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新一代高层居住(C区)太阳能热水系统设计示例

新一代高层居住(C区)太阳能热水系统设计示例

河北建新建筑集团公司 张雅冬 何爱云

来源:河北建新建筑集团公司 上传:2022-12-18 浏览:926

  引言:保定市新一代高层居住(C区)(以下简称“新一代C区”)占地362.492亩,规划总建筑面积约为63万 m2,其中高层住宅约50万m2,住宅以板式为主。坚持“合理利用能源,降低能耗”的理念设计,严格按照当地节能政策标准要求执行,并采用新型节能墙体材料和屋面保温隔热技术与材料、节能门窗的保温隔热和密闭技术、广泛采用可再生能源应用技术及设备等主要节能措施,其中采用屋顶太阳能集中24小时供应生活热水,开创本地太阳能应用的先例。

  新一代C区三期工程太阳能集中供热水系统 由保定新一代房地产开发有限公司、河北建新建筑集团股份有限公司、保定市新一代沃尔达商贸有限公司联合设计,该工程已于2008年10月交付业主并取得了良好的效果。
  现以16#楼为例分析太阳能集中供热水系统的设计。

  一、设计基本要求:
  新一代C区16#楼为两个单元,一梯两户板式住宅楼,共十九层,76户,总建筑面积8375㎡。以每户日均需水量按60kg计算,系统日均产水量4.5 吨。晴好天气以太阳能为主,辅助热源为电加热。供水方式为全天 24 小时恒温 50 ℃供应热水,市政供水温度以春秋季节平均取10℃。

  二、设计依据:
  GB/T18713-2002 《太阳能热水系统设计、安装及工程验收技术规范》;
  GB/T4272-1992 《设备及管道保温技术通则》;
  GB/T6424-1997 《太阳能集热器技术条件》;
  GB/T93-86 《工业自动化仪表工程及验收规范》;
  GB5042 《建筑给水排水采暖工程施工质量验收规范》;
  NY/T651-2002《家用太阳能热水系统安装、运行维护技术规范》;
  国家气象局发布的参考气象数据。
  保定市地处我国华北中部地区,属温带季风气候区,年平均气温为 11.5 ℃。以春秋季节计算,年平均日太阳辐射量水平面为14.18MJ/㎡,其中太阳能倾角表面为16.014 MJ/㎡,晴天平均日照时间为 8.5 小时。

  三、设计原理:
  
  1、太阳能集热水箱系统工作原理:
  集热温差循环:在集热水箱内,当集热器出口温度T1与集热水箱温度差T1-T2>Tm(设定为5℃),循环热水泵P1自动开启,通过强制循环把集热器内的热水置换到集热水箱内,当T1-T2<Tn(设定为2℃)℃,循环泵P1自动停止工作。循环加热集热水箱的热水。
  集热器定温放水:当集热器出口温度T1>46℃,且集热水箱水位未达到L3高液位时,电磁阀DF1打开,冷水不断把集热器的热水顶入集热水箱,当T1<41℃时,关闭电磁阀DF1。
  如此往复太阳能加热和补水,集热水箱水位逐渐上升,当集热水箱水位达到L3高液位后电磁阀DF1关闭。
  2、恒温水箱工作原理:
  恒温水箱温差循环:恒温水箱一直保持50℃-55℃的热水,当恒温水箱温度T4降至48℃,而集热水箱温度T2>50℃时,电磁阀DF4打开,循环泵P4自动开启,通过强制循环把集热水箱的热水置换到恒温水箱内,当恒温水箱温度T4>50℃时,电磁阀DF4和循环泵P4自动停止工作。
  集热水箱定温放水:当集热水箱温度T2>50℃,且恒温热水箱水位未达到L4高液位时,电磁阀DF4打开,循环泵P4自动开启,把集热水箱的热水打入恒温集水箱,当T2<50℃或恒温水箱补水至最高水位L4时,关闭电磁阀DF4和循环泵P4。
  恒温水箱高温补水:当恒温水箱温度T4>55℃时,上水电磁阀DF2开启,将冷水注入恒温水箱,当温度T4降到50℃或水位升至L4时电磁阀DF2关闭。
  如此往复太阳能加热和补水,恒温水箱水位逐渐上升,当恒温水箱水位达到L4高液位后电磁阀DF4和循环泵P4关闭。
  3、水箱低水位补水工作原理:
  在太阳能充足的时间内,两热水箱通过上述的定温放水即可完成补水。相反,当T1、T2温度低于定温放水设定温度,水箱水位又降到最低水位(集热水箱L1、恒温水箱L2)时,两水箱将强制补水,但是系统将处于低水位运行模式。
  集热水箱低水位运行:集热水箱补水至L5停止,集热器温度T1达到定温放水要求后继续补水,相反,水位下降至L1时重复补水至L5。
  恒温水箱低水位运行:恒温水箱补水至L6停止,集热水箱温度T2达到定温放水要求后继续补水,相反,水位下降至L2时重复补水至L6。
  *水箱低水位运行时不会影响各温差循环功能。
  4、供热水管网工作原理:
  供水管网采用恒压变频控制,供水管路采用主管路回路循环保证由于管网长和长时间不用水,主管路水温下降的缺点。在恒温水箱供水管路口安装变频控制和增压水泵,保证供水管路一定的压力,当用户用水时,管路压力下降,控制水泵启动增加,达到一定压力自动停止。当管路内长时间不用水时,管路末端回水温度传感器T5低于40℃时,打开电磁阀3,管路压力下降水泵启动,循环供水管路的水,当T5达到45℃时,关闭电磁阀3,供水泵停止。
  5、太阳能系统的辅助加热系统:
  采用电加热和恒温水箱分离,用循环泵使水箱内的水和加热装置进行循环,即可以提高电加热的使用寿命,维修也方便。
  只要恒温水箱温度T4低于设定温度45℃,辅助电加热循环泵P3自动启动,将水注入电加热水箱,电加热装置开启。当T4>50℃时循环泵P3和电加热装置停止。
  6、电器保护:
  集热水箱低水位时,循环泵P4和电磁阀DF4停止工作。
  恒温水箱低水位时,电加热和循环泵P2停止工作。
  电加热系统每次最长运行40分钟,与二次启动相隔5分钟。
  集热器出口温度高于85℃时,自来水补水电磁阀DF1和集热循环泵P1不启动。
  7、太阳能系统另配定时供水、定时电加热功能。

  四、系统设计:
  主要由集热器、储热水箱、辅助热源、循环管道、自动控制、阻垢除垢、恒温供水系统等七部分组成。
  (一)集热器 :
  1、热负荷:需水量4500kg ,Q=4500kg×(50 ℃-10 ℃)×4.18=752.4MJ;
  2、集热面积:太阳能热水系统的产水量与太阳辐射强度和日照时间及集热器受光面积密切相关,一年四季变化很大。因此本方案按年平均辐射量进行设计。太阳能热水系统集热效率为 51%,管路及储热水箱热损失率为0.2,则集热面积为:A=752.4MJ/[16.014MJ/㎡×51%×(1-0.2)]=115㎡。
  3、集热器选型及铺放安装:
  选用力诺瑞特LPC47-1550型集热器;真空管规格Ф47×1500mm;进口0.6mmSUS304-2B不锈钢内芯;每组集热单元采光面积6.25㎡,单元总容水量82L。
  集热器联箱。内胆用0.6mmSUS304-2B食品级不锈钢;外皮用0.5mm不锈钢;尾托架用1.2mm不锈钢尾托、PBT尾架;联箱保温用聚氨脂 ,闭孔率≥95% 。
  集热器安装在屋顶,按单组并串联方式铺放;集热管水平角度2度,对地倾角15~30度;每个系统组成一个集热器阵列,所产热水直接进入储水箱备用。
  (二)储热水箱  设计储热水箱和恒温水箱各一台,储热水箱的有效容积按照产水量进行设计,实际规格按大于有效容积的 10% 进行生产。恒温水箱的容积为1.5吨。水箱内胆采用 1.2mm 厚的 SUS304-2B 进口食品级不锈钢板材,氩弧焊接技术成型,保温层采用70mm 进口聚氨酯整体发泡,闭孔率95%;外壳采用0.5mm不锈钢板拉铆工艺制作;水箱整体现场组装完成。
  (三)辅助加热  考虑全年阴雨天气为100天,按时阴雨天完全靠电加热计算,设计电辅助加热功率为36KW。
  (四)管道循环系统  管路采用标准饮用水热镀锌管道;楼面以上管道采用70mm聚氨酯保温;安装供水泵、集热循环泵 、加热循环泵各二台(一备一用)。
  (五)自动控制系统  控制系统采用 PLC控制器与优质电器组合而成。所有电器元件均采用国内优质产品,实现自动化智能操作,同时具备手动强制启停功能,维修更方便,功能更齐全。
  (六)阻垢防垢  在冷水进水口安装阻垢器(硅磷精)是一种经济有效的环保型产品,是由对人体有益的聚磷酸盐(牛奶、大豆中富含)和硅酸盐(矿泉水中富含)组成,能防止钙镁离子、碳酸盐垢和铁垢的形成,其中的P-P成分隔绝水中溶解氧与金属离子的反应。通过阻垢防垢,提高系统各部件的使用寿命。
  (七)恒温供水系统 按照全天候恒温50℃供水要求,设恒温水箱1台,无论在任何状态下,使恒温水箱的温度始终保持在 50℃,偏差不超过± 2℃。■