别墅太阳能综合利用系统研究与设计.doc

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1、 目 录摘 要.ABSTRACT.V1. 绪 论.1 1.1 课题背景及意义.1 1.2 太阳能地板采暖可性.1 1.3 系统的总体结构.12. 设计概况及依据.3 2.1 工程概况.3 2.2 设计规范及标准.3 2.3 设计参数.3 2.3.1 地理位置.3 2.3.2 气象参数.3 2.3.3室内设计温度参数表.4 2.4 围护结构.53.负荷计算.7 3.1 围护结构耗热量计算.7 3.1.1 围护结构的传热系数.7 3.1.2 基本耗热量（屋顶，门，墙，窗耗热量）计算.8 3.2朝向修正后围护结构耗热量.8 3.3冷风渗透耗热量.9 3.4冷风侵入耗热量.104.低温敷设采暖计算.1

2、1 4.1 散热器的选型.11 4.2 散热器的布置.12 4.3 盘管的布置.11 4.4 低温热水地板敷设采暖地面散热量的计算.13 4.5 地暖敷设的基本原则.145.系统方案的选取.16 5.1 供热系统的选择.16 5.2 热水供热系统的基本要求.17 5.3 太阳能供热系统的特点.17 5.4 系统设计方案确定.176.系统主要设备选型.19 6.1 太阳能集热器的选型.19 6.2 太阳能采暖供暖系统水箱的选型.20 6.2.1 缓冲水箱的选型.20 6.2.2 洗浴水箱的选型.21 6.2.3 储热地暖水箱的选型.21 6.3 辅助热源的选择.21 6.4 管材和支架的选择.2

3、27.系统水力计算.23 7.1 水力计算步骤.23 7.2 循环水泵的选型.23 7.2.1 集热循环水泵的选型.24 7.2.2 采暖供热循环水泵的选型.25 7.2.3 换热循环水泵的选型.258.管道保温.27 8.1 保温管道的确定.26 8.2 保温材料的选择.26 8.3 管道保温施工.269 小结.28谢辞.29参考文献.30附表-1.31附表-2.36附表-3 .38 摘 要常规能源的大量消耗和日趋枯竭,已严重影响了人类社会的可持续发展。太阳能作为开发和利用新能源的重要内容,有着巨大的社会效益和环境效益。随着太阳能技术的成熟，以及人们节能意识的提高，太阳能的利用变得普遍化。近

4、几年太阳能行业蓬勃发展，国家大力扶持，太阳能企业抓住机会，成功实现了太阳能产品与建筑的结合-太阳能与建筑一体化。经过几年发展，太阳能在建筑中的应用变得多元化，不单单提供生活热水，还可以实现制冷，地暖，发电等综合利用。太阳能集热系统的主要部件包括集热器，循环水泵，缓冲水箱和连接管道。地暖系统主要包括储热水箱，地暖盘管，分集水器和连接管道。本设计采用三个水箱，分别是缓冲水箱，洗浴水箱和储热水箱。缓冲水箱的主要功能是容纳集热器中的热媒膨胀量，保证系统热媒顺畅运行；洗浴水箱保证了卫生的生活热水；储热水箱保证了太阳能的高效利用，白天剩余的热量储存在储热水箱中晚上用。本设计在65%节能建筑的基础上，设计一

5、种太阳能地暖和洗浴综合系统,为建筑冬季供暖并提供生活热水，使太阳能得到高效，充分，综合利用。但太阳能受天气影响较大，不能保证稳定的热量输出，因此本设计采用燃气锅炉做辅助热源。 关键词：太阳能；节能建筑；地暖；综合利用The research and design of system integrated Eastern Lotus Villa solar energy in JinanAbstractLarge consumption of conventional energy and the increasingly exhausted, has seriously affected th

6、e sustainable development of human society.Solar energy as an important content of new energy development and utilization, has the huge social and environmental benefits. With the development of solar energy technology, and improve peoples awareness of energy saving, the use of solar energy become w

7、idespread.In recent years, the solar industry is booming, national support, solar energy enterprises to seize the opportunity, the successful implementation of the combination of solar energy and building integrated solar energy products and building.After several years of development, the applicati

8、on of solar energy in architecture become diversified, not only provide living hot water, can also realize refrigeration, heating, comprehensive utilization power etc.The main component of solar collector system comprises a heat collector, circulating water pump, the buffer tank and a connecting pip

9、eline. Floor heating system consists of heat storage water tank, heating coil, diversity water device and a connecting pipeline.This design adopts three water tanks, respectively is the buffer tank, bath water tank and the hot water storage tank. The main function of the buffer tank is receiving set

10、 heat medium heater in the expansion volume, assurance system of heat medium run smoothly; bath water tank to ensure the health of living hot water; the heat storage tank to ensure the efficient use of solar energy, the residual heat is stored in the hot water storage tank in the evening.The design

11、is based on the 65% energy-saving building, designed a solar heating and bathing integrated system, for the construction of the winter heating and provide hot water for life, to make solar energy efficient, full, comprehensive utilization.But solar energy is influenced by weather, can not guarantee

12、a stable heat output, so the design using gas boiler auxiliary heat source.Key word: solar energy ;energy saving building; heating; comprehensive utilization- 40 -1 绪 论1.1 课题背景及意义 20世纪以来，世界范围的能源消费量大幅度增长，同时许多国家都存在着不同程度的能源危机，因此相对于常规能源（如煤、石油、天然气）而言的新能源（如太阳能、核能、地热能）的利用成为解决能源短缺问题的新出路。从20世纪70年代开始，太阳能热利用技术

13、迅速发展起来，太阳能辐射采暖也随之出现。使用太阳能作为采暖热源，一方面可以节省对常规能源的消耗，减轻采用常规能源对环境带来的压力；另一方面，可以独立采暖，省去了城市管道敷设的工程。因此，太阳能采暖的发展前景非常明朗。1.2 太阳能地板采暖可行性 利用地板辐射采暖与太阳能集热系统相结合，室内设计温度可比散热器形式低23，节能20%30%。地面作为散热源温度不能过高，人员经常停留处一般不高于29。地板采暖温度一般都在60以下，太阳能集热器在工质温度低的情况下效率较高，所以它是目前建筑冬季采暖的最佳解决方案之一对于普通建筑一般采用主动式太阳能采暖，主动式太阳能采暖又分为直接式和间接式。所谓间接采暖就

14、是太阳能集热器加热的热水并不直接拿去供暖而通过辅助热源（电加热、热泵等）将该热水的温度提高后再拿去供暖。直接式就是将太阳能集热器加热的热水直接用来供暖，低温地板辐射采暖就是目前得到广泛应用的一种直接采暖方式，其主要特点是供水温度要求较低，所以将太阳能与地板采暖相结合非常适宜。本设计采用直接式太阳能采暖，通过集热器将热水加热，用于采暖。1.3 系统的总体结构本设计采用了缓冲水箱，一方面可以容纳热媒的膨胀量，另一方面便于将热量传递到蓄热水箱和洗浴水箱。洗浴水箱采用了间接换热，保证洗浴用水的卫生。备用热源使用了博世燃气壁挂锅炉。系统原理图见下图：图11 系统原理图2 设计概况及依据2.1 工程概况本

15、工程为济南市一栋四层小型别墅，其中有客厅、卧室、厨房等功能用途的房间。层高为3米，建筑面积约178.2平方米，采暖面积约为558平方米。该系统设计的主要内容是建筑围护结构耗热量的计算，采暖系统以及热水系统方案的选择与确定，散热器的选择，地暖盘管的选择，太阳能集热器面积和蓄热器容积的计算，水力计算，备用热源的选择说明。该工程采用地暖辐射式太阳能热水供暖系统，备用热源与太阳能集热系统联合运行，当集热器供应的热水达不到要求时，由辅助热源加热热水。2.2 设计规范及标准 1 采暖通风与空气调节设计规范 GB 50736-2012（本文简称暖通规范）2 太阳能热水系统设计规范 DB37 149-2007

16、3 建筑给排水设计规范 GBJ15-88 4 民用建筑节能设计标准 JGJ26-95 5 太阳能热水系统设计、安装及工程验收技术规范 GB/T18713-20026 地面辐射供暖技术规程 JGJ_142-20047 民用建筑供暖通风与空气调节设计规范 GB50736-2012 2.3 设计参数2.3.1 地理位置 山东省位于黄河下游，处于北纬34.25 38.23 ，东经114.36 122.43，之间。其济南市位于北纬3640，东经11700 2.3.2 气象参数济南市属暖温带大陆性季风气候。其主要气候特征是：季风明显，四季分明；冬冷夏热，雨量集中。季风明显，四季分明。冬冷夏热，雨量集中。冬

17、季济南市受蒙古冷高压控制，盛吹寒冷的偏北风，一般68天有一次冷空气侵入，使气温不断降低。冬季最冷月平均气温在0以下，极端最低温度平均在-20以下(平阴县为-18.9，长清县为-19.1，济南市北郊为-19.7，济南市东郊为-22.5，章丘县为-24.5 ) ，低于-10的严寒日数98%集中在冬季。表2-1 济南市气象资料济南纬度 36 度 41 分，经度 116 度 59 分，海拔高度 51.6 米月份123456789101112月平均室外温度（）-1.41.17.615.221.826.327.426.221.715.87.91.1水平面月平均日太阳总辐照量（MJ/d）8.37610.93

18、014.42316.67920.77021.05516.77615.66314.88412.0939.0897.65720度倾斜表面月平均日太阳总辐照量（MJ/d）13.63015.22516.63416.52318.71618.21214.81214.97916.49816.00314.16213.854月日照小时数175.0177.3217.7248.8280.3263.1216.9224.3224.4216.4181.2171.9注：倾斜表面月平均日太阳总辐照量为 15.77 MJ/(d)，根据朝向及集热器安装倾角进行相应计算，得在 20 度倾斜表面的月平均日太阳辐照量为 1.015.7

19、7= 15.77MJ/(d)。冬天采暖月份（11月-来年3月）35度倾斜表面月平均日太阳总辐照量为15.51MJ/(d)实验得出，仅供参考。 本设计辐射面采暖供水温度50，回水温度为30。有天然气输送到别墅。室外气象条件冬季： 供暖室外计算温度tw=-7 室外大气压力p=1020.2mbar；主导风向：EN 室外平均风速：V=3.2m/s；最大冻土深度:h=0.44m日平均温度Tm= +5的天数106天；极端最低温度: -13.72.3.3 室内设计温度参数表室内计算温度是指距地面2m以内人们活动地区的平均空气温度，对于一般民用建筑可以勇气房间无冷热源影响的集合中心处的温度来代表。室内空气温度

20、的选定，应满足人们生活和生产工艺的要求。生产要求的室温，一般由工艺设计人员提出。生活用房间的温度，主要取决于人体的生理热平衡。它和许多因素有关，如房间的用途，室内的潮湿状况和散热强度，劳动强度，以及生活习惯，生活水平有关。根据国内外有关卫生部门的研究结果认为：当人体衣着适宜，保暖量充分且处于安静状况时，室内温度20度比较舒适，18度无冷感，15度是产生明显冷感的温度界限，本着提高生活质量，满足室温可调的要求，并按照国家现行标准室内空气质量标准（GB/T 18883）要求，把民用建筑主要房间的室内温度范围定在16-24度。本设计采用的室内温度如下表：表 2-2 室内设计温度参数房间名称活动室卧室

21、厨房餐厅室书房健身房室内设计温度()202020202020 房间名称卫生间（阁楼）楼梯间走廊会客厅杂货间储藏室室内设计温度()2020202015152.4 围护结构为了保证室内人员的热舒适性要求，并符合节能65%的标准，根据室内空气温度与围护结构内表面的温差要求来确定围护结构的材料及材料厚度。 总结构的传热热阻按下式计算： m2/W （2-1）式中：各层材料的厚度，mm； 各层材料的导热系数，W/m。 内表面换热系数，这里取8.7 W/m2； 外表面换热系数，这里取23 W/m2。 K= （2-2） 式中： K围护结构的总传热系数，W/m 围护结构的总传热热阻，m2/W本设计中综合考虑65

22、%节能建筑要求，建筑外墙由外保温砂浆，炉渣砖砌体，聚苯板和水泥砂浆内抹灰组成，外保温砂浆厚度20mm，聚苯板（含钢丝网架聚苯板）厚度为50mm，炉渣砖砌体厚度为280mm，水泥内抹灰厚度为20mm。具体结构见下图2-1。表2-3 建筑材料的热物特性建筑材料保温沙浆炉渣砖砌体 聚苯板保温水泥砂浆内抹灰厚度mm202805020传热系数W/m0.290.680.0410.5 图2-1 外墙结构3 负荷计算3.1 围护结构耗热量计算3.1.1 围护结构的传热系数 本设计中外墙的围护结构在2.4章节中列出，经查材料得出具体结构的传热热阻,列在下表： 表3-1 围护结构传热热阻 围护结构外保温砂浆炉渣砖

23、砌体墙聚苯板保温材料水泥砂浆内抹灰传热热阻m2/W0.290.680.0410.5 由公式2-1,2-2可得外墙的传热系数，外窗及木门的传热系数经常用建筑材料的导热系数及密度查的，具体结果见下表：表3-2 围护结构参数表结构类型具体结构及参数传热系数Kj/( m2)外墙 保温砂浆：20mm0.53 炉渣砖砌体墙：280mm 聚苯板保温层：50 mm 水泥砂浆内抹灰：20mm外窗 低辐射中空玻璃（6+12A+6）1.7外门单层实木2.8顶棚泡沫混凝土保温层：800.63现浇钢筋混凝土楼板：70麻刀灰抹面：20膨胀珍珠岩：503.1.2 基本耗热量（屋顶、门、墙、窗耗热量）计算在工程设计中，围护结

24、构的基本耗热量是按一维稳定传热过程进行计算的，即假设在计算时间内，室内室外空气温度和其他传热过程参数都不随时间变化。实际上，室内散热设备散热不稳定，室外空气温度随季节和昼夜变化不断波动，这是一个不稳定传热过程。但不稳定传热计算复杂，所以对室内温度容许有一定的波动幅度的一般建筑物来说，采用稳定的传热计算可以简化计算方法并能满足基本要求。但对于室内温度要求严格，温度波动幅度要求很小的建筑物和房间，就采用不稳定传热原理进行围护结构耗热量计算。 对于本设计房间温度的要求允许有一定的波动，故而按照一维稳定传热过程计算。热负荷计算只考虑围护结构传热的耗热量和冷风渗透引起的耗热量，人员、灯光等得热作为有利因

25、素暂不考虑在热负荷计算当中。 围护结构基本耗热量按下式计算： （3-1）式中：K围护结构的传热系数，W/m2；围护结构的面积，m2；围护结构的温差修正系数，本设计取为1；tn - 室内空气计算温度, ；tw - 室外供暖计算温度, 。3.2 朝向修正后围护结构耗热量朝向修正耗热量是考虑建筑物受太阳照射影响而对围护结构基本耗热量的修正。当太阳照射建筑物时，阳光直接透过玻璃窗，使室内得到热量。同时由于阳面的围护结构较干燥，外表面和附近气温升高，围护结构向外传递的热量减少。采用的修正方法是按围护结构的不同朝向，采用不同的修正率。需要修正的耗热量等同于垂直的外围护结构（门，窗，外墙及屋顶的垂直部分）的

26、基本耗热量乘以相应的朝向修正率。根据暖通规范规定：宜按下列规定的数值，选用不同的朝向修正率表3-3 不同方向的朝向修正率北，东北，西北0-10%东南，西南-10%-15%东，西-5%南-15%-30% 风力附加耗热量是考虑室外风速变化而对维护结构基本耗热量的修正。我国大部分地区冬季平均风速为23m/s，因此暖通规范规定：在一般情况下，不考虑风力附加。只有建在不避风的高地、河边、海岸、旷野上的建筑物，以及城镇厂区内特别突出的建筑物才考虑垂直外维护结构附加510。本设计在城区，不考虑风力附加耗热量。高度附加耗热量是考虑房屋高度对维护结构耗热量的影响而附加的耗热量。本设计中建筑物处于城区，风速稳定，

27、不考虑高度附加耗热量，所以该建筑的外维护结构的耗热量为 (3-2)式中 -朝向修正率。3.3 冷风渗透耗热量本设计按缝隙计算法计算多层建筑的冷风渗透耗热量对于多层建筑，可通过计算不同朝向的门窗缝隙长度以及从每米长缝隙渗透入的冷空气量，确定其冷风渗透耗热量。这种方法叫做缝隙法。对于不同类型的门窗，在不同风速下每米长缝隙渗入的空气量L，可采用表3-3的实验数据。用缝隙法计算冷风渗透耗热量时，以前方法是只计算朝冬季主导风向的门窗缝隙长度,朝主导风向背风面的门窗缝隙不必计入。实际上，冬季中德风向是变化的，不位于主导风向的门窗，在某一时间也会处于迎风面，必然会渗入冷空气。根据暖通规范明确规定：建筑物门窗

28、缝隙的长度分别按照个朝向所有可开启的外门，窗缝隙丈量，在计算不同朝向 的冷风渗透空气量时，引进一个渗透空气量的朝向修正系数n。即 V=Lln m/h （3-3）式中 L每米门窗缝隙渗入室内空气量，按当地冬季室外平均风速，采用表3-2 数据，m/(hm); L门，窗缝隙的计算长度，m； n渗透空气量的朝向修正系数。门，窗缝隙的计算长度，建议可按下述计算方法:当房间仅有一面或相邻两面外墙时，全部计入其门，窗可开启部分的缝隙长度；当房间有相对两面外墙是，仅计入风量较大一面的缝隙；当房间有三面围墙时，仅计入风量较大的两面缝隙。暖通规范给出了我国104个城市的n值。济南见下表表3-4 济南市朝向修正率朝

29、向 北 东北东 东南南西南西北修正率0.45110.40.550.550.250.15本表摘自暖通规范）（部分城市） 确定门窗缝隙渗入空气量V后，冷风渗透耗热量，可按下式计算 =0.278VwCp(tn-tw) W （3-4）式中 V-经门窗缝隙渗入室内的总空气量，m/h; w-供暖室外计算温度下的空气密度，kg/m； Cp-冷空气的定压比热，cp=1kj/（kg）； 0.278-单位换算系数，1kj/h=0.278W。3.4 冷风侵入耗热量 在冬季受风压和热压作用下冷空气又开启的外门侵入室内。把这部分冷空气加热到室内温度所消耗的热量称为冷风侵入耗热量。 冷风侵入耗热量，同样可按下式计算 =0

30、.278VwCp(tn-tw) W （3-5）式中 V-流入的冷空气量，m/h； 其他符号同式（3-5）。由于流入的冷空气量V不易确定，根据经验总结，冷风侵入耗热量可采用外门基本耗热量乘以表3-1的百分数的简便计算方法进行计算。亦即 =N W （3-6）式中 -外门的基本耗热量,W N-考虑冷风侵入的外门附加率，按表3-5采用表3-5 外门附加率N值外门布置情况一道门两道门（有门斗）三道门(两个门斗)公共建筑和生产厂房的主要出口附加率65n%80n%60n%500n% 本设计建筑物采暖热负荷计算统计结果列于附表14 低温辐射采暖计算 本设计综合考虑各个房间的实际情况，卫生间和楼梯间的房间不适合

31、铺设地暖，故而在普通房间敷设地暖采暖，在卫生间走廊采用散热器采暖。4.1 散热器的选型本设计采用钢制板式散热器，型号为G B 1-600/D-0.8 长度1000mm，具体规格见下表表4-1 钢制板式散热器具体参数型号散热面积 m水容量 L重量 kg工作压力 Mpa传热系数计算公式热水热媒t=20时的K值钢制板式散热器GB1-600/D-0.860010002.754.618.40.8K=2.5tW/m25.2 根据式3-1得出该散热器的散热功率为286w。4.2散热器的布置底部距地面不小于60mm，通常为150mm；顶部距窗台板不小于50mm；背部与墙面间距不小于25mm。布置散热器时，应注

32、意下列一些规定：1） 散热器一般应安装在外墙的窗台下，这样，沿散热器上升的对流热气能阻止和改善从玻璃窗下降的冷气流和玻璃冷辐射的影响，使流经室内的空气比较暖和舒适。2） 为防止冻裂散热器，两道外门之间，不准设置散热器。在楼梯间或其他有冻结危险的场所，其散热器应有单独的立、支管供热且不得装设调节阀。3） 散热器一般明装，在内部装修有特殊要求的场合可采用暗装。4） 同一房间的散热器可以串连，贮藏室、盥洗室、厕所和厨房等辅助用室及走廊的散热器，可同邻室串连连接。两串连散热器之间的串连管径应与散热器接口的直径相同，以便水流畅通。5） 在楼梯间布置时，考虑楼梯间热流上升的特点，应布置在底层。 6） 铸铁

33、散热器的组装片数四柱一般不易超过50片。4.3 盘管的布置 低温热水地板辐射采暖加热盘管的敷设方式多种多样，但是其敷设原则有两个：一是尽可能使室内的温度场分布均匀；二是简单便于施工。最为常见的布置方式有两种：回折型（如图4-1）与平行型。本设计采用大部分房间采用回折型，走廊等狭窄的地面采用平行型。盘管的选用PE-X管，DN=20mm,承压0.8Mpa。图4.1加热盘管的分布方式低温热水地板辐射采暖地面构造由与土壤向相邻的地板或楼梯，绝热层，铝箔反射层，现浇层，防水层，干硬性水泥砂浆找平层，地面装饰层组成。固定地热加热盘管采用塑料管卡或扎带绑扎在铁丝网上的方式。低温热水地板辐射采暖的散热表面就是敷设了加热盘管的面。本设计普通房间地面由基础层（混凝土），找平层，绝热层（聚苯乙烯泡沫塑料板和铝箔反射层），豆石混凝土，水泥砂浆找平层，地表层组成，卫生间在绝热层下设防水层，构造如图4-2。