太阳能供热采暖系统设计.pdf

太阳能供热采暖系统设计太阳能供热采暖系统设计 何涛何涛 中国建筑科学研究院 教授级高级工程师中国建筑科学研究院 教授级高级工程师 国家太阳能热水器质量监督检验中心（北京） 副主任国家太阳能热水器质量监督检验中心（北京） 副主任 2012年年5月月 一、系统简介 二、负荷特点 三、系统设计 系统概念系统概念 太阳能供热采暖系统，顾名思义，是要同时满 足供热和采暖两方面功能要求的系统 系统一般由太阳能集热器、贮水箱、循环管路、 辅助热源、控制系统、末端设备及其他附件组成 系统主要特点系统主要特点 u 生活热水系统和采暖系统共用一套系统组件 u 但是由于建筑物的采暖负荷远大于热水负荷，负荷 的季节性变化、每日变化、热水品质等特性也不尽 相同因此，太阳能采暖系统所需的集热器面积会 大于热水系统所需的集热器面积 u 太阳能集热系统要做到全年综合利用，否则就会造 成系统投资和自然资源的双重浪费，并有可能在非 采暖季因系统过热而产生安全隐患 围护结构要求围护结构要求 u 太阳能供热采暖系统，首先应考虑降低建筑物的耗 热量，检查建筑物围护结构的热工性能，使得建筑 热工与节能设计不低于国家有关建筑节能标准的规 定。

在此基础上，有条件的工程项目还应适当提高 标准 太阳能系 统保证率 围护结 构能耗 一、系统简介 二、负荷特点 三、系统设计 负荷特点负荷特点 序号供热负荷采暖负荷序号供热负荷采暖负荷 1负荷量相对较小负荷量相对较大负荷量相对较小负荷量相对较大 2全年使用，负荷较为均衡只在采暖季使用，有季节特性全年使用，负荷较为均衡只在采暖季使用，有季节特性 3 每日集中使用，有峰值；日变化量每日集中使用，有峰值；日变化量 较大较大 每日负荷相对平稳；日变化量较每日负荷相对平稳；日变化量较 小小 4热水不能循环使用；需要及时补水热水不能循环使用；需要及时补水 热水可以循环使用；只需少量补热水可以循环使用；只需少量补 水水 5集热系统进出口温差较大集热系统进出口温差较小集热系统进出口温差较大集热系统进出口温差较小 6无软化要求需要软化，防止管路结垢堵塞无软化要求需要软化，防止管路结垢堵塞 采暖负荷和供热负荷的特性比较 采暖热负荷采暖热负荷 太阳能供热采暖系统应该依据建筑耗热量来设计， 建筑耗热量按下式进行计算： HHTINFIH =+− H Q HT Q INF Q IH Q —建筑物耗热量，W； —通过围护结构的传热耗热量，W； —空气渗透耗热量，W； —建筑物内部得热量（照明、电器、炊事、人 体散热和被动太阳能得热等），W。

热水供应负荷热水供应负荷 W Q m r q w C —生活热水日平均耗热量，W； —用水计算单位数(人数或床位数)； —热水用水定额，L/(人·d)或L/(床·d)； —水的比热容，取4187J/(kg·℃)； () 86400 rwwrl w mq ctt Q ρ− = w ρ —热水密度，kg/L； r t —热水温度； l t—冷水温度 一、系统简介 二、负荷特点 三、系统设计 总 则总 则 太阳能供热采暖系统选用的系统形式和产品应综合 考虑： u 当地的太阳能资源和气候条件， u 建筑物类型 u 投资规模 在保证系统使用功能的前提下，要使系统的性价 比最优 u 太阳能供热采暖系统应根据不同地区和使用条件 采取防冻、防结露、防过热、防雷、防雹、抗风、 抗震和保证电气安全等技术措施 u 太阳能供热采暖系统应设置其它能源辅助加热/换 热设备，做到因地制宜、经济适用应优先选用 工业余热、生物质燃料等低品味热能的应用 总 则总 则 u 集热器效率受室外环境气温和系统工作温度的影 响很大在进行集热器设计选型时一定要针对设 计运行参数进行计算，否则可能会造成集热器面 积的偏差，导致节能效果的偏差。

总 则总 则 太阳能供热采暖系统最显著的特点是利用太阳能替 代常规能源，从而节约供热采暖系统的能耗，减轻 环境污染 在系统设计完成后，应进行系统节能、环保效益预 评估，当业主或开发商对评估结果不满意时，可以 调整设计方案、参数，进行重新设计 总 则总 则 p系统选型 u太阳能集热系统：太阳能集热器1、循环管路、集 热循环泵7或风机等动力设备和相关附件组成； u蓄热系统：蓄热（换热）水箱2、蓄热水池或卵石 蓄热堆等蓄热装置和管路、附件； u末端供热采暖系统：低温热水地板辐射采暖末端 供暖系统为宜； u自动控制系统和其它能源辅助加热/换热设备 总 则总 则 太阳能供热采暖系统原理图示例 总 则总 则 p系统选型-太阳能集热系统 u 液体工质集热器是目前应用最为广泛，市场最为 主流的产品考虑到用水卫生和防冻等因素，一 般优先推荐采用间接式系统 u 目前空气集热器多与蓄热能力较高的卵石床等结 合使用在太阳能采暖中，在工业过程的加热、除 湿等过程中也有应用对于空气集热器系统多采 用直接式系统 总 则总 则 p系统选型-蓄热系统 u 目前国内基本上是应用短期蓄热系统，但国外已有 大量的季节蓄热太阳能供热采暖系统工程实践，并 且有十多年的工程应用经验，技术成熟，由太阳能 替代的常规能源量更大。

国内也有少量工程实例应 用了太阳能季节蓄热系统 u 蓄热系统应根据系统的投资规模和工程应用地区的 气候特点来选择，一般来说，气候干燥、阴、雨、 雪天较少和冬季气温较高地区可用短期蓄热系统， 选择蓄热能力较低和蓄热周期较短的蓄热设备；而 冬季寒冷、夏季凉爽、不需设空调系统的地区，更 适宜选择季节蓄热太阳能供热采暖系统，以利于系 统全年的综合利用 总 则总 则 p系统选型-末端系统 u 应使用低温热水地板辐射采暖末端供暖系统；寒冷 地区但应适当加大散热器面积以满足室温设计要求； 夏热冬冷和温和地区，可以选用工作温度稍高的末 端供暖系统，如散热器等，以降低投资； u 夏热冬冷地区，系统的全年综合利用可以冬季供暖、 夏季空调，冬夏季使用相同的水—空气处理设备， 从而降低造价，提高系统的经济性 u 夏热冬冷和温和地区的供暖需求不高，供暖负荷较 小，短期蓄热即可满足要求；夏热冬冷地区的系统 全年综合利用可以用夏季空调来解决 总 则总 则 建筑气候分区严寒寒冷夏热冬冷、温和建筑气候分区严寒寒冷夏热冬冷、温和 建筑物类型建筑物类型 低低 层层 多多 层层 高高 层层 低低 层层 多多 层层 高高 层层 低低 层层 多多 层层 高高 层层 太阳太阳 能能 供供 热热 采采 暖暖 系系 统统 类类 型型 太阳能集热器太阳能集热器 液体工质集热器●●●●●●●●●液体工质集热器●●●●●●●●● 空气集热器●空气集热器●——●●——●●—— 集热系统运行方式集热系统运行方式 直接系统直接系统——————●●●●●● 间接系统●●●●●●间接系统●●●●●●——— 系统蓄热能力系统蓄热能力 短期蓄热●●●●●●●●●短期蓄热●●●●●●●●● 季节蓄热●●●●●●季节蓄热●●●●●●——— 末端采暖系统末端采暖系统 低温热水地板辐射●●●●●●●●●低温热水地板辐射●●●●●●●●● 水水—气处理设备气处理设备——————●●●●●● 散热器散热器———●●●●●●●●●●●● 热风采暖●热风采暖●——●●——●●—— 总 则总 则 p系统选型表 p室外计算参数 太阳能供热采暖系统，除了常规供热采暖系统 所需气象参数外，还需要水平面年平均日辐照量、 当地纬度倾角平面年平均日辐照量、水平面十二 月份的月平均日辐照量、当地纬度倾角平面十二 月的月平均日辐照量、年平均环境温度、十二月 份的月平均环境温度、计算采暖期平均环境温度、 年平均每日日照小时数和十二月份的月平均每日 的日照小时数等参数。

总 则总 则 p总则 u 建筑物上安装太阳能集热系统，严禁降低相邻 建筑的日照标准 u 直接式太阳能集热系统宜在冬季环境温度较高， 防冻要求不严格的地区使用；冬季环境温度较 低的地区，宜采用间接式太阳能集热系统 u 太阳能集热系统管道应选用耐腐蚀和安装连接 方便可靠的管材可采用铜管、不锈钢管、塑 料和金属复合热水管等 太阳能集热系统设计太阳能集热系统设计 p集热器设置定位 u 太阳能集热器宜朝向正南，或南偏东、南偏西 30度的朝向范围内设置； u 安装倾角宜选择在当地纬度－10°～＋20°的 范围内； u 当受实际条件限制时，应按进行面积补偿合 理增加集热器面积，并应进行经济效益分析 太阳能集热系统设计太阳能集热系统设计 p集热器设置定位 u 补偿面积比RS参数的计算过程为： •计算得出表中所列每一安装方位和安装倾角 表面上接收到的全年太阳辐照量； •定义其中年太阳辐照量最大的一组数据为补 偿面积比RS=100 %； •将其他安装方位和安装倾角表面上接收到的 全年太阳辐照量和上述最大年太阳辐照量相 比，得出相对的百分比该百分比即为该方 位角和倾角下的补偿面积比RS 太阳能集热系统设计太阳能集热系统设计 p集热器设置定位-前后排间距 由S / Pb = COS γ0，Pb / bb’= Pb / H = ctg h 可得： S = H ctg h COS γ0 式中：S—日照间距，m； H—前方障碍物的高度，m； h—计算时刻的太阳高度角； γ0—计算时刻太阳光线在水平面上的投影 线与集热器表面法线在水平面上的投影线之间的 夹角； 太阳能集热系统设计太阳能集热系统设计 p集热器设置定位-前后排间距 计算时刻的选择，应用如下原则： u 全年运行系统（冬季太阳能采暖为主，其他季 节太阳能热水为主）：选春分 / 秋分日（此时 赤纬角δ=0）的9：00或15：00； u 主要在冬季运行的系统（太阳能采暖为主）： 选冬至日（此时赤纬角δ= -230 57’）的10： 00或14：00； u 太阳集热器安装方位为南偏东时，选上午时刻； 南偏西时，选下午时刻。

太阳能集热系统设计太阳能集热系统设计 p集热器面积确定-直接系统 —直接系统集热器总面积，m2； —建筑物耗热量， W； —当地集热器采光面上的平均日太阳辐照 量，J/（m2•d）； —太阳能保证率，%； —基于总面积的集热器平均集热效率，%； —管路及贮热装置热损失率，% 86400 (1) H C TcdL Q f A J ηη = − C A H Q T J f cd η L η 太阳能集热系统设计太阳能集热系统设计 太阳能集热系统设计太阳能集热系统设计 p集热器面积确定-间接系统 —间接系统集热器总面积，m2； —直接系统集热器总面积，m2； —集热器总热损系数，W/（m2·℃）， 测试得出； —换热器传热系数，W/（m2·℃），查 产品样本得出； —间接系统换热器换热面积，m2 1 LC I NC hxhx UA AA UA ⋅ =⋅+  ⋅  I N A C A L U hx U hx A 太阳能集热系统设计太阳能集热系统设计 p集热器面积确定-主要参数确定 太阳能保证率选取表 资源区划短期蓄热系统太阳能保证率季节蓄热系统太阳能保证率资源区划短期蓄热系统太阳能保证率季节蓄热系统太阳能保证率 Ⅰ资源丰富区≧Ⅰ资源丰富区≧50%≧≧60% Ⅱ资源较富区Ⅱ资源较富区30%～～50%40%～～60% Ⅲ资源一般区Ⅲ资源一般区10%～～30%20%～～40% Ⅳ资源贫乏区Ⅳ资源贫乏区5%～～10%10%～～20% 太阳能集热系统设计太阳能集热系统设计 p集热器面积确定-主要参数确定 当地集热器采光面上的平均日太阳辐照量： u 短期蓄热系统应选用HLt─当地纬度倾角平面 十二月的月平均日辐照量； u 季节蓄热系统应选用HLa─当地纬度倾角平面 年平均日辐照量。

太阳能集热系统设计太阳能集热系统设计 p太阳能集热器的连接 串联 并联 串并联 太阳能集热系统设计太阳能集热系统设计 p太阳能集热器的连接 同程连接异程连接 蓄热系统设计蓄热系统设计 p总则 系统形式系统形式 蓄热方式蓄热方式 贮热水箱地下水池土壤埋管卵石堆相变材料贮热水箱地下水池土壤埋管卵石堆相变。