太阳能家用热水系统工程设计方案.doc

太阳能家用热水系统工程设计方案 本文从实际工程计算的角度出发，利用当地太阳能分布系数并结合软件模拟结果对集中供热的家用太阳能热水系统进行综合设计分析，对系统投资进行静态偿还期的计算，最后对系统投资可行性进行了探讨。 工程安装地点在广州，太阳能集热器设在屋顶，通过集热器循环回路的介质水给储水箱加热。首先根据软件显示出广州地区包括太阳能辐射量在内的气象数据，然后求出该地区的太阳能分布率，根据工程要求规划热水负荷。利用软件得出太阳能分布率与太阳能集热器的关系曲线，找出最佳集热器面积，选出太阳能热水系统各个部件。辅助以计算机软件模拟结果对本系统的投资进行预算，最后经过技术经济比较选出系统所有的部件参数和投资，并对系统投资进行静态偿还期的计算。最后对系统投资可行性进行了探讨，对现阶段我国广州地区太阳能家用热水系统工程的应用提出了建设性意见。太阳能热水系统设计计算 系统设计内容包括收集安装地点的纬度、经度、海拔高度，太阳能辐射量、温度、风速，家用热水负荷的统计、储热器的计算、太阳能集热器、储热器、循环系统计算。系统结构连接确定，系统计算机模拟及系统优化设计。下面以广州地区为例对某一招待所太阳能集中供热系统进行设计、优化、模拟及技术经济可行性分析。 广州的气候和太阳能分布 设计的DHW系统位于中国广州一个军队招待所。广州的纬度和经度分别是23.3°和-113.32°，时区为-9小时，海拔高度为7m，属于亚热带气候，平均年辐射量约1108.0kWh/m2，总的传播辐射量约781.5kWh/m2，平均环境温度是21.9，风速约1.9m/s。通过太阳能辐射量（见表1）可以知道太阳能分布率为0.69，（0.69×100%=69%）,而且与模拟结果（PolSun）一致。 家用热水负荷 工程要求：本公寓有12层，25人居住。每人每天需要45L热水，故每天热水负荷=1125L=1.125m3,在广州来自水源的冷水温度是8，热水温度需要55（T=47）。加热需要的能量1m3水=1.16KWh（经验值），则公寓每天的总负荷=61KWh。 45（L/人·天）×25（人/12层）=1125（L/天） Q负荷=1.125（m3/天）×1.16（kWh/m3）×（55-8）（）=61（kWh天） 考虑家用热水负荷每月的环境，由于季节的变化，冬季冷水的温度以及周围的环境温度通常比夏季的温度低很多。因此，与在同样条件下的冬季相比，大量的热水才能满足居民的需要。另外，夏季周围环境热量的损失也比冬季小很多。所以，在广州，每月DHW的使用在一年内并不是均恒分配的。夏季民用热水的容量明显比冬季小，每月DHW负荷的变化在模拟中已经考虑（见表格）。DHW循环回路:循环管的总长度为35m。每个房间有如下设备，这些设备需要极少的循环水。见表3：表3.DHW循环水设备设备 洗菜水池 浴缸 洗脸盆 洗碗机 总计流动水L/s 0.2 0.3 0.1 0.2 0.8家用热水系统安装的位置见下图。总的流速达0.8（L/s）。由于公寓有2层，每层6个房间。循环被分到每层，分配的管子应为6×0.8=4.8（L/s）。所谓的可能循环水是：所有的设备可能不同时使用，这样往往更小的最大循环率足够供应大量的水。 根据流动水曲线可能性，管子里的可能最大循环水为0.75Ls，则适合的循环管子为直径28×1.2mm，管子内径为25.6mm，管子的表面积=3.14×0.0256×35=2.81m2。 将两个热水管（从容器出来并回到容器）绝缘做成一体，这将减少穿过循环回路的热损失以及绝缘材料的花费。绝缘铜管的热损失系数（32mm绝缘厚度）=2.4W/m2K，故经过民用热水循环回路的总的热损失=6.7W/K。DHW系统的模拟方法：由于安装地点的气候属亚热带气候；DHW系统不需要安装热交换器。所有太阳能热水系统回路里的液体均是普通水。根据DHW系统安装的地点和环境，PolSun提供的八种不同类型里有两种类型可以基本上满足系统环境。推荐的数值将用来对主系统器件测量来模拟。这两种类型是类型1和类型2。采用软件PolSun.3.3.5g，完成模拟。于是，在预设计阶段可以建立最佳系统。 1.太阳热能集热器 对于民用热水加热，提供数值的太阳热能集热器面积为0.60.9m2/人。对于25人： Ac=0.6×250.9×25=1522.5(m2) 目前，我国真空管平板集热器与正常的平板集热器的价格一样，然而，它的效率比正常的集热器高60%。经过合理的物理设计，集热器外部可以安装去除空气的真空层。在吸热板和真空外表面将形成真空绝缘层，它能在集热器和外界环境之间有效地隔离热能的交换。用真空管热绝缘原则，将最大减少热损失，将有效提高集热器的热效率，故在DHW系统中采用HY-1.8×25(70)真空管集热器，它有3.88m2的吸收面积。连接六个模块将达到总计23.3m2的吸收面积。方位°（在北半球的南部），倾角°（等于当地纬度），将适应四个季节，倾角大小应适当考虑屋顶倾斜角度。倾角特性如下：纬度°：主要适合夏季。纬度°：主要适合冬季。通常倾角的变化范围在±°以内；它对集热器热效率的影响几乎很小。 所以，系统集热器最佳倾角的范围应选择在±°，这将由实际建筑屋顶角度决定。 储热器 一个太阳综合系统的关键元件之一是热储存器。由吸热板收集的热能被储热器以热水的形式储存下来，推荐的数值为热水储存器的吸收面积为。容器尺寸大约××。热水储存器的数值选定为。注意：高度和直径的最佳比例是：，这对容器的内部热水的高效分层有利。 储热器具有的内热交换器用来传导来自太阳集热器的热量，故系统储热器选择的容积为，高度和直径分别为和。连接损失大概（来自模拟）。由于太阳能分布率为，系统必须安装电力辅助加热备用。 在集热器回路，因为全年无结冰，故只需用水做传热介质就可以，内部热交换器可被装设在储热器底部。 集热器循环系统于所谓的低循环系统指在集热器回路中以近似0.10.2L/min，m2循环。而对于所谓的高循环系统指有特定的0.21.0L/min，m2集热器循环。在集热器内的最高温度是4050。对于系统，集热器循环定为约0.2L/min，m2（介于低循环和高循环之间）。在亚热带气候没有热交换器的DHW系统循环效果应更好。 系统模拟采用软件来模拟系统示于如下： 类型：系统是具有内部太阳能热交换器的独立的储热器，内部太阳能热交换器被放在储热器底部。这意味着在实际中，储热器以混合的方式进行加热，热水无分层。结果，带独立太阳能热交换器的系统在以低循环运行时没有结论，只有带两个内热交换器或一个外热交换器的系统能从低循环策略中获益。它适合高消费的单个家庭的房屋，然而，对于太阳能分布率从的这种系统气候将不适合。 类型：这个系统也有一个独立储热器，却串联两个内部热交换器，这样可改变入口。上部的路径仅相对更高的温度。在集热器回路系统通常以低循环使用，目标更多分层。它适合高消费的多家庭房屋，太阳能分布从。在太阳能分布率约的亚热带气候，这种类型的系统应适合这种系统。 模拟结论 因为太阳能分布率约，属于类型（在夏季介于之间），类型可以被采用在这个系统里。另一方面，公寓仅居住人，那么类型认为合理。类型成本比类型仅仅增加一个通阀和一个内部热交换器。但类型对应的太阳能分布率却比类型更高，更能较好地适合本系统亚热带的要求。故类型被选定。 参数研究 根据低成本、高效率原则，计算出类型系统中主要部件的参数。通过比较这些结果，可以建立一个最佳的系统配置。利用可以得出广州地区太阳能的分布率和集热器面积的关系曲线，分布率和面积的最佳结合点应该是集热器面积，太阳能分布率。 投资成本 系统的估算成本基于各公司信息，或者基于网上发布的信息。主要任务是找出最低初始系统成本来达到最小目标太阳能分布率。 结论 通过计算和模拟，选择更经济的元件基本上适合系统的运行环境。并且，太阳能系统的最终总成本约元。在所有系统选择中，这个成本是最经济的，的太阳能系统的投资偿还期为： 初始成本/（获得的太阳能能量）年。 在类型的储热器的系统里，总预算是元，获得的太阳能是，偿还期是年。尽管类型的阶段比类型高，但是，由于类型的先进性，以致经过系统的太阳能能量获得的更多。收入的幅度远比价格上升的幅度大很多。类型的偿还期比类型系统小得多。所以，类型的选择是正确的。 总体来说，太阳能热水系统综合平均寿命至少约年。在第年后，能量能源的节省成本在年内可以节约大概元。可见投资是可取的，合理的。 对于太阳能系统投资来说，结论是比较乐观。也就是说，想要在广州地区建立一个太阳能系统，减少偿还周期的最好方式是在投资不变条件下，增加太阳能系统的面积。 因此，在这个项目里，系统的总成本约为元，但是太阳能集热器面积仅约。这将增加系统的偿还周期，但由于真空管集热器选择有较高的自然容量，低价格，在实际中系统的偿还周期将更短。（1） 太阳能集热器初始设计选择的太阳能平板集热板规格是HY-1.8×25，每个板子面积是3.88。通过进一步的研究发现国内产的真空管集热器（通常是真空集热器类型SLL-1200/24）。每个模块面积为2.4m2，管子面积为1.2×24。DHW系统热效率基本上取决于集热器的特性。因此，集热器的光效率和综合热损失系数是热特性的主要指标。平板集热器的光效率是0.60.85，综合热损失系数是57W/。真空管的光效率是0.750.95，是平板集热器的综合热损失系数1/61/7。真空管集热器有三个优点即高压承受力，不形成水垢，以及不结冰（在-50的环境温度下）。由于采用先进的生产工艺和程序，真空管集热器的价格比平板集热器的价格低。用SLL-1200/24代替HY-1.8×25,DHW系统可以节省成本达8800元。见表4。表4.太阳能集热器参数和价格集热器型号 受热面积(m2) 真空管长度(m) 管数量 组件价格(RMB/m2) 总面积(m2) 总成本(RMB)HY-1.8×25 3.88 1.8 25 1854 22 31680SLL-1200/24 2.4 1.2 24 1339 22 22880注:HY-1.8×251800 ￥/ m2, SLL-1200/24-1300 ￥/ m2（2） 热储存器热储存器的尺寸规格和储水器的成本可以从选出。由SoLution制造，容量为1500 L。（直径1.03 m，高度1.8 m），SoLution容量总成本约3800元 + 12.5 元/L×1500L=20050 元。以上容量成本包括它的绝缘，它的连接损失为1.6W/K。（3） 内部热交换器两个热交换器面积为：第一个为2.5 m2,价格为1940 元；另一个是1.8 m2,价格为1375 元。SoLution来自网站：然而，在这种情况下，17mm的带散热片铜管将被用在每个热交换器系统中。它的总价格是：2×360 元+【2m（室内）+2m（室外）】×144 元/m=1872 元交换器的总成本：1940+1375+1872=5187 (元)（4） 辅助电力加热器 辅助电力加热器参数和价格见表5，特性：3.0KW，导通温度：53，关断温度：75。表5.辅助电力加热功率 长度 供应商 价格(RMB) 网站3 KW 280 mm（5）集热器循环回路中的管子集热器回路中的最大限度地防腐蚀流体速率为1m/s，。适合的管子为Cu 15m×1mm。集热器入口和出口两回路管子的长度相同，分别为室内10m和室外5m（图2）。绝缘厚度为15mm,经过集热器回路的热损失估计为2W/K，对于集热器循环回路，带绝缘的铜管子的价格约135（元/m）×20(m)=2700元（7）在DHW回路中的管子带绝缘的水管价格约236（元/m）×36(m)=8496元。在DHW回路中其它材料成本约为2000 元。因此，对于DHW回路，总的管子成本为10496 元。（8）集热器循环泵在给定的循环速率下，循环泵必须克服由不同元件引起的系统的总压降，这些压降也可以计算出来。这些压降P主要来自太阳能集热器和其循环回路。故选择太阳能集热器回路泵为UPA120 ATOU由Grandfos专门为中国用户制造其价格3500 元。（9）DHW循环泵与集热器循泵选择相同，在给定循环速率下，可根据计算出的DHW回路P，选出热水循环泵型号为UPA90。Grandfos 制造。价格：3500 元。（10）膨胀器膨胀器的价格是90（元）×13（L）=1170元，由SoLution制造。（11）控制器单元笔者采用来自Technische Alternative公司的双循环控制器（型号：UV64）价格（包括温度传感器）为：每个控制器1800 元。总成本为3600 元。（12）其它元件及成本除了以上提到的主要部分，其它部分成本见表6。它包括：带传感器的三通混合阀、两通阀、流速设定器、安全阀、真空阀、检查阀、过滤器及压力指示器。系统总安装时间约30h，总安装成本文30（h）×350（元/ h）=10500元。6、投资成本系统的估算成本基于各公司信息，或者基于网上发布的信息。主要任务是找出最低初始系统成本来达到最小目标太阳能分布率。最终系统的主要元件成本见下表6。表6.在太阳能DHW系统中主要元件的最终成本主要元件 描述 组件成本的数量（RMB） 总计（RMB）集热器 SLL-1200/24/2.4m2 ,22 m2 1339元/ m2 29458储热器成本（含绝缘） SOLution 1500 l（直径：1.03m高度：1.8m） 20050 20050绝缘管（DHW系统） 直径：28×1.2mm,36m 236元/m 10496绝缘管（太阳能循环系统） Cu 15×1mm/15mm,20m 135元/m 2700压力指示器 200×1 200温度表 500×1 500过滤器 200×1 200空气释放阀 50×1 50控制单元 UVR64,Technische Alternative 1800×2 3600备用辅助加热 3.0KW 1085 1085集热器回路泵 UPA120ATOU,Grudfos 3500 3500热水回路泵 UPA90,Grudfos 1500 1500内部热交换器 SOLution2.5 m2,1.8 m2/2×（17mm铜管4m） 1940+1375+1875 5187膨胀容器 13升，SOLution 9元/l 117流速设定器 0-0.1 l/min 410×1 410安全阀 600×2 1200单通阀 100×5 500两通阀 连接 15mm（对于0-150°水） 900×10 9000三通阀 包括 w.传感器,28mm 600×2 1200真空阀 150×1 150建筑投资 2500总安装成本 30小时 350元/h 10500对DHW太阳能系统的成本 104121注：（集热器价格：1300￥/m2，在表6中每个元件价格已经包含它的绝缘价格）