 </p><p>　　本工程分為A區(qū)、B區(qū)，其中A區(qū)為2棟樓，B區(qū)為3棟樓，考慮到屋面上集熱器實際擺放數(shù)量以及熱水用量的需求，現(xiàn)將實際熱水用量設置如下： </p><p>　　A區(qū) A1號樓，日熱水用量20噸； </p><p>　　A2號樓，日熱水用量20噸。 </p><p>　　B區(qū) B1號樓，共

7、計3個單元，每單元日熱水用量12噸； </p><p>　　B2號樓，共計3個單元，每單元日熱水用量12噸； </p><p>　　B3號樓，共計2個單元，每單元日熱水用量12噸； </p><p>　　5用水方式：24小時用熱水； </p><p>　　6熱水溫度：55℃，溫度也可以調(diào)節(jié)； </p><p>　　7控

8、制系統(tǒng)：智能控制器控制。 </p><p><b>　　二、、設計說明: </b></p><p>　　根據(jù)國家節(jié)能減排及綠色工房的相關(guān)要求，本工程學生宿舍擬配套建設太陽能熱水系統(tǒng)，宿舍屋頂安裝集熱器及水箱，利用太陽能加熱水，用于學生沐浴及生活用水。 </p><p>　　設計為24小時供應熱水，熱水設計水溫為55℃（可調(diào)）。系統(tǒng)主要由太陽能集

9、熱器、儲熱水箱、循環(huán)管路及水泵、控制系統(tǒng)組成。其中太陽能集熱器、太陽能集熱水箱均安裝在建筑的屋頂，實現(xiàn)一體化結(jié)構(gòu)，整套熱水系統(tǒng)由智能控制器控制，自動化運行，可實現(xiàn)無人值守。 </p><p><b>　　工程設計要點： </b></p><p>　　1.建筑與太陽能一體化 ： </p><p>　　考慮太陽能與建筑結(jié)構(gòu)匹配，外觀美觀大氣，使用輕

10、鋼結(jié)構(gòu)作支架，斜坡類型、顏色、尺寸盡可能接近，不出現(xiàn)設計缺陷，整體建筑風格應保持一致。 </p><p>　　2.建筑自身負荷： </p><p>　　太陽能平均負荷約為70kg／㎡，加之輕鋼結(jié)構(gòu)對屋面都產(chǎn)生一定影響，所以設計時盡量考慮全面，避免屋面沉降；其次，屋面與輕鋼結(jié)構(gòu)接觸，考慮與隔熱防水層銜接完好。 </p><p>　　3.太陽能與輕鋼結(jié)構(gòu)聯(lián)接盡可能考慮鏍

11、栓聯(lián)接，接口做過防銹處理，鏍栓鏍帽使用不銹鋼或熱鍍鋅材料。 </p><p>　　4.太陽能售后檢修通道，日常維護通過應考慮檢修通道便于檢修。 </p><p>　　5.太陽能與鋼結(jié)構(gòu)防風、防雷擊、防銹蝕。太陽能主機，聯(lián)箱，管道，鋼結(jié)構(gòu)支架等進行防銹處理；同時建筑結(jié)構(gòu)應考慮防臺風的增強措施，太陽能在建筑頂層，防雷擊措施到位。 </p><p>　　三、太陽能系統(tǒng)運行

12、原理 </p><p>　　1.水位上水:系統(tǒng)采用水位上水方式，即當儲熱水箱水位低于最低水位h1時，上水電磁閥F1開啟，向水箱內(nèi)進水，當水位達到h2時，系統(tǒng)處于滿水狀態(tài)，即可進入集熱過程。 </p><p>　　2.溫差循環(huán):當儲熱水箱達到最高水位h2后，上水電磁閥F1不再開啟,系統(tǒng)自動比較集熱器出口水溫T1與儲熱水箱出口水溫T2，當T1-T2>8°C時，集熱循環(huán)泵P1自動

13、開啟溫差循環(huán)，當T1-T2<2°C時，集熱循環(huán)泵P1停止。 </p><p>　　3.快速補水:如果用水量較大集熱器產(chǎn)水量不能滿足要求，儲熱水箱水位不斷下降至最低警戒水位h1時，上水電磁閥F1打開，系統(tǒng)快速補水，避免系統(tǒng)斷水。若上水電磁閥F1出現(xiàn)故障，系統(tǒng)無法正常補水時，可開啟手動補水閥F2通過浮球閥進行補水控制。 </p><p>　　4.保溫循環(huán):用戶供熱管路設置自動增

14、壓循環(huán)泵，在保證系統(tǒng)管路壓力的恒定也能保證管路內(nèi)水溫的恒定。當熱水回水管管路水溫T5低于40℃時，回水電磁閥F3打開，進行保溫循環(huán)，當T4升至45℃時，回水電磁閥F3關(guān)閉，待管路內(nèi)壓力恢復設定值時水泵停止循環(huán)，保證用戶端水溫、水壓的恒定。 </p><p>　　5.防凍循環(huán)：當室外管路水溫T3低于6°C時，集熱循環(huán)泵自動啟動進行防凍循環(huán)，T3升至8°C時，停止循環(huán)，保證室外管路冬季不發(fā)生冰凍危

15、險。 </p><p>　　四、太陽能系統(tǒng)設計計算 </p><p>　　1、系統(tǒng)集熱面積的確認 </p><p>　　（1）設計用氣象參數(shù) </p><p>　　從上圖可看出，北京屬于我國太陽能資源II類地區(qū)，地理位置：北緯39°56′；年平均日太陽輻照量：16.014MJ/ m2； </p><p>　　

16、（2）太陽能集熱系統(tǒng)面積的確定： </p><p>　　太陽集熱器數(shù)量的確定（以春秋季節(jié)為依據(jù)），水溫要求55℃ </p><p><b>　?。ㄊ健?） </b></p><p>　　——直接系統(tǒng)集熱器采光面積，㎡； </p><p>　　——日均用水量Kg； </p><p>　　——水的密

17、度，0.983kg/L； </p><p>　　——儲水箱內(nèi)水的終止溫度（用水溫度）55℃； </p><p>　　——水的定壓比熱容，4.187KJ/（㎏·℃）； </p><p>　　—— 水的初始溫度，5℃； </p><p>　　——集熱器受熱面上年均日輻照量，16014KJ/m2 </p><p>

18、　　——太陽能保證率，無量綱， 0.5； </p><p>　　——集熱器全日集熱效率，無量綱，0.55； </p><p>　　——管路及儲水箱熱損失率，無量綱，0.2； </p><p>　　本工程擬系統(tǒng)采用U型管式集熱器，型號為U1858-30，太陽能集熱器的規(guī)格為φ58×1.8米×30支，每組集熱器30支集熱管，每支集熱管的集熱面積為0.

19、16㎡，每組集熱器集熱面30×0.16＝4.8m2。 </p><p>　　根據(jù)屋面的實際擺放情況，各樓集熱器擺放數(shù)量如下： </p><p>　　A區(qū) A1號樓，日熱水用量20噸，設置集熱器60組，集熱面積為288㎡； </p><p>　　A2號樓，日熱水用量20噸，設置集熱器60組，集熱面積為288㎡； </p><p>　　

20、B區(qū) B1號樓，一單元日熱水用量12噸；設置集熱器30組，集熱面積為144㎡， </p><p>　　二單元日熱水用量12噸；設置集熱器28組，集熱面積為134.4㎡， </p><p>　　三單元日熱水用量12噸；設置集熱器30組，集熱面積為144㎡， </p><p>　　B2號樓，一單元日熱水用量12噸；設置集熱器30組，集熱面積為144㎡， </p&g

21、t;<p>　　二單元日熱水用量12噸；設置集熱器28組，集熱面積為134.4㎡， </p><p>　　三單元日熱水用量12噸；設置集熱器30組，集熱面積為144㎡， </p><p>　　B3號樓，一單元日熱水用量12噸；設置集熱器30組，集熱面積為144㎡， </p><p>　　二單元日熱水用量12噸；設置集熱器30組，集熱面積為144㎡， &

22、lt;/p><p>　?。?）集熱器的布置 </p><p>　　1）采用串并聯(lián)方式，集熱器采用串并聯(lián)的連接方式，通過角鋼支架傾角約15度左右敷設于屋面集熱器基礎(chǔ)上。 </p><p>　　2）集熱器組前后排擺放時，為了放置前排的太陽能集熱器不遮擋后排必須使得后排集熱器不在前排集熱器的投影里。 </p><p>　　3）集熱器安裝平臺：本工程安裝

23、在建筑的樓頂上，在屋面上預置混凝土基礎(chǔ)，在此基礎(chǔ)上搭建鋼結(jié)構(gòu)支架（與預埋在基礎(chǔ)上的金屬構(gòu)件焊接）作為太陽能集熱器的安裝平臺。 </p><p>　　4）太陽能集熱器的連接組合：對于強制循環(huán)系統(tǒng)，太陽能集熱器采用串聯(lián)、并聯(lián)相結(jié)合的方式進行連接。 </p><p>　　2、太陽能循環(huán)泵設計： </p><p>　　1）水泵選擇：水循環(huán)泵 </p><

24、p>　　2）型號選擇：根據(jù)施工現(xiàn)場的條件，結(jié)合現(xiàn)場情況，查看威樂水泵揚程流量曲線，各個系統(tǒng)選擇水泵型號為： </p><p>　　A區(qū)：A1、A2號樓的20噸熱水系統(tǒng)分別設置兩個循環(huán)系統(tǒng)，則每個循環(huán)系統(tǒng)的集熱循環(huán)泵為PH-251E——輸入功率為500W，全揚程為7.5m，最大流量為13.8T/h，電源220v。 </p><p>　　B區(qū)：B1樓由3個單元組成，B2樓由3個單元組成、

25、B3樓由2個單元組成，現(xiàn)將每個單元作為一套獨立的熱水系統(tǒng)設置，每單元用水量為12噸，則集熱循環(huán)泵為PH-251E——輸入功率為500W，全揚程為7.5m，最大流量為13.8T/h，電源220v。 </p><p>　　型號 電源 功率（W） 揚程（m) 流量（l/min) 管徑（mm） 重量（kg) </p><p>　　輸入 輸出 最大 額定 最大 額定 </p><

26、p>　　PH-251E 220V/50Hz 410 250 7.5 4 230 190 65 17 </p><p><b>　　3、系統(tǒng)管路設計 </b></p><p>　　1、管材選型：選用襯塑復合管。 </p><p>　　2、管徑確定：由上述所計算的集熱器循環(huán)流量及流速要求，太陽能集熱循環(huán)管路的管徑為：DN50； </p&

27、gt;<p>　　3、管路保溫：采用橡塑保溫棉材料，室外明露部分管路保溫棉外包鋁皮防護。 </p><p><b>　　4、儲熱水箱設計 </b></p><p>　　A區(qū)：A1、A2號樓的分別設置1個20噸水箱。 </p><p>　　B區(qū)：B1、B2、B3樓的每單元分別設置1個12噸水箱。 </p><p&

28、gt;　　水箱形式為不銹鋼方形拼裝水箱，保溫材料為聚氨酯發(fā)泡保溫，厚度5cm。 </p><p>　　保溫材料性能：聚胺脂發(fā)泡性能表 </p><p><b>　　參數(shù) </b></p><p>　　性 能 測試標準 單位 測試說明 測試結(jié)果 備注 </p><p>　　密度 GB6343-86 Kg/m3 —— 35.

29、82 </p><p><b>　　壓縮 </b></p><p>　　強度 GB8813-88 Kpa —— 172.5 </p><p><b>　　導熱 </b></p><p>　　系數(shù) GB10295-88 W/Mk 熱板溫度25℃ </p><p><b&g

30、t;　　冷板溫度 5℃ </b></p><p>　　平均溫度15℃ 0.0193 </p><p><b>　　尺寸 </b></p><p>　　穩(wěn)定性 GB8811-88 % 方向 </p><p>　　條件 L W T 平均值 L：長度 </p><p><b>　　

31、W: 寬度 </b></p><p><b>　　T: 厚度 </b></p><p>　　-20℃，24h 0.23 0.18 0.46 0.30 </p><p>　　100℃，24h 0.63 0.46 0.69 0.60 </p><p>　　閉孔率 GB10799-89 % 體積膨脹法23℃ 95.

32、10 </p><p>　　5、輔助熱源的確立 </p><p>　?。?）、空氣源熱泵輔助加熱：在太陽能熱水系統(tǒng)中最惡劣的狀況就是連陰天，考慮學生洗浴規(guī)律，選用KRS-17Ⅱ型（5P）熱泵機組5臺。其設備制熱量105KW，輸入功率25KW，小時產(chǎn)水量2250Kg。保證在7個小時內(nèi)能將15噸恒溫水箱中的熱水從基礎(chǔ)溫度10℃加熱到40℃。 </p><p>　?。?）

33、、電加熱：本項目采用外置式水電分離電加熱機組，選用功率為90Kw電加熱機組，分三級控制，連陰天時可保證學生正常用水。 </p><p>　?。?）、熱交換站熱水利用：如果學校建設熱交換站，也可作為太陽能系統(tǒng)的輔助熱源，本熱源運行成本較上兩種都比較經(jīng)濟，可最大程度節(jié)約常規(guī)能源。 </p><p>　　6、控制系統(tǒng)功能的設計（系統(tǒng)運行原理） </p><p>　　（1）

34、電控系統(tǒng)采用自動控制儀表。 </p><p>　?。?）考慮到太陽能系統(tǒng)設置在建筑樓頂，對系統(tǒng)的監(jiān)控比較麻煩，現(xiàn)設計遠距離顯示與簡單控制的太陽能遠程控制系統(tǒng) </p><p>　　系統(tǒng)控制原理如下圖所示： </p><p><b>　　現(xiàn)場信號現(xiàn)場信號 </b></p><p><b>　　控制信號控制信號 &

35、lt;/b></p><p>　　五、主要材料的選用 </p><p>　　1、太陽能集熱器選用“銅鋁復合式”新型U形管式真空管型太陽能集熱器，該集熱器導熱能力墻、得熱量高，熱量轉(zhuǎn)化完全、熱損失小、抗凍能力強； </p><p>　　2、集熱器聯(lián)箱，外側(cè)采用優(yōu)質(zhì)彩鋼板，內(nèi)膽選用優(yōu)質(zhì)不銹鋼，采用優(yōu)質(zhì)聚氨酯，特有的三重保溫芯技術(shù)。 </p><

36、p>　　3、控制系統(tǒng)選用遠程型智能控制柜。 </p><p>　　4、水泵選用太陽能集熱循環(huán)泵和熱水變頻泵，功率根據(jù)計算結(jié)果選擇，需滿足要求，并安裝減振設備。 </p><p>　　5、水管管道及保溫：冷水管 熱水管 均選用天津友發(fā)國標化優(yōu)質(zhì)鋼塑復合管道。外裹橡塑膠保溫棉，以鋁皮外包防護，耐腐蝕，美觀、整潔。 </p><p>　　6、水箱：選用食品級SUS3

37、04不銹鋼板材制作而成，各項指標均符合國家衛(wèi)生標準，進水箱主體不銹蝕，不漏水，不滋生藻類。確保水源無二次污染。水箱保溫采用5CM厚的聚氨酯發(fā)泡，可保證儲熱水箱保溫。 </p><p><b>　　六、系統(tǒng)安全要求 </b></p><p>　　防風雪 系統(tǒng)支架為整體結(jié)構(gòu)，并與樓面預留的地墩固定，承重基礎(chǔ)做好防水。 </p><p>　　防凍 系

38、統(tǒng)室外水管和循環(huán)上水管安裝有自限溫電伴熱帶，可保證冬季不凍。 </p><p>　　防雷擊 系統(tǒng)如不在原建筑防雷設施防護區(qū)內(nèi)，按相關(guān)標準做防雷設施。 </p><p>　　防冰雹 系統(tǒng)配置的真空管可抗擊Φ2.5CM冰雹。 </p><p>　　防漏電 采用漏電開關(guān)和接地雙重保護，確保用電安全。 </p><p>　　防水垢 在系統(tǒng)管路上安裝阻

39、垢劑裝置，并控制熱水溫度不超過60℃。 </p><p>　　防滲漏 嚴格按施工工藝要求做好防水防滲工序。 </p><p>　　承重 根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)情況，水箱放在預留承重梁上，集熱器放在承重水泥基礎(chǔ)上（由結(jié)構(gòu)設計單位驗算結(jié)構(gòu)頂板承載力）。 </p><p><b>　　七、結(jié)束語 </b></p><p>　　面向未來，