长沙某别墅太阳能供热系统的毕业设计_secret

1 绪论 1 绪论 1.1 课背景及目的 新能源的开发与节能是解决能源短缺的两个关键途径，太阳能供热系统因其突出的节能与环保特点而具有广泛和美好的前景。 随着经济发展和科技进步，世界能源消费量的大幅度增长，能源和环境成为当今世界突出的两大社会问题。人类社会目前消费的能源，包括建筑用能，主要是煤炭、石油和天然气等石化能源。这些能源，资源有限，不可再生，终究要枯竭。而且传统能源，像煤、石油等，会对环境造成严重的污染。我国的能源消耗量大，利用率低，据统计20世纪80年代我国能源系统总的能源利用率只有30％，比国外先进水平低近20个百分点。而且随着生活水平的不断提高，人们对自己居住环境条件的舒适性要求越来越高，从而造成建筑能源的消耗不断增加，据统计建筑能耗已占社会总能耗的30％～50％，太阳能供热系统在建筑中的应用将成为能源利用可持续发展和节约能源的重要措施之一，人们把能源利用的重点转移到可再生能源的开发和利用上来。太阳能以其取之不尽、廉价、安全、无需运输、清洁无污染等特点受到人们的重视，光热、光电、光化学等太阳能利用技术已迅速地发展起来。由于太阳能受季节和天气影响较大、热流密度低，导致各种形式的太阳能直接热利用系统在应用上都受到一定的限制。随着生活水平的提高，热用户对于供热的要求也越来越高，太阳能利用的一些局限性日益显现出来：在太阳辐照时间少的国家和地区，其应用受到很大限制；白天集热板板面温度的上升会导致集热效率下降；而在夜间或阴雨天没有足够的太阳辐射时，无法实现全天候的连续供热，如采用辅助加热方式，势必又要消耗大量的其它能源；其加热周期较长；通常规的太阳热水器需要在房顶设水箱，在夜间气温较低时，储水箱和集热器向外界散热造成大量的热量损失。为克服太阳能利用中的上述问题，人们不断探索各种新的更高效的能源利用技术，太阳能热泵技术在此过程中受到了相当的重视，因其结构简单，工作可靠，效率较高而被广泛采用。因此研究与合理利用太能能热水系统是我国能源开发利用的重要任务。 1.2 目前研究现状 早在20世纪50年代初，太阳能热利用的先驱者Jodan和Therkeld就指出了太阳能热泵的优越性，即可同时提高太阳能集热器效率和热泵系统性能。随后，日本、美国、瑞典、澳大利亚等发达国家纷纷投入了大量的人力、物力对太阳能进行深入的研究与开发，在各地实施了多项太阳能示范工程，例如宾馆、住宅、学校、医院、图书馆以及游泳馆等，取得了一定的经济效益和良好的社会效益。 在能源和环境问题日益严峻的今天，太阳能因其具有显著的节能性和环境友好性，得到了越来越广泛的关注。近年来，土耳其、印度尼西亚等发展中国家也对太阳能热泵进行了大量的研究。在产业化发展方面，美国的Solar King系列太阳能热泵供热设备以及澳大利亚的Quantum系列太阳能热泵热水器等就是比较典型的产品范例。 天津大学、东南大学、青岛建筑工程学院、上海交通大学等先后对太阳能供热系统进行了实验及理论研究，取得了一定的成果。天津大学对串联式太阳能供热水系统进行的实验研究和理论分析明，该系统可以一年四季可靠运行，向用户提供50℃生活热水，COP达到2.64～2.85（冬天），2.61～3.5（夏天）。青岛建筑工程学院对串联式太阳能供暖系统进行了实验研究，该系统具有多功能调节能力，冬季热泵供暖时热泵机组工作稳定，COP平均值达到2.71，具有明显的节能效果[7]。上海交通大学对直膨式太阳能热泵热水器进行了试验研究，该热水器可全天候提供45～50℃生活热水150L，每天耗电量约为1kW·h（夏）～2 kW·h（冬），其分体式结构尤其适合于高层或多层建筑。由于太阳辐射的不连续，在太阳能应用中蓄热是必不可少的。太阳能蓄热根据蓄热量的大小重要分两种：一种为短期蓄热，覆盖需求量的10%-20%，主要用于预热生活水（40%-50%）；另一种为长期蓄热（季节性），蓄热能力可以达到年需求量的50%-80%，可以为房间供暖以及加热生活用水。运用短期蓄热来满足生活热水需求已经开始普及。在欧洲，对太阳能季节蓄热做了大量的研究，并建立了许多实际运用工程。如在德国的Hannover,1350㎡太阳能集热器与2750㎡热水蓄热相结合，可以满足7365㎡供热面积约39%的年供热需求；在Steinfurt，510㎡太阳能集热器与1500㎡砾石-水蓄热相结合，可以满足3800㎡供热面积月34%的年供热需求。 在我国也有相关方面的研究，目前碳氢燃料日渐枯竭的严重形势下，开发太阳能更显得优越性。开发太阳能的最大障碍是它受昼夜、季节、阴晴变化的影响，极具不稳定性。克服这一不足并且高效的使用它是摆在各国科学家面前急迫的课题。迄今为止，已获得大量可喜成就就我国而言，在太阳能利用方面也已获得多项成果。例如太阳能热水的推广与普及，被动式太阳房的改造，等等。但就如何保证冬季夜间不断采暖而言，在这方面的研究并不多见。 1.3 发展趋势 二十世纪50年代，太阳能利用领域出现了两项重大的突破：一是1954年美国诺贝尔实验室研制出6%的实用型单晶硅电池，二是1955年以色列Tabor提出选择性吸收表面概念和理论并研制成功选择性太阳吸收涂层。这两项突破既是太阳能利用进入现代发展时期的跨时代标志，也是人类能源技术又一次变革的技术基础。 70年代以来，鉴于常规能源供给的有限性和环保压力的增加，世界上许多国家掀起了开发利用太阳能的热潮。开发利用太阳能成为各国制定可持续发展战略的重要内容。进三十年来，太阳能利用技术在研究开发商业化生产、市场开拓方面都获得了长足发展，成为世界快速稳定发展的新兴产业之一。包括太阳能在内的可再生能源在下世纪将会以前所未有的速度发展，逐步成为人类的基础能源之一。目前有50多家公司从事光伏发电技术有关的制造业，其中有6个太阳电池制造厂和12个组件生产厂，年生产组件11兆峰瓦。累计装机容量约40兆峰瓦。 由于太阳能资源丰富、清洁无污染，既属于一次能源又属于可再生能源，虽然其能源密度低、能量供应具随机性和间歇性，使太阳能的利用受到一定的限制，但随着技术条件的不断进步，将逐渐解决目前太阳能热泵系统所存在的一些问题，使其理论不断得到完善，从而太阳能将作为辅助热源应用在空调、制冷、供暖等各方面，具有广阔的发展前景。而我国处于利用太阳能较有利的区域内，只要具有一定的技术水平和必要的资金投入就可以自由利用。因此采用太阳能热泵技术不仅会极大的减少我国石化能源的消费量，使我国的能源结构得到优化，实现可持续发展；而且将是解决我国能源和环境问题的重要措施之一，将会成为21世纪暖通行业的主流方向。 2 设计概况及依据 2.1 工程概况 本工程为长沙市一栋两层小型别墅，其中有多功能厅、接待室、车库等功能用途的房间。层高为3.3米，建筑面积约600平米，采暖面积约为500平方米。该系统设计的主要内容是建筑维护结构耗热量的计算，采暖系统以及热水系统的选择与确定，散热器的选择，太阳能集热器面积和蓄热器容积的计算以及水力计算。该工程采用机械循环上供下回双管顺流式太阳能热水供暖系统。 2.2 设计规范及标准 [1] <<采暖通风与空气调节设计规范>>GBJ 19-87 [2] <<通风与空气调节制图标准>>GJ114-88 [3] 《太阳能热水系统设计、安装及工程验收技术规范》GB/T18713-2002 [4] GB/T17049-1997 全玻璃真空集热器 [5] GBJ15-88 建筑给排水设计规范 2.3 设计参数 2.3.1 室外气象参数 纬度：北纬：28， 东经：113.08； 冬季大气压力为1019.9Pa； 冬季：采暖室外计算(干球)温度为0℃； 最低日平均温度为-6.9℃； 室外平均风速为Vw=2.8 m/s； 最冷月相对湿度：81%； 日照率为27%。 2.3.2 室内设计温度参数 表2-1 室内设计参数 房间功能 多功能厅 卧室 接待室 车库 工人房 公卫 室内设计温度(℃) 18 18 18 5 16 20 2.4 围护结构依据 为了保证室内人员的热舒适性要求，根据室内空气温度与围护结构内表面的温差要求来确定围护结构的最小传热阻。 为验证围护结构的热阻满足最小传热阻的要求，本设计先计算出不同围护结构类型下，对应不同室内计温度的最小传热阻，再根据围护的结构来计算需求多少厚度的保温层才能满足需要。其不同室温下的最小传热阻如下表所示： 表2-2 长沙地区不同室内设计温度下的最小传热阻 围护结构类型 冬季围护结构室外计算温度的计算公式 冬季围护结构室外计算温度(℃) 室内计算温度为18℃的最小热阻 (m2·℃/W) 室内计算温度为20℃的最小热阻 (m2·℃/W) I 0 0.345 0.383 II -2.7 0.398 0.435 III -4.83 0.525 0.571 计算冬季围护结构室外计算温度 时，围护结构类型类不同选择的公式也不同。式中 为采暖室外计算温度， 为累年最低日平均温度。 Rn （2-1） 式中： ――冬季围护结构室外计算温度，℃； ――采暖室内设计温度，℃； ――根据舒适性确定的室内温度与围护结构内表面的温差，这里取6℃。 计算结果列于表2-2。 某种外围护结构在不同保温层厚度下的隋性和热阻已知外墙结构如图1-1所示，根据式（2-2）、（2-3）计算当取不同砖墙厚度时的热隋性指标和实际传热阻，结果列于表2-4。总结构的热惰性指标按下式计算： （2-2） 式中： ――各层材料的传热阻，m2·℃/W； ――各层材料的畜热系数，W/m2·℃； ――各层材料的厚度，mm； ――各层材料的导热系数，W/m·℃。 总结构的传热热阻按下式计算： m2·℃/W （2-3） 式中： ――内表面换热系数，这里取8.7 W/m2·℃； ――外表面换热系数，这里取23 W/m2·℃。 表2-3 建筑材料的热物特性 建筑材料 厚度δ mm 导热系数λ W/m·℃ 蓄热系数S W/m2·℃ 水泥沙浆 40 0.88 10.79 砖墙 240 1.0 9.86 图2-1 外墙结构 表2-4 不同砖墙厚度的实际传热阻 砖墙厚度mm 240 370 490 总结构的 隋性指标及类型 3.610(III型) 5.296（II型） 6.357（I型） 总结构的实际传阻 m2·℃/W 0.520 0.691 0.849 3 负荷计算 3.1 采暖热负荷计算 3.1.1 围护结构的传热系数 表3-1 围护结构参数表 结构类型 具体结构及参数 传热系数 Kj/( m2*℃) 外墙 外水泥砂浆抹灰加浅色喷浆：20mm 砖墙：240mm 加气混凝土保温层：120 mm 内粉刷加油漆：20mm 0.88 外窗 双层透明中空玻璃，窗高1.8m 3.01 内墙 240mm普通砖墙，两侧有20mm水泥砂浆抹面，涂白色外墙涂料 1 屋面 砖红色粘土装饰瓦屋面，瓦材下面设100mm保温层 二层顶棚 水泥砂浆找平层：20mm 泡沫混泥土保温层：100mm 现浇钢筋混泥土楼板：70mm 麻刀灰抹面：20mm 0.97 外门 单层实木 4.65 外门 双层实木 2.33 内门 单层实木 2.91 一层顶棚 1：2.5水泥砂浆抹面：20mm 现浇钢筋混泥土楼板：70mm 麻刀灰抹面：20mm 窗 铝合金门窗，双层玻璃 3.01 3.1.2 基本耗热量（屋顶、门、墙、地板和窗耗热量）计算 对于本别墅的热负荷计算只考虑围护结构传热的耗热量和冷风渗透引起的耗热量，人员、灯光等得热作为有利因素暂不考虑在热负荷计算当中。 (1) 围护结构基本耗热量按下式计算： （3-1） 式中： K――围护结构的传热系数，W/m2·℃； ――围护结构的面积，m2； ――围护结构的温差修正系数； tn -- 室内空气计算温度, ℃； tw -- 室外供暖计算温度, ℃。 (2) 围护结构附加耗热量： Ql = Qj (1 + βch + βf + βx) ( 1 + βf.g) (3-2) Ql -- 附加耗热量； βch -- 朝向附加率(或称朝向修正系数)； βf -- 风力附加率(或称风力修正系数)； βf.g-- 高度附加； βx -- 外门附加。 《暖通规范》规定：宜按下列规定的数值，选用不同的朝向修正率： 表3-2 朝向修正率 朝向 东、西 南 东南、西南 北、东北、西北 修正率 -5% -15%- -30% -10%- -15% 0%- -10% 风力附加耗热量是考虑室外风速变化而对维护结构基本耗热量的修正。我国大部分地区冬季平均风速为2～3m/s，因此《暖通规范》规定：在一般情况下，不考虑风力附加。只有建在不避风的高地、河边、海岸、旷野上的建筑物，以及城镇厂区内特别突出的建筑物才考虑垂直外维护结构附加5％～10％。 高度附加耗热量是考虑房屋高度对维护结构耗热量的影响而附加的耗热量。《暖通规范》规定：当房间高度大于4m时，高度每高出1m应附加2％，但总的附加率不应大于15％。所以该建筑的外维护结构的耗热量Q¸´： Q¸´＝Qj＋Ql (3-3) （3）冷风渗透耗热量按下式计算： (3-4) 式中： ――经门、窗隙入室内的总空气量，m3/h； ――供暖室外计算温度下的空气密度，kg/m3； ――冷空气的定压比热，这里为1Kj/kg.℃； tn -- 室内空气计算温度, ℃； tw -- 室外供暖计算温度, ℃。 (4) V 的确定: V = l1 L0 pow(m,b) (3-5) L1 -- 外门窗缝隙长度, m ； L0 -- 每米门窗缝隙的基准渗风量, m3 / h.m ； m -- 门窗缝隙的渗风量综合修正系数； b -- 门窗缝隙渗风指数, b = 0.56 ~ 0.78 ； 当无实测数据的时候可以取 b = 0.67。 当无以上及门窗构造相关数据时，可采用换气次数法计算门窗隙缝的冷风渗透量： 窗隙缝的冷风渗透耗热量： Q2=0.28 1 1.4 （tn-tw) k V (3-6) 表3-3 房间换气系数 房间类型 一面外墙有窗房间 二面外墙有窗房间 三面外墙有窗房间 门厅 换气次数k 0.5 0.5-1.0 1.0-1.5 2 （5）冷风侵入耗热量按下式计算： ′1·j·m (3-7) 式中：N――冷风侵入的外门附加率； Q′1·j·m ――外门的基本耗热量， W。 表3-4 修正系数规范 围护结构特征 α 外墙、屋顶、地面以及与室外相通的楼板等 1.00 闷顶和与室外空气相通的非采暖地下室上面的楼板 0.90 与有外门窗的不采暖楼梯间相邻的隔墙（1-6层建筑） 0.60 与有外门窗的不采暖楼梯间相邻的隔墙（7-30层建筑） 0.50 非采暖地下室上面的楼板，外墙上有窗时 0.75 非采暖地下室上面的楼板，外墙上无窗且位于室外地坪以上时 0.60 非采暖地下室上面的楼板，外墙上无窗且位于室外地坪以下时 0.40 与有外门窗的非采暖楼梯间相邻的隔墙 0.70 与无外门窗的非采暖楼梯间相邻的隔墙 0.40 伸缩缝墙、沉降缝墙 0.30 防震缝墙 0.70 该别墅采暖热负荷计算统计结果列于附录A。 4 散热器的选型 4.1 散热器的计算 散热器的散热面积F按下式计算： F=Q／K(tpj﹣tn) β1β2β3 ， m2 (4-1) 式中 Q――一组散热器的散热量，W； K----散热器的传热系数，W／m2 ℃； tpj------散热器内热媒平均温度， ℃； tn------ 供暖室内设计温度，℃； ――散热器组安装片数修正系数； ――散热器连接形式修正系数，同侧上供下回时取1； ――散热器安装形式修正系数，根据前面叙述的安装形式，应取1.07。 该建筑供暖的供回水温度分别为45℃/30℃[11],散热器内热媒的平均温度为tpj， tpj＝（tsg＋tsh）/2＝（45＋30）/2＝37.5℃ （4-2） tsg——散热器进水温度，℃； tsh——散热器出水温度，℃； 别墅各个房间的散热器计算结果统计列于附录B 4.2 散热器的选择原则 供暖系统的散热设备是系统的主要组成部分，它向房间散热以补充房间的热损失，保持室内要求的温度，其中散热器是最为常用的散热设备，供暖系统的热媒通过散热器的壁面，主要以对流的传热方式向房间散热。对散热器的基本要求，主要有以下几点： a、热工性能方面的要求，散热器的传热系数值越高，说明其散热性能越好。提高散热器的散热量，增大散热器传热系数的方法，可以采用增加外壁散热面积（在外壁上加肋片）、提高散热器周围空气的流动速度和增加散热器向外辐射强度等途径。 b、经济方面的要求，散热器传给房间的单位热量所需金属耗量越少，成本越低，其经济性越好 c、安装使用和方面的要求，散热器应具有一定机械强度和承压能力；散热器的结构形式应便于组合成所需要的散热面积，结构尺寸要小，少占房间面积和空间；散热器的生产工艺应满足大批量生产的要求。 d、卫生和美观方面的要求，散热器外表光滑，不积灰和易于清扫，散热器的装设不应影响房间观感。 e、使用寿命的要求，散热器应不易被腐蚀和破损，使用年限长。 在散热器的选择方面优先考虑铸铁散热器，它结构简单，防腐性能好，使用寿命长以及热稳定性好的优点；但其金属耗量大、金属热强度低于钢制散热器。 在这设计中，考虑多方面原因，选用灰铸铁椭四柱813散热器。这种散热器金属热强度及传热系数高，外形美观，易于清除积灰，容易组成所需的面积，便于落地和靠墙安装，因此得到广泛应用。 4.3 散热器的选型 考虑到散热器耐用性和经济性，本工程选用铸铁柱型散热器。结合室内负荷，选择四柱760型较适合。它结构简单，耐腐蚀，使用寿命长，造价低，传热系数高；散出同样热量时金属耗量少，易消除积尘，外形也比较美观；每片耗热量面积少，易组成所需散热面积，《暖通规范》规定，安装热量表和恒温阀的热水供暖系统不宜采用水流通道内含有粘砂的散热器，应采取可靠质量控制措施；所以要选用内腔干净无砂、外表喷塑或烤漆的灰铸铁散热器。其具体性能及参数见表4-1。 表4-1 散热器性能参数 型号 散热面积 水容量 重量 工作压力 传热系数K 四柱760型 0.28m2 1.4L/片 6.6kg 0.5mpa K=2.503Δt0.298 4.4 散热器的布置 底部距地面不小于60mm，通常为150mm；顶部距窗台板不小于50mm；背部与墙面间距不小于25mm。布置散热器时，应注意下列一些规定： a 散热器一般应安装在外墙的窗台下，这样，沿散热器上升的对流热气能阻止和改善从玻璃窗下降的冷气流和玻璃冷辐射的影响，使流经室内的空气比较暖和舒适。 B 为防止冻裂散热器，两道外门之间，不准设置散热器。在楼梯间或其他有冻结危险的场所，其散热器应有单独的立、支管供热且不得装设调节阀。 c 散热器一般明装，在内部装修有特殊要求的场合可采用暗装。 d 同一房间的散热器可以串连，贮藏室、盥洗室、厕所和厨房等辅助用室及走廊的散热器，可同邻室串连连接。两串连散热器之间的串连管径应与散热器接口的直径相同，以便水流畅通。 e 在楼梯间布置时，考虑楼梯间热流上升的特点，应布置在底层。 f铸铁散热器的组装片数四柱一般不易超过50片。 5 系统方案的选取 5.1 供热系统的选择 根据供热系统的热媒不可分为热水供暖系统和蒸汽供暖系统二者区别如下: (1)热水在供暖系统散热设备中,靠其温度降放出热量,而且热水的相态不发生变 化。蒸汽在系统散热设备中,靠水蒸汽凝结成水放出热量,相态发生了变化。 (2)热水在封闭系统内循环流动，其状态参数很小变化。蒸汽和冷凝水在系统管路内流动时，其状态参数变化较大，还会伴随相态变化。 (3)在热水供暖系统中，散热设备内热媒温度为热水流进和流出散热设备的平均温度。蒸汽在散热设备中定压凝结放热，散热设备的热媒温度为该压力下的饱和温度。 (4)蒸汽供暖系统中的蒸汽比容，较热水比容大的多。 (5)由于蒸汽具有比容大，密度小的特点，因而在高层建筑供暖时，不会像热水供暖那样，产生很大的水静压力。此外，蒸汽供热系统的热惰性小，供汽时热的快，停汽时冷的也快，很适宜用于间歇供热的用户。 从卫生条件和节能等考虑,民用建筑应采用热水作为热媒.热水供暖系统也用在生产厂房及辅助建筑物中。 (1) 按系统循环动力的不同,可分为重力(自然)循环系统和机械循环系统.靠水的密度差进行循环的系统,称为重力循环系统;靠机械(水泵)力进行循环的系统,称为机械循环系统。 (2) 按供、回水方式的不同,可分为单管系统和双管系统。热水经过立管或水平供水管顺序流过多组散热器,并顺序地在各散热器中冷却的系统,称为单管系统.热水经供水立管或者水平供水管平行的分配给多组散热器,冷却后的回水自每个散热器直接沿回水立管或者水平回水管流回热源的系统,称为双管系统。 (3) 按系统管道敷设方式的不同,分为垂直式和水平系统。 (4) 按热媒温度的不同,可分为低温水供暖系统和高温水供暖系统。 (5) 根据介质流经各环路的路程是否相等，还可分为： a.异程式：介质流经各环路的路程不相等，近环路阻力小，流量大，其散热器会产生过热，远环路阻力大，流量小，散热器将出现偏冷现象；中环路散热器温度适合，特别是在环路较多的大系统中，这种热的不平衡现象更易发生，且难调节。但异程系统能节约管材，但采暖系统作用半径小; b.同程式：介质流过各环路的路程大体一致，各环路阻力几乎相等，易于达到水力平衡，因而流量分配也比较均匀，不致象异程系统那样产生热不均匀现象。但同程系统比异程系统多用管材。但调试简单方便，供热安全可靠，建议采用同程采暖系统为最佳选择。 5.2 热水供热系统的基本要求 (1) 必须保证满水条件下的闭式循环,系统内必须全部灌满水。为此，系统最高管道以上标高处要设膨胀水箱，保证满水及容纳热媒水因受热而膨胀出的水量，称为高位膨胀小箱。这一水箱一般是开式敞口的，与大气相通。目前设计中为了减少空气中的氧溶于热媒水中，而采用落地的（低位）隔膜式膨胀罐，热媒水完全与大气隔绝，从而使采暖系统成为密闭式系统，这对各类散热器的正常使用都是很有利的。密闭式系统与高位水箱闭式循环系统的差别仅在于是否与大气相通。至于系统内水的循环都是在满水条件下的闭式循环，其特点是推动水循环的水泵的扬程与整个系统的总阻力有关，而与系统的总高度无关。暖通设计规范规定，建筑物的热水采暖系统高度超过50m时宜竖向分区设置。这就使系统的最大静水压力得到控制[6]。 (2) 必须保证有足够的循环水量 一个采暖系统的总循环水量，是根据本建筑物的总采暖热负荷（注意不包括分户计量系统中为计算邻户传热增加的散热量）除以供、回水温差而求得的，即 G=0.86∑Qgi/△ts kg/h； 式中，G为本系统的循环水量，kg/h； ∑Qgi为本系统各采暖房间热负荷的累积值，W； △ts为本系统的实际供、回水温差，△ts=tg-th；℃； 0.86为换算系数。 一个房间或一组散热器所需的水量，也可按同样的方法求得。 5.3 太阳能供热系统特点 太阳能系统极热具有不均匀性，其影响因素表现在三个方面：一是随着季节的变化，太阳的辐射强度在发生变化，即冬季辐射强度小，夏季辐射强度大；二是同一季节，随着天气晴朗程度的不同，太阳的辐射强度在发生变化；三是在一天里，白天有太阳的辐射 ，晚上没有太阳的辐射。 由于太阳能系统极热的不均匀性，使太阳能系统的热水供应具有不稳定行，即夏季供水温度高，冬季供水温度低；晴天供水温度高，阴天供水温度低；白天供水温度高，晚上供水温度低。 采暖系统的运行也具有不均匀性，即：冬季运行，夏季不运行；冬季运行时，随着气温的降低，供水温度会增大；另外，采暖系统有连续采暖和间歇采暖之分，对于连续采暖，一天内的供水温度基本不变，二间歇采暖，一天内的供水温度变化比较大。 5.4 系统设计方案确定 对于该别墅的结构特点和用途，只需要设计一个小型的供暖系统，选用工程型太阳能加热泵热水系统，集热器在楼顶装饰构架上集中布置，并配全自动控制装置，能够实现自动进水、热泵自动加热和管道自动循环等功能。 设计采用太阳能集热器采集热量加热循环介质，循环介质用来采暖和加热生活用水，该系统配备热泵机组，确保该系统全天侯运行，系统全部运行过程均由自动控制系统控制。 当日间光照充足时，太阳能集热器负担全部建筑物热负荷；当温度达到设计要求后，集热水泵停止运行，多余的热量储存在蓄热器中；如果遇到阴雨雪天或光照不足导致水温低于设计值时，则由热泵机组提供热源，使水温要到设计要求。 自动控制系统由两组测温热电偶和控制仪器组成。一组热电偶和控制仪器控制水泵的启闭，一组控制热泵机组的开关。一方面，自动系统根据室温情况控制供暖系统的循环水泵，当室温低于设计要求时，循环水泵开启，向房间供热；当室温达到设计要求时，循环水泵关闭，这样既可使室内温度保持在设计温度范围内，又可最大限度的节省能量。另一方面，自动控制系统根据蓄热器所储的水温开控制热泵机组的开关，保证满足设计要求，用户也可根据实际需要来调节自动控制系统的温度参数值，使系统在用户要求下运行。图2是太阳能热泵联合供热系统原理图，其它部件以及自动控制器就不一一表示出来。 图5-1 太阳能热泵联合供暖系统图 最后综合考虑本工程的实际规模和施工的方便性，本设计采用太阳能+热泵机组形成机械循环、垂直式、上供下回双管制顺流式热水供暖。散热片安装形式为同侧的上供下回，供水立管之间为同程式，供、回水干管布置成环状。设计供回水温度为45／30℃，根据建筑的结构形式，布置干管和立管，为每个房间分配散热器组。（见图纸） 6 系统主要设备选型 6.1 太阳能集热器选型 依据国家给排水设计规范，热水温度按60℃设计，自来水温度15℃，太阳能系统热水按45℃设计，太阳能集热系统温升△T=45℃-15℃=30℃。根据用水别墅住宿人口6人，每人每天需要60℃的生活热水量约100kg，则总需热水量为6×100=600kg。 平均每小时用水量为：600÷24 =25kg/h ； 每天高峰用水持续时间为4小时（18:00~22:00），高峰用水量总和为25×4=100kg ； 高峰用水时需热量为：100×6=600kg ； 该别墅采暖循环所需循环水量为G，由公式： G=0.86∑Qgi/△ts (6-1) 式中，G为本系统的循环水量，kg/h； ∑Qgi为本系统各采暖房间热负荷的累积值，W； △ts为本系统的实际供、回水温差，△ts=tg-th；℃； 0.86为换算系数。 则采暖用水量G＝0.86×20725/(45-30)=1188kg/h。 则太阳能热水系统热水负荷25×（45-15）/0.86=872（Wh）； 太阳能采暖系统热水负荷1188×（45-30）/0.86=20721（Wh）； 因此太阳能热水系统负荷为20721+872=21593（Wh）； TMQRZ18-18P型能量输出值：0.95KWh/组，则集热面积为3.0m2/组； 本太阳能热水系统需要TMQRZ18-18P型集热器：20.712KW/0.95KW=22组， 其集热面积为66m2，则需要蓄能式热管真空管（ 58×1800mm）396支，其中南北屋顶面各水平装置集热器11组。其所选的集热器性能参数为：  表6-1 蓄能式热管真空管集热器性能参数 产品型号 TMQRZ18-18P/3.0/58×1800 外形尺寸（mm） 1650×2000×108 集热器件 玻璃真空集热管 规格数量 58×1800×18支 蓄能材料 无鸣蓄能固体粉末 传热器件 14铜管水平热管 冷凝端 14×65 集热面积 3.0 承压能力（kg/cm） 6 能量输出值 日太阳辐射量（长沙）17MJ/m2 热水补偿速度 长沙地区参考值：30L/h，△t=30℃ 集管材料 38铜管 外壳材料 茶色彩涂铝板 自重（kg） 108 保温材料 35mm高密度聚氨酯 6.1.1 集热系统布置 依据现场条件，标准TMQRZ18-18P型集热器11组摆放于南屋顶面，集热管南北向，与屋顶面同坡放置，集热器采用串联连接方式；水平TMQRZ18-18P型集热器11组摆放于北屋顶面，集热管东西向水平放置，集热器串联连接方式；集热水箱设于楼梯间顶层梁柱结构平台上。集热循环管路采用国标热镀锌管暗装。 6.2 太阳能蓄热水箱的选型 6.2.1 蓄热水箱容积确定 根据上面计算结果，本太阳能热水系统需要一个可以储存1800kg热水的蓄热水箱，此蓄热水箱内胆采用6mm厚碳钢板焊接并作防腐处理，外壳采用PVC装饰板拼装，确保不易生锈漏水；保温层为30mm厚苯板复合成型，热损耗小，保温效果良好。 一般蓄热常采用水的热容量的变化来实施。供热蓄热水箱有效容积可以按下式来确定： （6-2） 式中 V-----蓄热水箱计算有效容积，m3 ； C-----水的比热容，kJ/kg·K ； ----水的密度，kg/m3； ----蓄热开始时水箱内水的平均最高温度，℃； ----蓄热开始时水箱内水的平均最高温度，℃； K ----考虑由于由蓄热水箱输送到供热用户所发生的热损失的安全系数； K ----考虑由于蓄热水箱的散热损失的安全系数； h-----用蓄热热量供热的时间，小时； -----供热总的计算热负荷，W。 则经估算所需蓄热水箱的容积V为2.91 m3，本设计可选型号为CV3-1.0蓄热水箱，其性能参数为： 表6-2 蓄热水箱性能参数 型号 公称容积 M3 长 (mm) 宽 (mm) 高 (mm) 公称压力 (MPa) 总蓄热量 (K cal) CV2.5-1.0 2.5 900 2000 1350 1.0 4.3×10 6.3 辅助热源的选择 由于太阳能供给的热量不能满足需要的全部热量，或者是在天气变化大而储热量又很有限的情况下，就必须备有辅助热源。另外将该系统设计成灾全年所有天数有效，就很不经济。总的来说，考虑到太阳能源的不稳定性和经济因素，一般太阳能供暖系统中，由太阳能供给的热量占供暖的房间总负荷的60%--80%左右（此值即太阳能供暖保障率）。因此，为解决高峰负荷时的供暖问题，太阳能加热系统中必须备有辅助热源，则选用热泵机组作为辅助热源。 6.3.1 热泵机组选型 根据太阳能热水系统要求，为了实现利太阳能供热系统全天候供应，应需要辅助热源，则本设计利用空气源热泵作为补热方式，非晴好天气热泵系统补充热负荷为20721Wh，则可以选择1台空气源热泵热水机组。其性能参数如下： 型号：HNRB-5D 阻力：50kpa ； 额定制热量：24KW ； 小时制水热量：600L ； 额定输入功率:6.44KW ； 最大输入功率：9.3KW ； 最高出水温度：65℃ 。 7 系统水力计算 7.1 水利计算步骤 (1) 在轴侧图上进行管段编号，立管编号并注明各管段的热负荷和管长； (2) 确定最不利环路。本系统为同程双管系统，一般取最远立管的环路作为最不利环路； (3)计算最不利环路各管段的管径： 图7-1 系统最不利环路 a 虽然引入口处外网的供回水压差较大，但考虑到系统中各环路的压力损失易于平衡，设计采用推荐的平均的比摩阻R 大致为60～120Pa/m来确定最不利环路各管段的管径。 b 根据各管段的热负荷，求出各管段的流量，计算公式如下： G＝3600Q/4187×t ′－t ′）＝0.86Q/（t ′－t ′） Kg/h； （7-1） 式中 Q——管段的热负荷，W； t ′——系统的设计供水温度，℃； t ′——系统的设计回水温度，℃。 c 根据平均比摩阻和各管段的流量查《供热工程》附录表4－1，选定合适的管径、流速和压降。 (4)确定各管段的长度； (5) 确定局部阻力损失； (6) 求各管段的压力损失ΔP＝ΔP ＋ΔP ； (7) 求环路的总压力损失； (8) 计算富裕压力值。考虑到施工的具体情况，可能增加一些在设计计算中未计入的压力损失。因此，要求系统应有10％以上的富裕度； (9) 通过调节调节系统上的阀门和管径进行调节，把系统的不平衡率控制在15％的范围之内。入口处的剩余循环压力，用调解阀节流消耗掉； (10) 计算结果见附录C。 7.2 循环水泵的选型 水泵是热水采暖系统的主要设备之一。水泵的选择原则及注意事项：首先要满足最高运行工况的流量和扬程，并使水泵的工作状态点处于高效率范围；泵的流量和扬程应有10~20%的富裕量；当流量较大时，宜考虑多台并联运行，并联台数不宜超过3台，并应尽可能选择同型号水泵；在供暖系统中的循环水泵，宜配备一台备用水泵；选泵时必须考虑系统静压对泵体的影响，注意水泵壳体和填料的承压能力以及轴向推力对密封环和轴封的影响，在选用水泵时应注明所承受的静压值，必要时有制造厂家做特殊处理。 水泵的形式的选择与水管系统的特点、安装条件、运行调节要求和经济性等有关。 根据采暖规范进行换热站的设计，其主要设备的选型如下： 水泵的形式的选择与水管系统的特点、安装条件、运行调节要求和经济性等有关。选择水泵所依据的流量L和压头P如下确定： 水泵扬程P=(1.1~1.2)H ，kPa （7-2） 式中 H ----管网最不利环路总阻力计算值，kPa； 1.1~1.2 ----- 放大系数。 水泵L=(1.1~1.2) L ， m3/h （7-2） 式中 L ---- 设计最大流量； 1.1~1.2----- 放大系数，水泵单台工作时取1.1，多台并联工作时取1.2。 采暖热水按供回水温差15℃计算，热水最大流量约为1188kg/h，取1.1安全系数，循环水泵的流量选择1189kg/h。 扬程按下式计算： Pa ； （7-3） 式中： ――水系统总的沿程阻力和局部阻力损失，Pa； ――设备阻力损失，Pa。 本工程选择热泵机组阻力损失为50kPa，则Hp=4593+50000＝54593Pa。取1.1安全系数后，水泵扬程选60052Pa，即6.1mH2O。选择型号为:DJB11-JS-25CP 的循环水泵。 8 管道保温 8.1 保温管道的确定 为了减少热媒在输送过程中的热损失，节约能源；保证热媒的使用温度等，需要对供热管道及其附件采取保温措施。 a、室外管路采用橡胶管保温，厚度大于等于40mm，外做保护层。 b、设在室内的供回水干管、主立管及暗装的采暖支管； c、管道敷设在容易被冻结的地方； d、管道通过的房间或地点，需要采暖管道采取保温措施时。 8.2 保温材料的选择 水泥膨胀珍珠岩管壳，具有较好的保温性能，产量大，价格比较便宜，是目前管道保温常用的材料。岩棉、矿棉及玻璃棉管壳，保温性能好，无毒、耐久且施工方便。《民用建筑节能设计标准》推荐采用以上两种材料。当采暖供热热媒与周围空气的温度差小于60度时，安装在室外、室内管沟中的采暖供热管道的最小保温厚度水泥珍珠岩管壳工称直径为25～70mm时最小保温厚度为40mm《民用建筑采暖设计与施工安装手册》表8－18。 管道保温并非越厚越好。保温层越厚，表面积也越大，超过一定的限度时，由于表面积的增大反而使管道若损失增加，因此，管道保温层不能超过下表的极限厚度，以达到经济合理的目的。 表8-1 保温层极限厚度参数 公径 ≤32 40 50 70 80 100 125 150 200 250 极厚 45 55 65 80 95 110 115 120 125 130 8.3 管道保温施工 (1)管道保温应在做完防腐并经水压试验合格之后进行。如需先作保温或已预作保温时，应将管道接口环形焊缝留出，待水压试验合格后再补作防腐与保温。 (2)一般情况下，管道上的法兰、阀门、套筒式伸缩器等附件不作保温。其两侧留70～80mm间隙，并在保温层端部抹成60度到70度的斜坡。 (3)保温管壳的接缝应错开绑扎，缝隙或残缺处用水泥石棉灰填实，然后作保护层。保护层可采用水泥石棉灰或白灰麻刀，其厚度不能小于10mm，表面应光滑平整。 (4)用保温壳作保温层的直管段，每5～7m应留一条膨胀缝，缝宽5mm。也可将膨胀缝作在管道支架处，然后用石棉绳或玻璃棉填塞。 表8-2 常用水泥膨胀岩管壳规格 公称直径 （mm） 管壳厚度（mm） 组合块数（块） 材料保温长度（m/m） 公称直径（mm） 管壳厚度（mm） 组合块数（块） 材料保温长度（mm） 15 40 2 128 80 55 2 40.2 30 50 2 68.5 150 60 2 23.5 40 55 2 56.2 219 70 2 15.7 50 55 2 50.3 273 70 2 13.3 9 设计总结 （1）根据别墅供应热水以及采暖要求设计了太阳能热泵系统，并计算出房间维护结构的的热量与耗热量。 （2）在集热器设计计算中，设计出长沙地区相适应的全真空玻璃热管集热器，并计算出其及热量。 （3）系统集热器采用水平热管技术，摆脱集热倾斜的约束，使集热器水平放置，占地面积小，利于功能与景观的结合，抗风避雷效果好，并可起到屋顶隔热层作用；集热器支架采用热镀锌型钢制，取消反射板，防风设计，既安全可靠又科学节能，方便使用。 （4）设计蓄热体，尽可能满足蓄热量与别墅供暖的要求。 （5）太阳能热泵系统联合运行，采用机械循环运行，可蓄热供暖，也可直接集热供暖，控制灵活方便，进而实现全天候能量需求。 综上所述，太阳能热泵系统在性能上弥补了传统的太阳能系统和热泵系统各自的缺点，使得整个系统的COP值有较大的提高，而系统性能的提高使得运行费用减少，从而降低了系统总投资。目前国内外开展的试验研究以中小型的热水系统居多，随着研究的进展和技术的成熟，太阳能热泵系统应该逐渐与大型的供热系统相结合，创造更大的效益。 10 参考文献 [1]旷玉晖，太阳能热泵系统的研究与开发[D]：[硕士学位论文].青岛建筑工程学院，2001. 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[16] 李锦仙.太阳能在建筑热水供给中的应用.工程设计与研究，1991 11 致 谢 本次毕业设计的完成过程中，我不仅独立完成了毕业设计，取得了比较令人满意的成果，更加全面掌握了大学四年以来所学的专业知识，对本专业有了一个全面深入的认识和理解，而且还在资料查询、数据汇总、信息筛选等诸多方面也有了很大的提高，从中也真正熟练掌握了AutoCAD的运用。在此衷心的感谢长沙理工大学能源与动力工程学院建筑环境与设备工程教研室傅俊萍老师都给予了悉心的指导。她对待工作认真负责、治学态度严谨谦虚、对待学生亲切关怀，以及科学孜孜不倦的追求都感染了我，使我从中学到了很多知识！ 大学四年即将结束，感谢老师们的辛勤栽培和教导以及同学们之间一如既往的信任、支持、关心及帮助。愿能动学院的恩师们身体健康，快乐工作每一天！也希望所有的同学们为了拥有更好的明天而努力！最后，向在毕业论文期间及至整个大学期间所有关心、支持和帮助过我的老师和同学表示最衷心的谢意！真心感谢各位评委在百忙之中抽出宝贵时间评审我的论文。 许书光 2009年6月10日 12 附 录 附录A 小型别墅采暖负荷统计 维护结构 传热系数 室内计算温度 供暖室外温差 室内外计算温差 温差修正系数 基本耗热量 耗热量修正 围扩结构耗热量 冷风渗透耗热量 冷风侵入耗热量 房间总耗热量 房间编号以名称 名称及方向 朝向 修正后耗热量 高度修正 面积 K tn t´w tn-t´w a Q´1.j χcn 1+χcn+χf Q xg Q´1 Q´2 Q´3 Q´ ㎡ W／㎡℃ ℃ ℃ ℃ W ％ ％ W ％ W W W W 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 101厨房 北外窗 2.16 3.01 18 0 18 1 117.03 0 100 117.03 4 467.13×1.04 106.21 0 592.03 北外墙 5.76 0.88 91.24 0 100 91.24 西外墙 12.21 0.88 193.41 -5 95 193.41 地面 8.88 0.47 75.12 0 100 75.12 102餐厅 北外窗 3.24 3.01 16 0 18 1 156.04 0 100 156.04 4 678.01 ×1.04 118.96 119.04 943.2 北外墙 9.63 0.88 135.60 0 100 135.60 东外墙 10.21 0.88 143.76 -5 95 136.57 东门 2.00 4.65 148.80 -5 95 141.36 地面 14.43 0.47 108.51 0 100 108.51 103人工房 西外窗 1.62 3.01 16 0 16 1 48.76 -5 95 46.32 4 99.45×1.04 38.62 0 241.5 西外墙 4.32 0.88 34.56 -5 95 32.83 地面 4.32 0.47 20.30 0 100 20.30 104卧室 北外窗 2.7 3.01 18 0 18 1 146.29 0 100 146.29 4 350.34×1.04 88.07 0 452.42 北外墙 4.23 0.88 67.00 0 100 67.00 地面 16.2 0.47 137.05 0 100 137.05 105公卫 西外窗 3.24 3.01 20 0 20 1 195.05 -5 95 185.30 4 354.56×1.04 103.01 0 471.75 西外墙 6.48 0.88 114.05 -5 95 108.35 地面 6.48 0.47 60.91 0 100 60.91 过道 地面 10.08 0.47 16 0 16 1 81.22 0 100 81.22 4 81.22×1.04 0 0 84.46 106接待室 西外墙 20.13 0.88 18 0 18 1 318.86 -5 95 302.92 4 1070.22×1.04 142.92 0 1255.95 西外窗 1.98 3.01 107.28 -5 95 101.91 南外墙 7.20 0.88 114.05 -20 80 91.24 南外窗 5.4 3.01 292.57 -20 80 234.06 地面 40.20 0.47 18 0 18 1 340.09 0 100 340.09 4 107车库 卷帘窗 11.88 4.21 5 0 5 1 250.07 -20 80 200.06 4 252.51×1.04 0 162.55 425.16 地面 22.32 0.47 52.45 0 100 52.45 108 南外窗 1.62 3.01 18 0 18 1 87.77 -20 80 70.22 4 400.12×1.04 173.83 0 346.41 南外墙 5.31 0.88 84.11 -20 80 67.29 地面 3.363 0.47 28.43 0 100 28.43 一层东西面房间设置对称 一层负荷小计 9625.70 201卧室 北外墙 12.60 0.88 18 0 18 1 221.76 0 100 221.76 4 955.50×1.04 40.60 0 1034.32 北外窗 3.24 3.01 195.05 0 100 195.05 西外墙 12.21 0.88 214.90 -5 95 204.15 顶棚 17.76 0.97 344.54 0 100 334.54 202公卫 西外墙 4.32 0.88 20 0 20 1 76.03 -5 95 72.23 4 332.5×1.04 77.26 0 423.06 西外窗 1.62 3.01 97.52 -5 95 92.65 顶棚 8.64 0.97 167.62 0 100 167.62 203主卫 西外墙 6.75 0.88 20 0 20 1 118.80 -5 95 112.86 4 398.77×1.04 87.56 0 502.28 西外窗 2.16 3.01 130.03 -5 95 123.53 顶棚 8.37 0.97 162.38 0 100 162.38 204多功能厅 北外墙 4.32 0.88 18 0 18 1 234.06 0 100 234.06 4 770.23×1.04 159.34 0 960.38 北外窗 7.56 3.01 119.75 0 100 119.75 顶棚 23.85 0.97 416.42 0 100 416.42 205主卧室 西外墙 22.10 0.88 20 0 20 1 389.14 -5 95 369.68 4 1649.19×1.04 84.98 0 1880.14 南外窗 6.48 3.01 390.10 -20 80 312.08 南外墙 13.32 0.88 234.43 -20 80 187.55 顶棚 40.20 0.97 779.88 0 100 779.88 206卧室 南外窗 3.24 3.01 18 0 18 1 195.05 -20 80 156.04 4 745.62×1.04 54.08 0 829.52 南外墙 8.64 0.88 152.06 -20 80 121.65 顶棚 24.12 0.97 467.93 0 100 467.93 二层东西面房间设置对称 二层负荷小计 11099.40 负荷总计 20725.10 附录B 别墅采暖散热片数量计算表 房间编号 用途 设计温度 平均温度 散热器 散热器 片数修正 修正后 房间负荷 ℃ ℃ 组数 片数 系数 每组片数 W 101 厨房 18 37.5 1 10 1.0 10 592.03 102 餐厅 16 37.5 2 27 1.05 14 943.20 103 人工房 16 37.5 1 5 0.95 5 241.50 104 卧室 18 37.5 1 13 1.05 13 452.42 105 公卫 20 37.5 1 10 1.0 10 471.75 106 接待室 18 37.5 2 35 1.05 18 1225.95 107 车库 5 37.5 1 8 1.05 8 425.16 108 18 37.5 1 12 1.05 12 346.41 西面 过道 18 37.5 1 5 0.95 5 84.46 109 餐厅 16 37.5 2 27 1.05 14 943.20 110 厨房 18 37.5 1 10 1.0 10 592.03 111 卧室 18 37.5 1 13 1