1、太阳能热水循环系统在住宅宿舍楼中的应用摘要：随着有限的矿产资源利用越来越少，而经济社会的发展将会越来越快，矿产资源利用对环境污染也比较严重，两者之间的矛盾已十分突出，如何充分利用好自然资源，达到节能、环保要求，对加快社会经济发展、保护环境、提高人民群众的生活水平有着举足轻重的作用，太阳能技术的研究和应用就是其中一个方面，本文就太阳能热水系统在住宅楼中的应用进行了探讨。 关键词：太阳能 热水循环节能环保 中图分类号：TE08 文献标识码： A 引言 随着世界人口的增加，矿产资源的过度开发，可利用的矿产资源越来越少，矿产资源的消耗带来的污染也越来越严重，本着节约资源、降低能耗、减少环境污染的思想，
2、特别是进入 21 世纪以来，社会的经济的发展和科学技术水平的提高，建筑也向着节能、环保的方向迅速发展，其中太阳能环保、节能、经济的特性得到了充分的应用，太阳能的技术的应用早已成为世界各国科学家研究的课题，其中太阳热水器已进入千家万户，方便了广大老百姓的生活，但是，目前太阳能热水器绝大数为一家一户独立单独的简单的小系统，热源、水源（热水未能循环，开始使用需将管内冷水放尽才到热水）浪费也较大，而未形成集中统一的大型、复杂、多功能、更节能、更环保的热水供应系统，在公共住宅建筑中（如学校宿舍楼、大型宾馆的热水供应系统还采用锅炉烧水供应）未能得到充分利用。 中国科学院研究生院（现更名为中国科学院大学）
3、，新园区学生宿舍的热水供应拟采用太阳能热水集中、统一供水、热水循环，且进行远程控制的供应系统。且其设计设想如下： 一、工程概况 1、中国科学院研究生院新园区 5 标段，总建筑面积：79000 平米，由 A、B、C、D、E 五个组团及三食堂组成，层数 6-9 层，共计 478 间宿舍，可容纳 4300 名学生住宿。远程控制室及泵房拟设在三食堂地下设备房。 2 建筑状况：楼顶建筑为平顶； 3 用水类型：学生宿舍沐浴及生活用水； 4 热水用量：每人每日热水定额为 50L 计算 本工程分为 A 区、B 区，其中 A 区为 2 栋楼，B 区为 3 栋楼，考虑到屋面上集热器实际摆放数量以及热水用量的需求，
4、现将实际热水用量设置如下： A 区 A1 号楼，日热水用量 20 吨； A2 号楼，日热水用量 20 吨。 B 区 B1 号楼，共计 3 个单元，每单元日热水用量 12 吨； B2 号楼，共计 3 个单元，每单元日热水用量 12 吨； B3 号楼，共计 2 个单元，每单元日热水用量 12 吨； 5 用水方式：24 小时用热水； 6 热水温度：55，温度也可以调节； 7 控制系统：智能控制器控制。 二、 、设计说明: 根据国家节能减排及绿色工房的相关要求，本工程学生宿舍拟配套建设太阳能热水系统，宿舍屋顶安装集热器及水箱，利用太阳能加热水，用于学生沐浴及生活用水。 设计为 24 小时供应热水，热水
5、设计水温为 55（可调） 。系统主要由太阳能集热器、储热水箱、循环管路及水泵、控制系统组成。其中太阳能集热器、太阳能集热水箱均安装在建筑的屋顶，实现一体化结构，整套热水系统由智能控制器控制，自动化运行，可实现无人值守。 工程设计要点： 1.建筑与太阳能一体化 ： 考虑太阳能与建筑结构匹配，外观美观大气，使用轻钢结构作支架，斜坡类型、颜色、尺寸尽可能接近，不出现设计缺陷，整体建筑风格应保持一致。 2.建筑自身负荷： 太阳能平均负荷约为 70kg，加之轻钢结构对屋面都产生一定影响，所以设计时尽量考虑全面，避免屋面沉降；其次，屋面与轻钢结构接触，考虑与隔热防水层衔接完好。 3.太阳能与轻钢结构联接尽
6、可能考虑镙栓联接，接口做过防锈处理，镙栓镙帽使用不锈钢或热镀锌材料。 4.太阳能售后检修通道，日常维护通过应考虑检修通道便于检修。 5.太阳能与钢结构防风、防雷击、防锈蚀。太阳能主机，联箱，管道，钢结构支架等进行防锈处理；同时建筑结构应考虑防台风的增强措施，太阳能在建筑顶层，防雷击措施到位。 三、太阳能系统运行原理 1.水位上水:系统采用水位上水方式，即当储热水箱水位低于最低水位 h1 时，上水电磁阀 F1 开启，向水箱内进水，当水位达到 h2 时，系统处于满水状态，即可进入集热过程。 2.温差循环:当储热水箱达到最高水位 h2 后，上水电磁阀 F1 不再开启,系统自动比较集热器出口水温 T1
7、 与储热水箱出口水温 T2，当 T1-T28C 时，集热循环泵 P1 自动开启温差循环，当 T1-T22C 时，集热循环泵 P1 停止。 3.快速补水:如果用水量较大集热器产水量不能满足要求，储热水箱水位不断下降至最低警戒水位 h1 时，上水电磁阀 F1 打开，系统快速补水，避免系统断水。若上水电磁阀 F1 出现故障，系统无法正常补水时，可开启手动补水阀 F2 通过浮球阀进行补水控制。 4.保温循环:用户供热管路设置自动增压循环泵，在保证系统管路压力的恒定也能保证管路内水温的恒定。当热水回水管管路水温 T5 低于40时，回水电磁阀 F3 打开，进行保温循环，当 T4 升至 45时，回水电磁阀
8、F3 关闭，待管路内压力恢复设定值时水泵停止循环，保证用户端水温、水压的恒定。 5.防冻循环：当室外管路水温 T3 低于 6C 时，集热循环泵自动启动进行防冻循环，T3 升至 8C 时，停止循环，保证室外管路冬季不发生冰冻危险。 四、太阳能系统设计计算 1、系统集热面积的确认 （1）设计用气象参数 从上图可看出，北京属于我国太阳能资源 II 类地区，地理位置：北纬 3956；年平均日太阳辐照量：16.014MJ/ m2； （2）太阳能集热系统面积的确定： 太阳集热器数量的确定（以春秋季节为依据） ，水温要求 55 （式1） 直接系统集热器采光面积，； 日均用水量 Kg； 水的密度，0.983k
9、g/L； 储水箱内水的终止温度（用水温度）55； 水的定压比热容，4.187KJ/（） ； 水的初始温度，5； 集热器受热面上年均日辐照量，16014KJ/m2 太阳能保证率，无量纲， 0.5； 集热器全日集热效率，无量纲，0.55； 管路及储水箱热损失率，无量纲，0.2； 本工程拟系统采用 U 型管式集热器，型号为 U1858-30，太阳能集热器的规格为 581.8 米30 支，每组集热器 30 支集热管，每支集热管的集热面积为 0.16，每组集热器集热面 300.164.8m2。 根据屋面的实际摆放情况，各楼集热器摆放数量如下： A 区 A1 号楼，日热水用量 20 吨，设置集热器 60
10、组，集热面积为288； A2 号楼，日热水用量 20 吨，设置集热器 60 组，集热面积为 288；B 区 B1 号楼，一单元日热水用量 12 吨；设置集热器 30 组，集热面积为 144， 二单元日热水用量 12 吨；设置集热器 28 组，集热面积为 134.4， 三单元日热水用量 12 吨；设置集热器 30 组，集热面积为 144， B2 号楼，一单元日热水用量 12 吨；设置集热器 30 组，集热面积为 144， 二单元日热水用量 12 吨；设置集热器 28 组，集热面积为 134.4， 三单元日热水用量 12 吨；设置集热器 30 组，集热面积为 144， B3 号楼，一单元日热水用量
11、 12 吨；设置集热器 30 组，集热面积为144， 二单元日热水用量 12 吨；设置集热器 30 组，集热面积为 144， （3）集热器的布置 1）采用串并联方式，集热器采用串并联的连接方式，通过角钢支架倾角约 15 度左右敷设于屋面集热器基础上。 2）集热器组前后排摆放时，为了放置前排的太阳能集热器不遮挡后排必须使得后排集热器不在前排集热器的投影里。 3）集热器安装平台：本工程安装在建筑的楼顶上，在屋面上预置混凝土基础，在此基础上搭建钢结构支架（与预埋在基础上的金属构件焊接）作为太阳能集热器的安装平台。 4）太阳能集热器的连接组合：对于强制循环系统，太阳能集热器采用串联、并联相结合的方式进
12、行连接。 2、太阳能循环泵设计： 1）水泵选择：水循环泵 2）型号选择：根据施工现场的条件，结合现场情况，查看威乐水泵扬程流量曲线，各个系统选择水泵型号为： A 区：A1、A2 号楼的 20 吨热水系统分别设置两个循环系统，则每个循环系统的集热循环泵为 PH-251E输入功率为 500W，全扬程为7.5m，最大流量为 13.8T/h，电源 220v。 B 区：B1 楼由 3 个单元组成，B2 楼由 3 个单元组成、B3 楼由 2 个单元组成，现将每个单元作为一套独立的热水系统设置，每单元用水量为12 吨，则集热循环泵为 PH-251E输入功率为 500W，全扬程为 7.5m，最大流量为 13.
13、8T/h，电源 220v。 型号 电源 功率（ W） 扬程（m) 流量（ l/min) 管径（mm） 重量（kg) 输入 输出 最大 额定 最大 额定 PH-251E 220V/50Hz 410 250 7.5 4 230 190 65 17 3、系统管路设计 1、管材选型：选用衬塑复合管。 2、管径确定：由上述所计算的集热器循环流量及流速要求，太阳能集热循环管路的管径为：DN50； 3、管路保温：采用橡塑保温棉材料，室外明露部分管路保温棉外包铝皮防护。 4、储热水箱设计 A 区：A1、A2 号楼的分别设置 1 个 20 吨水箱。 B 区：B1、B2、B3 楼的每单元分别设置 1 个 12 吨
14、水箱。 水箱形式为不锈钢方形拼装水箱，保温材料为聚氨酯发泡保温，厚度 5cm。 保温材料性能：聚胺脂发泡性能表 参数 性 能 测试标准 单位 测试说明 测试结果 备注 密度 GB6343-86 Kg/m3 35.82 压缩 强度 GB8813-88 Kpa 172.5 导热 系数 GB10295-88 W/Mk 热板温度 25 冷板温度 5 平均温度 15 0.0193 尺寸 稳定性 GB8811-88 % 方向 条件 L W T 平均值 L：长度 W: 宽度 T: 厚度 -20，24h 0.23 0.18 0.46 0.30 100，24h 0.63 0.46 0.69 0.60 闭孔率 G
15、B10799-89 % 体积膨胀法 23 95.10 5、辅助热源的确立 （1） 、空气源热泵辅助加热：在太阳能热水系统中最恶劣的状况就是连阴天，考虑学生洗浴规律，选用 KRS-17型（5P）热泵机组 5 台。其设备制热量 105KW，输入功率 25KW，小时产水量 2250Kg。保证在 7 个小时内能将 15 吨恒温水箱中的热水从基础温度 10加热到 40。 （2） 、电加热：本项目采用外置式水电分离电加热机组，选用功率为 90Kw 电加热机组，分三级控制，连阴天时可保证学生正常用水。 （3） 、热交换站热水利用：如果学校建设热交换站，也可作为太阳能系统的辅助热源，本热源运行成本较上两种都比较经济，可最大程度节约常规能源。 6、控制系统功能的设计（系统运行原理） （1）电控系统采用自动控制仪表。 （2）考虑到太阳能系统设置在建筑楼顶，对系统的监控比较麻烦，现设计远距离显示与简单控制的太阳能远程控制系统 系统控制原理如下图所示： 现场信号现场信号 控制信号控制信号 五、主要材料的选用 1、太阳能集热器选用“铜铝复合式”新型 U 形管式真空管型太阳能集热器，该集热器导热能力墙、得热量高，热量转化完全、热损失小、
