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太阳能热水系统设计的基础知识

分类:技术支持 标签: 2016年11月19日 下午 9:48

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主动循环系统
主动循环式太阳热水系统(又称强制循环太阳热水系统)是利用机械设备等外部动力迫使传热工质通过集热器或换热器进行循环的热水系统。图1-4表示主动循环式太阳热水系统。这种系统在集热器和贮水箱之间管路上设置水泵,作系统中的水循环动力。系统中设有控制装置,根据集热器出口与贮水箱之间的温差控制水泵运转。在水泵入口处,装止回阀,防止夜间系统中发生水倒流而引起热损失。
主动循环式太阳热水系统使循环动力大大加,有利于提高热效率,实现热水系统的多种功能及控制,是目前应用较广泛的一种热水系统形式。目前在大型太阳热水工程中,可以用普通太阳热水器串并联组成上述的各种系统,但更常用的是联集管集热器组成各种形式的热水系统。在后面的章节中将根据、所用的集热装置的不同来分别叙述。

自然循环系统
自然循环系统是利用传热工质内部的温度梯度产生的密度差所形成的自然对流进行循环的热水系统。这种系统结构简单不需要附加动力,在自然循环中,为了保证必要的热虹吸压头,贮水箱应置于集热器上方,如图所示。
运行过程是水在集热器中受太阳辐射能加热,温度升高,加热后的水从集热器的上循环管进入贮水箱的上部,与此同时,贮水箱底部的冷水由下循环管流入集热器,经过一段时间后,水箱中的水形成明显的温度分层,上层水达到可使用温度。用热水时,由补给水箱向贮水箱底部补充冷水,将贮水箱上层热水顶出使用,其水位由补给水箱内的浮球阀控制。
这是国内最早采用的一种太阳热水系统。其优点是系统结构简单,运运行安全可靠,不需要辅助能源,管理方便。其缺点是为了维持必要的热虹吸压头,并防止系统在夜间产生倒流现象,贮水箱必须置于集热器的上方。这正是我国目前大量推广应用的热水系统设计。大型太阳热水系统,不适宜采用这种自然循环方式。因为大型系统的贮水箱很大,要将贮水箱置于集热器上方,在建筑布置和荷重设计上都会带来很多问题。

直流式系统
直流式太阳热水系统是传热工质一次流过集热器加热后便进入储水箱或用水点的非循环热水系统,储水箱的作用仅为储存集热器所排出的热水,直流式系统有热虹吸型和定温放水型两种。
热虹吸型:热虹吸型直流式太阳热水系统由集热器、贮水箱、补给水箱和连接管道级成,如图1-2所示。
补给水箱的水位由箱中的浮球阀控制,使之与集热器出口热水器(上升管)的最高位置一致。根据连通管的原原理,在集热器无阳光照射时,集热器、上升管和下降管均充满水,但不流动。当集热器受到阳光照射后,其内部的水温升高,在系统中形成热虹吸压力,从而使热水由上升管流入储水箱,同时补给水箱的冷水则自动经下降管进入集热器。太阳辐射愈强,则所得的热水温度愈高,数量也愈多。早晨太阳升起一段时间以后,在储水箱中便开始收集到热水。这种虹吸型直流式太阳热水系统的流量具有自动调节功能,但供水温度不能按用户要求自行调节。这种系统目前应用的较少。

定温放水型:为了得到温度符合于用户要求的热水,通常采用定温放水型直流式太阳热水系统,如图所示。该系统在集热器出口处安装测温元件,通过温度控制器,控制安装在集热器入口管道上的开度,达到根据温度调节水流量,使出口水温始终保持恒定。这种系统不用补给水箱,补给水管直接与自来水管连接。系统运行的可靠性,同样决定于电动阀和控制器的工作质量。
直流式太阳热水系统具有很多优点:
A由于系统的补冷水由自来水直接供给,自来水具有一定的压头,保证了系统的水循环动力,因此系统中不需设置水泵。
B储水箱可以因地制宜地放在室内,既减轻了屋顶载荷,也有利于储水箱保温,减少热损失。
C完全避免了热水与集热器入口冷水的掺混。
D可以取消补给水箱。
E系统管理得到大大简化。
F阴天,只要有一段见晴的时刻,就可以得到一定量的适用热水。
所以,定温放水型直流式太阳热水系统特别适合于大型太阳热水装置,布置也较为灵活。缺点是要求性能可靠的电磁阀和控制器,从而使系统较为复杂。担由于它具有很多优点,在能够得到性能可靠的电磁阀的条件下,应是一种结构合理、值得推广的太阳热水系统。目前国内有一定的应用。
同程的计算(水力计算)
太阳能系统中应保证各个循环管路登程,目的是保证各循环管路阻力一致而保证系统循环、流量均衡,使热效率达到最大利用率。
设计过程中,一定要计算各管路的管径,过细的管路会增加系统阻力,降低循环流量,用水管路流量达不到用户要求,故管径一定要匹配。同时,非承压系统中需计算集热器的承压能力,否则,集热器会由于承受压力过大而导致漏水等情况。
若系统管路不能登程的可通过进行水力的计算进行管径调节以此调节通过各集热器的流阻相同,达到流量均衡。
同时,建筑内部的供水管道也应进行水力的计算,以达到各配水点的流量均衡。
(1)建筑内部给水系统
A给水所需水压
根据卫生器具和用水设备用途要求而规定的,其配水装置单位时间的出水量为额定流量。
各种配水装置为克服给水配件内摩阻、冲击及流速变化等阻力,而放出额定流量所需要的最小静水压称流出水头。
给水系统中如若某一配水点的水压被满足则系统中其他任何用水点的压力也均能被满足,则该点称为给水系统中的最不利配水点。
这个点通常位于系统的最高,最远处。
要满足建筑内部给水系统各配水点单位时间内使用时所需的水量,给水系统的水压就应保证最不利点配水器具有足够的流出水头。
建筑内给水系统所需压力,计算公式如下:
H=H1+H2+H3+H4
式中H——建筑内给水系统所需水压,kPa;
H1——引入管起点至最不利配水点位置高度所要求的静水压,kPa;
H2——引入管起点至最不利配水点的给水管路既计算管路的沿程与局部水头损失之和,kPa;
H3——水流通过水表时的压力损失kPa;
H4——最不利配水点所需要的流出水头kPa.。
其中H4可通过查表得出。

常用卫生器具的给水额定流量、当量、连接管公称管径和最低工作压力

B、热水用水定额
热水用水定额根据卫生器具的完善程度和地区条件确定。参照GB50015的热水定额
热水用水定额表-1



热水用水定额表-2



C、设计小时用水量的计算
根据用水单位数计算:


根据使用热水的卫生器具数量计算:

D设计秒流量
给水管道的设计流量不仅是确定各管段管径,也是计算管道水头损失,进而确定给水系统所需压力的主要依据。建筑内的生活用水量在1昼夜、1小时内都是不均匀的,为保证用水,生活给水管道的设计流量应为建筑内,卫生器具按配水最不利情况组合出流时的最大瞬时流量又称设计秒流量。
当前我国生活用水管网设计秒流量的计算方法,按建筑的用水特点可分为以下几种:
住宅生活给水管道设计秒流量计算:

工业企业的生活间、公共浴室、职工食堂或营业餐厅的厨房、体育场馆运动员休息室、剧院的化妆间、普通理化实验室等建筑的生活给水管道的设计秒流量计算:

集体宿舍、旅馆、宾馆、医院、疗养院、幼儿园、养老院、办公楼、商场、客运站、会展中心、中小学教学楼及公共厕所等建筑的生活给水管道的设计秒流量计算:

根据建筑物用途而定的系数a值

当量:将一个支管直径为15mm的配水龙头的额定流量0.2L/s作为一个当量,其他卫生器具给水额定流量对它的比值,就是该卫生器具的当量值。
用水器具当量表



E管道管径计算
各循环管段的管径计算

上式中流速的确定,根据我国《建筑给排水设计规范》中规定,通过技术经济分析,并考虑室内环境产生噪声允许范围来选用。
热水给水管道的水流速度

G给水管道水头损失计算
管道的水头损失也就是管道上的压力损失,包括沿程水头损失和局
部水头损失两部分:
管段沿程水头损失:hi=iL
式中:hi—管段的沿程水头损失,kPa;
i—单位长度的沿程水头损失,kPa/m;
L—管段长度,m;
i可根据下列公式计算得出:

局部水头损失:

生活给水管道配水管的局部水头损失,宜按管道的连接方式,采用管件当量长度法计算。管件当量长度的含义是指:管(配)件所产生的局部损失大小与同管径某一长度管道所产生的沿程水头损失相等。亦即该长度为该管(配)件的当量长度。
当管道的管(配)件长度资料不足时,可按管网沿程损失的百分数估算局部水头损失,生活给水系统中采用25%—30%。
水表水头损失计算:
水表水头损失的计算是在选定水表的型号后进行的。水表的选择包括确定水表的型号及口径,水表类型应根据各类水表的特性和安装水表管段通过水流的水质、水量、水压、水温等情况选定。而水表口径在用水较均匀时,应以安装水表管段的设计秒流量不大于水表的公称流量来确定。水表的公称流量是水表允许在相当长的时间内通过的流量,也就是水表的额定流量。当用水不均匀,且连续高峰负荷每昼夜不超过2~3h时,可按设计秒流量不大于水表的最大流量来确定。水表的最大流量为水表只允许短时间内使用的流量,为使表使用的流量上限。对于水表的水头损失可按下式计算:


H水力计算的方法步骤
首先根据建筑平面图和初定的给水方式,绘制给水管道平面图及轴侧图,列出水力计算表。然后:
1、根据轴侧图选择给水系统中的配水最不利点,以确定计算管路,若在轴侧图中难以判定配水最不利点,则应同时选择几条计算管路,分别计算各管路所需压力,其最大值为建筑内给水系统所需压力;
2、以流量变化处为节点,从配水最不利点开始,进行节点编号,将计算管路划分成几段管段,并得出两节点间计算管段的长度;
3、根据建筑的性质选择合适的设计秒流量公式,计算出各管段的设计秒流量;
4、根据管段的设计秒流量,查相应管材的热水管道水力计算表,在控制流速v在正常范围内的情况下,查出管径和单位长度的水头损失值。
5、将各数值列表,进行计算。
举例:某建筑为疗养院,共5层,10个淋浴喷头。建筑层高3米。入户管标高-1.0米。给水方式为:供热水箱在地下室,采用水泵直接
供水。确定管道管径,水泵的流量和扬程。
首先绘制给水系统轴侧图。根据配水最不利点,确定计算管路。在流量变化节点,做节点标号,如图:
确定设计秒流量公式为:

查表可得系数a为2,则设计秒流量公式为




一、根据水力计算表,可以得出:
1.各管段的管径和流速,管段设计秒流量。
2.可以得出管道沿程水头损失之和为2.79m,取局部水头损失为沿程的30%,则管道总水头损失为:1.3X2.79=3.63m。
二、水泵的扬程计算:
已知H1=13m;H2=3.63m;未安装水表则H3=0;H4=0.4m.
为使水泵工作时留有压力余量,采用系数1.2,则水泵的扬程为:
H=H1+H2+H3+H4=20m
(1)太阳集热系统
A设计水量
对于太阳热水系统,我们主要对集热循环部分进行管道水力计算,集热循环管路为闭合回路,则管道计算流量为循环流量,按下列公式计算:

式中:q—循环流量,L/h;
Qs—热循环流量,由于太阳辐照量的不确定性,联集管热水系统的集热循环流量无法准确计算,一般采用每平方米集热器的流量为0.01~0.02L/s,即36~72L/(h•㎡)。
A—太阳能集热器的总集热面积。
B集热循环所需水压
集热循环泵的扬程计算:
H=H1+H2+H3
式中H——建筑内给水系统所需水压,kPa;
H1——水泵吸水管起点至最不利配水点位置高度所要求的静水压,kPa;
H2——水泵吸水管起点至最不利配水点的给水管路既计算管路的沿程与局部水头损失之和,kPa;
H3——最不利配水点所需要的流出水头kPa.。其中H3根据经验可取2-3m。
各循环管段的管径计算:

C太阳热水系统水力计算
例题:某招待所太阳热水洗浴工程,每天用水量2吨。楼顶为平屋面,面积足够大,且楼顶承重负荷足够大,集热器和水箱都放置在楼顶上,集热器共6台,型号JPS-30TX21-33°,2吨组合式水箱1个。该工程位于太阳辐照量一般地区,管道连接方式见管路系统图:

根据设计流量的计算公式:

取Qs=(50L/(h•㎡),则管段1-2的流量为0.45L/s;同理管段2-3的流量为0.22L/s,其他管段类推:管段4-5:0.22L/s;管段5-6:0.45L/s。
根据各管段的设计流量,控制流速在合适范围内,列出水力计算表
(一)管路部分水力计算:
集热循环管路水力计算表

热水管道水力计算表

由集热循环管路水力计算表可以得出:管路的沿程水头损失为:0.71m;取局部水头损失为沿程水头损失的30%,则共管路水头损失为:
H2-1=1.3X0.71=0.92m。
(二)集热器部分水力计算
结合联机管前后的管路连接情况,及集热器的压力降(可根据集热器检测报告):

由上表可得:联集管水箱沿程及局部管道损失值
H2-2=0.01956+0.0025+0.0163=0.03836m
则三台集热器的水头损失为:0.04×3=0.12m.
由(一)和(二)计算知:
集热循环管路系统总水头损失为:
H2=H2-1+H2-2=0.92+0.12=1.04m.
水泵的扬程计算:
已知H1=1m;H2=1.04m;H3=2m.
为使水泵工作时留有压力余量,采用系数1.2
则水泵的扬程为:
H=1.2(H1+H2+H3)=4.85m
责任编辑:祁颖瑞电话:0534—2753670
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如果您有太阳能方面的需求,也可以直接与我们宋工联系:135-6460-1168

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