某酒店太阳能热水系统设计毕业设计.doc

本 科 毕 业 设 计 (论 文)某酒店太阳能热水系统设计A Design of Solar Hot Systems for A Hotle 学 院： 专业班级： 学生姓名： 学 号： 指导教师： 2014年 5月毕业设计（论文）中文摘要某酒店太阳能热水系统设计摘 要：本文以酒店太阳能热水系统设计为题，要求对给定的建筑物进行太阳能热水系统设计。主要讲述了太阳能热水系统设计的具体步骤、方法、计算过程、结果应用以及设计所面临的问题、图纸的绘制、所需元器件等内容。首先对酒店的太阳能热水系统给出方案论证，做好设计前的各项准备工作，然后按照要求对给定建筑物的太阳能热水系统进行全面设计，做出设计计算书，利用AutoCAD软件画出系统CAD原理图、平面布置图、给水图、电气控制图，最后给出系统所需要的设备元器件清单及报价。另外，文章开始部分也对人类生活生产所利用的各类能源以及它们的分类、优缺点进行了了解，作出对比，说明太阳能的好处。此外，为了便于更好的设计该系统，文章也简单讲述了太阳能热水系统及其基本原理和发展。文章最后部分又对本次设计做出了总结性结论。关键词：太阳能热水系统；设计计算；CAD图；元器件毕业设计（论文）外文摘要A Design of Solar Hot Systems for A HotleAbstract: This paper is major in a design of a solar hot water system for a hotel which requires designing a system for a particular hotel and providing the information of specific steps, methods, calculation process, the application of results, problems in the process of design, drawing drawings and the components needed. Firstly, demonstrate the program of the system and make preparations for next steps. Then, according to the requirements, design the system in details and calculate every parts of this system at the same time. Whats more, draw system schematic, floorplan, water supply and electrical control diagrams by using CAD. Finally, list the equipment in this system and the quoted price. In addition, to illustrate the advantages of solar energy, all kinds of energy used by people at present are classified and compared with each other according to their advantages and disadvantages at the beginning of this paper. Moreover, to help reader better understand this system, this paper briefly introduces the basic principles and developments of solar hot water systems. At the end, summarize and give the conclusion of this design.Keywords: Solar hot water system; Design and calculation; CAD drawings; The system components目 录1 绪论12 能源与太阳能 12.1 能源及其分类12.2 能源危机22.3 太阳能及其特点22.4 太阳能利用发展简史32.5 太阳能利用形式43 太阳能热水系统43.1 太阳能热水系统分类43.2 太阳能热水系统构成53.3 太阳能热水系统原理64 酒店太阳能热水系统设计74.1 太阳能热水系统设计原则74.2 太阳能热水系统设计依据74.3 系统设计之前的了解的问题74.4 太阳能热水系统设计计算74.5 贮水箱设计144.6 辅助热源设计154.7 管网设计184.8 水泵设计214.9 系统控制234.10 附件的设计264.11 保温设计265 系统主要设备、部件清单及报价276 系统设计图纸27结论 28致谢 29参考文献30附录31附表清单：表1 太阳能热水系统分类 5表2 不同地区太阳能保证率的选值范围10表3 不同建筑系数值18表4 管径与流速关系19表5 热水回水管管径确定20表 6 系统元器件统计表27淮海工学院二一四届本科毕业设计（论文） 第 31 页 共 31 页 1 绪论近年来，随着人类经济的高速发展，人们对能源的需求越来越大，地球上的各类自然资源被飞速的消耗着。时至今日，各个国家的能源已经供不应求，于是全球范围内开始爆发了一场能源危机。在巨大的能源危机的压力下，人们开始相继研究新型能源的利用，其中太阳能便备受瞩目。而太阳能利用中，太阳能热水系统又得到了最为广泛的研究与发展。目前，太阳能热水系统已经在各个领域取得了很好地利用，为人们的生活带来了诸多方便。其中就有建筑物与太阳能热水相结合的利用方式。本文以酒店太阳能热水系统设计为题，对给定的建筑物进行太阳能热水系统设计。首先，要进行设计必须先进行了解。了解人类生活生产所利用的各类能源以及它们的分类、优缺点，了解太阳能热水系统及其基本原理和发展。其次，对某酒店的太阳能热水系统给出方案论证，做好设计前的各项准备工作。然后，按照要求对给定建筑物的太阳能热水系统进行全面设计，做出设计计算书，利用AutoCAD软件画出系统CAD原理图、平面布置图、立面图、给水图、电气控制图。最后，给出系统所需要的设备清单及报价，对本次设计做出总结。2 能源与太阳能2.1 能源及其分类众所周知，人类的日常生活和社会生产发展都离不开各种各样的能源。所谓的能源就是人类生产生活所需要的各种各样的能量资源。目前，世界上的主要能源有如下几种形式：化石燃料（煤、石油、天然气等）、水能、风能、太阳能、生物质能、海洋能、核能和地热能等。能源的分类方式各种各样，以下便是几种常见的分类方式：1、 按属性分类： （1）可再生能源，如：太阳能、地热、水能、风能、生物能、海洋能； （2）非可再生能源，如：煤、石油、天然气、核能。 2、按开发利用状况分类： （1）常规能源，如：煤、石油、天然气、水能； （2）新能源，如：核能、地热、海洋能、太阳能、风能。 3、按其形成和来源分类： （1）来自太阳辐射的能量，如：太阳能、煤、石油、天然气、水能、风能、生物能等； （2）来自地球内部的能量，如：核能、地热能； （3）天体引力能，如：潮汐能。 4、按转换传递过程分类： （1）一次能源，直接来自自然界的能源，如：煤、石油、天然气、水能、风能、核能、海洋能、生物能； （2）二次能源，如：核电、太阳能发电、潮汐发电、波浪发电等。而从广义的角度看，几乎所有的自然能源都来自于太阳能，然后经过一定时间的转化变成各种各样的新的能量资源。2.2 能源危机现代社会的发展主要依靠的是：煤、石油、天然气、水力能和核能等。因为这些能源相对于新能源（如：太阳能、风能等）价格较低、技术成熟、得到的能源质量较好、产生的经济效益较高。但是，随着现代社会的高速发展，能源需求的快速增长，常规能源的许多诟病便显露无疑：1、 能源短缺：常规能源的储藏是及其有限的。目前在世界初级能源的产量和消费中，居第一位的是石油，其次是煤炭、天然气。石油、煤炭、天然气等常规化石能源的储量日益减少，在可预见的不长时间内将被消耗殆尽，全球将面临着严重的能源危机。2、 常规能源的大量消耗所带来了环境问题：（1） 大气污染：主要包括温室效应、臭氧层空洞及酸雨等问题；（2） 水污染：指生活污水和工业废水对江河、湖泊、海洋和地下水造成的污染；（3） 土壤污染：主要是由水污染、大气污染的衍生物和生活及工业固体垃圾污染导致的土地荒漠化、盐渍化、土地的板结等问题；（4） 光化学烟雾：光化学烟雾是汽车、工厂等污染源排入大气的碳氢化合物（HC）和氮氧化物（NOx）等一次污染物在阳光（紫外光）作用下发生光化学反应生成二次污染物，参与光化学反应过程的一次污染物和二次污染物的混合物（其中有气体污染物，也有气溶胶）所形成的烟雾污染现象。光化学烟雾可随气流漂移数百公里，使远离城市的农作物也受到损害；（5） 雾霾与粉尘：常规能源燃烧时产生的浮尘也是一种污染。最近几年雾霾的危害越来越严重，2014年，国家减灾办、民政部首次将危害健康的雾霾天气纳入自然灾情进行通报。据预测，石油资源大约到21世纪中叶将完全耗尽，煤炭资源的利用由于环境污染会逐渐受到限制，水力发电需特定地理条件，不足以支撑人类能源需求。因此，探索和使用新的无污染可再生的能源是十分必要的。太阳能、生物质能、风能和核能等是可再生新能源的主体。然而核安全和核废料处理技术尚未完全解决，核能利用近期很难取得更大的发展。风能和生物质能源技术的不成熟也使得其发展受阻。所以太阳能作为一种新型无污染可再生能源呼之欲出。2.3 太阳能及其特点太阳能与煤炭、石油、天然气等化石能源相比较，其独特的特点可概括为：（1）普遍阳光普照大地，处处都有太阳能。这对于解决偏远地区交通不便的山区、乡村及海岛等地的能源供应尤为重要；（2）巨大 世界上最丰富的永久性能源就是太阳能。太阳以电磁波的形式向空间传播能量，到达地球大气层时的功率为1801012KW，考虑穿越大气层的衰减，到达地球表面的功率为851012KW，这相当于全世界发电量的几十万倍；（3）长久只要太阳存在，就会有太阳能，可以说是取之不尽，用之不竭；（4）无害 太阳能利用没有废气废渣废水排出，无污染。当然，太阳能还有如下几个不可忽视的缺点 ：（1）分散性 能量密度低，在地面上1000 W/m2；（2）间歇性 夜晚无法使用；（3）随机性 受气候季节的影响，太阳能是不稳定的。这些因素使太阳能的利用增加了不少难度。但是，随着人们的探索研究，太阳能利用技术正在一步步的成熟完善，其缺点正在逐渐克服。所以，太阳能作为未来一种新型能源的发展前景是不可估量的！2.4 太阳能利用发展简史太阳能利用的发展史是漫长悠久的，我国西汉时期即有“削冰令圆，举以向日，以艾承其影，则生“火”的说法。到了西周时代：我们的祖先已经掌握了“阳燧”取火的技术，“阳燧”实际上是一种凹面镜，这是我国太阳能利用的最早记录。在国外，第一个大规模应用太阳能的人，是希腊的著名科学家阿基米德。公元前212年，他用许多平面镜将阳光聚集起来，烧毁了攻击西西里岛西拉修斯港的罗马舰队。到了15世纪一名阿拉伯炼丹术士就使用了大马士革镜进行了太阳能蒸馏，实现了人工的海水淡化过程。18世纪初则发明了第一架用太阳能驱动的发动机。19201930年，美国加州地区开始用太阳能集热器为用户供应热水。1938年美国麻省理工学院建成了第一座太阳能采暖建筑。随着1973年爆发的能源危机，进一步促进了新能源的研究与发展，许多国家把重视太阳能的开发利用放在了战略地位上考虑，一大批太阳能利用示范工程被建立。1992年至今，化石能源的大量消耗造成了全球性的环境污染和生态破坏，对人类的生存和发展构成了严重的威胁，在这样的大背景下世界太阳能利用从1992年以后进入了一个快速发展的新阶段。目前，我国已经成为世界上最大的太阳能利用大国，但不是强国。我国上规模的厂家有120多家，小厂家一起，超过5000家，年产值400多亿元。从上述发展历程可以看出，世界太阳能利用事业的发展一直是在克服各种困难中不断前进的，太阳能利用技术越来越成熟先进，因此发展前景无限美好，必将会成为人类未来能源的重要组成部分！2.5 太阳能利用形式太阳能的主要利用形式有太阳能的光热转换、光电转换、光化学转换以及光生物质转换四种主要方式。其中前两种方式应用较为广泛，占了较大的比重。本文主要介绍太阳能的光热转换中太阳能热水系统。1、光热利用：光热利用是太阳能利用中最重要的利用形式，其基本原理是：将太阳辐射来的能量收集起来，直接或者间接方式转化成热能加以利用。2、光电利用：利用太阳能发电方式有两种：（1）光-热-电转换，是利用太阳辐射所产生的热发电，一般是利用集热器所吸收的热能转换为工质的蒸汽，再由蒸汽驱动汽轮机带动发电机发电。（2）光-电转换，原理是利用光生伏打效应将太阳辐射直接转换为电能。3、光化学作用：光化学作用是地球上最重要的化学作用之一，包括光合作用、光电化学作用、光敏化学作用和光分解作用。4、光生物利用：主要是通过植物的光和作用将太阳能转换成生物质，储存能量。光热利用具有低成本，方便，利用效率较高等优点，但不利于能量的传输，一般只能就地使用，而且输出能量形式不具备通用性。光化学转换在自然界中以光合作用的形式普遍存在，但目前人类还不能很好地利用。光伏发电利用以电能作为最终表现形式，具有传输极其方便的特点，在通用性、可存储性等方面具有前两者无法替代的优势。但是由于太阳能电池的原料硅的生产会产生大量污染、太阳电池转换效率的不高、生产成本的较高等因素，光伏发电产业也受到阻碍。3 太阳能热水系统太阳能热水系统是利用太阳能集热器，收集太阳辐射能把水加热的一种装置，是目前太阳热能应用发展中最具经济价值、技术最成熟且已商业化的一项应用产品。主要由太阳能集热系统和热水供应系统构成，包括太阳能集热器、贮水箱、循环管道、辅助加热器、控制系统、热交换器和水泵等设备和附件。太阳能集热系统是太阳能热水系统特有的组成部分，是太阳能是否得到合理利用的关键。热水供应系统负责将集热系统制成的热水供给用户使用。3.1 太阳能热水系统分类太阳能热水系统分类的方法有很多种，本文按照国际标准ISO9459对其进行分类，如表1所示：特征类型ABC1太阳能单独系统太阳能预热系统太阳能带辅助能源系统2直接系统间接系统3敞开系统开口系统闭口系统4充满系统回流系统排放系统5自然循环系统强制循环系统6循环系统直流系统7分体式系统紧凑式系统整体式系统8真空管集热器系统平板型集热器系统表1 太阳能热水系统分类3.2 太阳能热水系统构成1、集热器系统中的集热元件，其功能相当于电热水器中的电加热管。和电热水器、燃气热水器不同的是，太阳能集热器利 用的是太阳的辐射热量，故而加热时间只能在有太阳照射的白昼，所以有时需要辅助加热，如锅炉、电加热等。2、保温水箱和电热水器的保温水箱一样，是储存热水的容器。因为太阳能热水器只能白天工作，而人们一般在晚上才使用热水，所以必须通过保温水箱把集热器在白天产出的热水储存起来。容积是每天晚上用热水量的总和。采用搪瓷内胆承压保温水箱，保温效果好，耐腐蚀，水质清洁，使用寿命可长达20年以上。3、连接管路将热水从集热器输送到保温水箱、将冷水从保温水箱输送到集热器的通道，使整套系统形成一个闭合的环路。设计合理、连接正确的循环管道对太阳能系统是否能达到最佳工作状态至关重要。热水管道必须做保温防冻处理。管道必须有很高的质量，保证有20年以上的使用寿命。4、控制中心太阳能热水系统与普通太阳能热水器的区别就是控制中心。作为一个系统，控制中心负责整个系统的监控、运行、调节等功能，的技术已经可以通过互联网远程控制系统的正常运行。太阳能热水系统控制中心主要由电脑软件及变电箱、循环泵组成。5、热交换器板壳式全焊接换热器吸取了可拆板式换热器高效、紧凑的优点，弥补了管壳式换热器换热效率低、占地大等缺点。板壳式换热器传热板片呈波状椭圆形，圆形板片增加热长，大大提高传热性能。广泛用于高温、高压条件的换热工况。3.3 太阳能热水系统原理3.3.1 自然循环系统工作原理自然循环太阳能热水系统是依靠集热器和贮水箱中水的温差，形成系统的热虹吸压头，使水在系统中循环，不断加热贮存能量。水在集热器中由于太阳辐射而被加热，温度上升，形成集热器及储水箱中水温不同，由于密度差而引起浮升力，使水在储水箱及集热器中作自然流动。如图1所示：图1 自然循环系统原理图自然循环系统的优点是结构简单，运行可靠，无需动力，成本较低；缺点是为了维持必要的热虹吸压头，贮水箱必须置于集热器上方，安装时会出现与建筑布置冲突及结构承重问题。3.3.2 强制循环系统工作原理这种循环系统是利用水泵使水在集热器与储水箱之间循环。当集热器顶端水温高于储水箱底部水温若干度时，控制装置启动水泵使水流动。水泵入口处装有止回阀，以防止夜间水由集热器逆流，引起热损失。如图2所示：图2 强制循环系统原理图加热水量一定时，在同样设计条件下，强制循环较自然循环式可得到较高温度的水，但是必须采用水泵。这样会存在水泵电耗、维护（如漏水等）以及控制装置失灵等问题。4 酒店太阳能热水系统设计4.1 太阳能热水系统设计原则太阳能集热器设计项目应遵循以下几方面的设计原则，科学设计太阳热水系统，使其达到合理、可靠、先进。1、遵守国家相关法律、法规及太阳能、给排水、采暖和土建等专业的相关标准、规范。2、综合考虑产品、系统的技术先进性、运行可靠性、经济性、使用便利性和使用寿命等各方面因素，选择实用、经济的方案。3、系统设计应安全可靠，内置加热系统必须带有保证使用安全的装置，并根据不同地区采取防冻、防结露、防过热、防雷、防雹、抗风、抗震等技术措施。 4、安装在建筑上或直接构成建筑围护结构的太阳能集热器，应有防止热水渗漏的安全保障措施；应设置防止太阳能集热器损坏后部件坠落伤人的安全防护设施；集热器不应跨越建筑变形缝设置。 5、安装在建筑上的太阳能热水系统不得影响该部位的建筑功能，并应与建筑协调一致，保持建筑统一和谐的外观；应避免集热器的反射光对附近建筑物引起的光污染。 6、太阳能热水系统的管线应有组织布置，做到安全、隐蔽、易于检修；为减少热损及循环阻力，循环管路尤其热水循环管路应尽量短而少弯；为了达到流量平衡和减少管路热损，绕行的管路应是冷水管或低温水管；管路的通径面积应与并联的集热器或集热器组管路通径面积的总和相适应。 7、轻质填充墙不应作为太阳能热水系统的支承结构。储水箱和集热器的安装位置应使其在满载情况下分别满足建筑物上其所处部位的承载要求。4.2 太阳能热水系统设计依据（1） GB50015-2003建筑给水排水设计规范（2） GB/T20095-2006太阳能热水系统性能评价规范（3） GB/T4271-2007 太阳能集热器性能实验方法（4） GB/T18713-2002太阳能热水系统设计、安装及工程验收技术规范（5） B50207-2002屋面工程质量验收规范（6） GB50242-2002建筑给水排水及采暖工程施工质量验收规范（7） GB50303-2002建筑电气安装工程施工质量验收规范4.3 系统设计之前的了解的问题4.3.1用户单位的建筑条件本建筑共11层，属于二类高层居住建筑，建筑高度34.00m。一层为会客厅，健身房。二层十一层为宿舍。4.3.2用户单位要求情况（1）本建筑设置集中热水供应系统，以蒸汽换热为主，太阳能辅助加热。热水系统分区与冷水系统保持一致。一层到六层为低区，七层到十一层为高区。低区最高日热水用水量为6t/d。高区最高日热水用水量为6t/d。高低区分别设置一个太阳能集热罐，一台流量8t/h的半即热式水加热器及一组热水循环水泵（一备一用）加热。（2）冷水首先进入太阳能集热罐进行初次加热，后进入半即热式水加热器。若太阳能集热罐出水温度达到60,则半即热式水加热器通过温控阀切断蒸汽热媒,半即热式水加热器不工作。若太阳能集热罐出水温度未达到60,则在半即热式水加热器中进行蒸汽换热，使出水水温达到60。（3）当热水回水管末端温度下降至50时，开热水循环泵（设于设备机房内），当温度大于55时，停热水循环泵。4.3.3地理位置及条件进行设计计算时，地理位置、气象参数等按连云港地区进行。（1）太阳能资源情况：江苏省连云港市处于暖温带南部，属于太阳能资源较丰富区，维度为北纬34.7度，年日照时数在2500小时左右；水平面上太阳能辐照量为42005400MJ/.a。（2）气象参数：年平均温度14.3。1月平均温度-0.4，极端低温-19.5：7月平均温度26.5，极端高温39.9。历年平均降水量920多毫米，常年无霜期为220天，主导风向为东南风。气象资料显示：连云港四季分明，冬季寒冷干燥，夏季高温多雨，每年大约紧有20-30天处于阳光不足状况状态。4.3.4用户单位的水压与电压了解用户单位的水压与电压以及供应情况。厂区给水管网供水压力较低，不能满足供水压力需求。由设置在办公主楼泵房中的生活给水泵分区供水,一层六层由低区生活给水变频泵供水。供水压力为0.4MPa. 七层十一层由高区生活给水变频泵供水，供水压力为0.6MPa。4.4 太阳能热水系统设计计算太阳能热水系统的两个不同子系统：太阳能集热系统和热水供应系统，在选型时所依据的系统负荷是不一样的。太阳能集热系统是根据月平均日用热水量来选取太阳能集热器的面积，而热水供应系统则是根据最高日用水量来确定系统设备和管路。4.4.1 太阳能集热系统设计计算太阳能集热系统主要包括太阳能集热器、贮水箱及相应的阀门和控制系统，强制循环还包括循环水泵，间接系统还包括换热器。1、 系统选型太阳能集热系统选型主要考虑一下几个因素：（1） 太阳能集热器类型；（2） 系统工作方式；（3） 换热方式；（4） 备份热源；（5） 管材和水箱材质。由于客户要求：“本建筑设置集中热水供应系统，低区最高日热水用水量为6t/d，高区最高日热水用水量为6t/d，高低区分别设置一个太阳能集热罐，一台流量8t/h的半即热式水加热器及一组热水循环水泵（一备一用）加热”。所以系统工作方式必须采用强制循环闭式系统，换热方式为直接系统，备份热源为以蒸汽为热媒的半即热式水加热器。对于该酒店集热器类型的选择有两种：平板型太阳能集热器和真空管太阳能集热器。平板型太阳能集热器是通过将太阳辐射能转换为集热器内部的工质的热能，来实现集热的。所谓平板集热器并不一定是平的表面，而是指集热器采集太阳辐射能的表面（采光面）面积与其吸收太阳能的表面积相等，所以采光面积相对于真空光集热器一般较大。平板集热器作为一种非聚光集热器具有采光面积大、结构简单、不需要跟踪、工作可靠、成本较低、运行安全、免维护、使用寿命长等特点，成为当今世界上应用最为广泛的集热器产品。主要应用于生活用水加热、工业用水加热、游泳池加热、建筑物采暖与空调等太阳能低温利用系统中，即符合本酒店热水用水需要。与此相比，真空管集热器在使用中的具有以下缺点：（1） 有效采光面积小；（2） 运行安全问题：玻璃管直接与被加热流体接触，由于玻璃易碎易裂，极易造成系统瘫痪；（3） 密封可靠问题：玻璃管与金属容器的密封只能靠硅胶圈，其寿命及密封可靠性不能保证；（4） 结垢清理问题：由于玻璃管是盲管形式，流体在玻璃管中的加热温度又恰恰在钙、镁离子易于氧化析出的范围，水垢沉积清理问题很难解决；（5） 承压运行问题：硅胶密封及玻璃的脆性都决定了系统不能承压运行，限制了承压式热水器及大型系统的应用；（6） 集热器寿命问题：玻璃管的绝热性能依赖真空夹层，真空度的保持年限无法达到建筑行业要求。所以，本次设计集热器选型为平板型集热器。2、 太阳能集热面积的确定直接式太阳能热水系统的集热面积可根据系统的日平均用水量和用水温度确定，按下式计算： （1）式中，AC直接式系统集热器面积，m2； QW日平均用热水量，L； C水的定压比热容，4.18KJ/(KG)； Tend要求水温，； TL初始水温，； f太阳能保证率； JT平均日辐照量，17540KJ/(m2d)； cd集热器全日集热效率； L热损失率。式中相关参数按以下方法确定：（1）日均用热水量 QW：低区最高日热水用水量为6t/d，高区最高日热水用水量为6t/d，鉴于极端天气情况或者用水突发情况，热水供应设计为日均13000L。（2）Tend要求水温：要求为60，TL初始水温，连云港地区年平均水温为15。（3）太阳能保证率f是确定系统所需集热器面积的一个关键因素，也是影响太阳能热水系统经济性能的重要参数。实际选用的太阳能保证率与系统使用期内的太阳辐射、气候条件、系统热性能、用户使用热水的规律和特点、热水负荷、系统成本和投资者的预期投资规模等因素有关。通常在工程的方案设计阶段，太阳能保证率f可用经验法确定。表2是按我国的太阳辐照资源区划，给出的各区太阳能保证率的选择范围。资源区划年太阳能辐照量MJ/(m2ga）太阳能保证率资源丰富区670060%资源较富区5400670050%60%资源一般区4200540040%50%资源贫乏区420040%表2 不同地区太阳能保证率的选值范围用表1选取f值时，全年使用太阳能热水系统取中间值，连云港地区属于资源一般区，f值取40%50%中间值，为45%。（4）cd集热器全日集热效率的确定当缺乏相关数据时，cd可按经验在0.250.5之间取值，取cd=0.48。（5）L热损失率的确定当条件限制无法进行精确计算时，可取经验值0.20.3。保温较差时取上限，反之取下限，本设计取0.2。综上所述：式中取值代入上面公式，可以得出集热器采光面积计算式： （2）3、太阳能集热个数的确定由公式（2）计算出的集热器采光面积AC=160可以得出，若本设计采用2m1m型平板式集热器，单个集热面积为2m2，所需平板集热器数目为1602=80个。4、 太阳能集热器定位在确定太阳能集热器安装位置时，应考虑集热器安装倾角和方位对太阳辐射能量收集的影响，设计时应注意一下问题：（1） 设计时应根据建筑类型、使用要求、安装条件等因素综合确定其位置，本次酒店系统设计为高层建筑，屋顶有足够安装空间且周围无遮挡，可以安装在屋顶平坦处。太阳能集热器宜朝向正南或偏东、西30设置，平板集热器安装倾角宜选择在连云港纬度（34.7）10范围内，设计时取45倾角，如图3所示：图3 集热器安装示意图（2） 集热器前后排间距因为本次设计所需集热器数目较多，考虑到屋顶长度不够情况下，设计时集热器可以采用两排或多排排列,如图4所示：图4 集热器布置示意图采用上述排列安装时一定要注意相互不遮挡，由此需要通过计算得出图4中S的最小值，可按下式计算： （3）式中，S为集热器满足不遮挡条件最小安装距离，m； H为前排集热器最高点与后排集热器最低点的垂直高差，m； h为计算时刻的太阳能高度角； 0为计算时刻的太阳光线在水平面上的投影线与集热器法线在水平面的投影线之间的夹角。由于平板集热器采用2m1m型号，集热器安装正南，倾角为45，可以得出：H1.414m，0=45。太阳高度角应按照最小值（即冬至日连云港的太阳高度角），经计算可以得出结果为31.85。把上述数值代入公式（3）中可得出：S=2.28m。5、 太阳能集热器的连接太阳能系统是有多块集热器连接构成的一个集热器阵列，集热器的连接方式对系统中各个集热器的流量分配和换热均有影响。为了保证太阳能系统高效的运行，系统设计必须关注集热器阵列的连接组合方式。集热器的连接方式分为三种：串联、并联、串并混联。由于本酒店热水系统设计采用的是强制循环系统，动力压头较大，可根据安装需要采用并串联连接方式，设计一共所需80块平板式集热器，设计时采用每20块为一模块，共4个模块，每个模块都采用并串联连接方式。又因为根据工程经验，同一斜面上多层布置时，串联的集热器数量不宜超过3组，所以本设计采用串联2组。每个模块连接方式如图5、6所示：图5 单个集热器组模块连接方式除了集热器连接对系统运行影响外，管路的布置也有影响。集热热器组应按同程原则布置成并联，即应使每个集热器的传热介质流入路径与回流路径的长度相同，以便使流量平均分配。如图7所示，同程管路系统有利于系统流量分配均匀，保证系统高效运行。图6 集热器串并连接细节图7 系统同程原则设计原理图4.4.2 热水供应系统设计计算1、 系统日耗热量、热水量计算全日供水的建筑其集中热水供应系统的日耗热量可按下式计算： （4）式中：Qd为日耗热量，单位W； qr为热水用水定额，取60L/人； C为水的比热容，C=4178J/(kg）； 为热水密度，60密度为0.982kg/L； tr-tL为温升，设计温升45（连云港地区tL取15）； m为用水设计单位，有图纸可看出该酒店一共1210=120人。代入公式（4）可以得出：Qd=15418W=15KW设计日热水量可按此公式计算： （5）可以得出：qrd=60120=7200L/d。由此可以比较用户要求：低区最高日热水用水量为6t/d，高区最高日热水用水量为6t/d，高低区分别设置一个太阳能集热罐。实际用水量远远小于酒店要求，所以系统供水方案可行。2、 设计小时耗热量、热水量计算小时耗热量计算公式: （6）式中:qr热水用水定额，60L/单位。 Kh小时变化系数，查表得Kh=6.84。 tr-tl温升，设计温升45。 m用水设计单位，取120人。 热水密度，60密度0.982kg/L。计算得小时耗热量Qh=105.5KW小时热水量计算：qrh=Qh/1.163(tr-tL) （7）计算得小时热水量qrh=2052.5L/h4.5 贮水箱设计贮水箱影响太阳能系统性能的最主要的因素之一。水箱按箱体可分为方型和圆形；按加工方式分现场制作和工厂制作水箱；按结构分装配式和焊接式；按材质分为碳钢、不锈钢和玻璃钢水箱；按防腐层分热镀锌、搪瓷和内喷涂等。贮水箱设计应注意一下事项：1、 贮水箱结构应设计合理，满足太阳能热水系统安全、稳定供应的要求，应设溢流口、排污管口、排气管、温度测点、水位显示。2、 贮水箱选择时，水箱容积按工程要求确定，水箱形状根据安装条件和水箱布置方式确定。3、 内部设置电加热元器件的贮水箱，其内箱应做接地处理。4、 太阳能集中式系统的贮水箱的水位控制应考虑保持一定的安全容积，高水位应低于溢水口不少于100mm，低水位应高于设计最低水位不小于200mm。5、 储水箱和集热器的相对位置应使循环管路尽可能短；储水箱的周围及上面应有至少容纳一人的作业空间。考虑以上设计原则，再根据酒店太阳能热水系统设计要求：高低区分别设置一个太阳能集热罐。本次设计采用双水箱贮水。太阳能热水系统的贮水箱容积与用户的用热规律紧密相关，贮水箱容积应取用户最大用水上限值。由公式（1）计算得出的日均热水供应为13000L，所以贮水箱的容积每个宜为8T，较日均供水量要稍大。且太阳能集热罐为承压式直接系统，集热罐简图如图8所示：图8 太阳能集热罐连接管道图4.6 辅助热源设计由于受天气影响，太阳能具有很大的不确定性，为了保证太阳能热水系统可靠供应热水，系统应设置其他能源加热/换热设备。辅助热源的选型按照太阳能热水系统最恶劣工况选用，一般不考虑太阳能提供的份额，依据热水供应负荷计算。考虑到酒店要求：系统以蒸汽换热为主，太阳能辅助加热。高低区分别设置一个太阳能集热罐，一台流量8t/h的半即热式水加热器及一组热水循环水泵（一备一用）加热。冷水首先进入太阳能集热罐进行初次加热，后进入半即热式水加热器。若太阳能集热罐出水温度达到60,则半即热式水加热器通过温控阀切断蒸汽热媒,半即热式水加热器不工作。若太阳能集热罐出水温度未达到60,则在半即热式水加热器中进行蒸汽换热，使出水水温达到60。所以，辅助热源需要使用两台流量8t/h的半即热式水加热器。4.6.1 半即热式水加热器概念及要求半即热式水加热器是带有超前控制具有少量贮存容积的快速式水加热器。具有能保证热水连续供应、快速加热被加热水、热水出水温度稳定等一些特点。根据换热管的型式不同主要分为浮动盘管型半即热式水加热器，弹性管束型半即热式水加热器。4.6.2半即热式水加热器运行原理如图9所示：热媒蒸汽经控制阀和底部入口通过蒸汽立管进入并联盘管，热交换后，冷凝水进入冷凝立管由底部流出，冷水从底部经孔板入罐，同时有少量冷水进入分流管。入罐冷水经转向器均匀加热并向上流过盘管得到加热，热水由上部流出。部分热水在顶部进入感温管开口端，冷水以与热水用水量成正比的流量由分流管同时进入感温管，管温元件读出冷热水平均温度，向控制阀发出信号，按需要调节热水与冷水比例，使温度恒定。图9 半即热式水加热器原理图4.6.3 半即热式水加热器连接关于半即热式水加热器与管道的连接要求： 1、冷水管和第二循环回水管从底部接入。2、热水管在顶部接出。3、蒸汽管或高温水管从底部接入，冷凝水管从底部接出。本次加热器连接设计图如图10所示：图10 半即热式水加热器连接示意图图中，电磁阀控制超温排水口：当半即热式水加热器内水的温度过高时，可以排出一定量的热水，然后进入的冷水降低加热器内水的温度，以使加热器出水口的温度恒定。另外，分流管也可以调节出水口的温度：加热器内上部出口处有一个感温管，当加热器出口温度低时，调节并减少分流管内冷水量，使温度升高；当集热器出口温度高时，调节并增加分流管内冷水量，使温度降低。4.6.4半即热式水加热器施工、安装要点1、 加热器的前端应有满足检测时抽出加热盘管所需的空地或条件。2、 加热器侧面离墙、柱之间的净距一般不小于0.7m，后墙离墙、柱净距不小于0.5m。3、 各类阀门和仪表的安装高度应便于操作和观察。4、 加热器上部附件（一般指安全阀）的最高点至建筑结构最低点的垂直净距应满足安装检测的要求，并不得小于0.2m。5、 热力管道应尽量利用自然补偿。6、 若部分积垢不能自动脱落，可采用热冲击法。7、 为确保供水水质，每周应排污一次。4.7 管网设计4.7.1 太阳能给水系统管网设计建筑内部给水系统有3种基本系统：生活给水系统、生产给水系统、消防给水系统。本文主要讲述建筑内部太阳能系统生活给水系统。生活给水就是人们日常生活所需要的用水，而太阳能热水系统用水只是其中一部分。由于原酒店建筑设计要求：本建筑共十一层，建筑高度34.000m.厂区给水管网供水压力较低，不能满足供水压力需求。由设置在办公主楼泵房中的生活给水泵分区供水,一层六层由低区生活给水变频泵供水。供水压力为0.4MPa.七层十一层由高区生活给水变频泵供水，供水压力为0.6MPa。可知，给水系统所需水压地区为0.4MPa，高区为0.6MPa。管道材质是根据工程设计要求，生活热水给水干管采用薄壁不锈钢管，卫生间热水管采用PP-R管。给水系统用水量根据用水定额、小时变化系数和用水单位数，按下式计算：Qh=QpKh=QdKh/T=mqdKh/T （8）式中：Qd为最高日用水量，12000L/d； m为用水单位数，120人； qd为最高日用水定额，L/（人天）； T为用水时间，24h； Kh为小时变化系数，查建筑给水排水工程表2-3可得Kh取2.5； Qh为最大小时用水量，L/h；经计算可得：最大小时用水量Qh=1250L/h。给水秒流量计算不仅可以确定各管段管径，也可以计算管道水头损失，进而确定给水系统所需压力。当前我国使用的生活给水管网设计秒流量的计算公式（宾馆）为： （9）式中，是根据建筑物用途确定的系数，查表3：建筑物名称a值建筑物名称a值幼儿所、托儿所、养老院1.2医院、疗养所、休养所2.0门诊部、诊疗所1.4集体宿舍、旅馆、招待所、宾馆2.5办公楼、商场1.5客运站、会展中心、公共厕所3.0学校1.8表3 不同建筑系数值可知：宾馆的值为2.5。Ng为计算管段的卫生器具给水当量总数。查建筑给水排水工程表2-1可知：洗涤盆（混合水嘴）当量数为1.00，浴盆（混合水嘴）当量数为1.2，淋浴器（混合阀）的为0.75，洗脸盆（混合水嘴）的当量数为0.75，大便器当量数为1.00，小便器当量为0.50。则Ng=120*（1.00+1.2+0.75+0.75+1+0.5）=540,代入公式（9）计算得：qg=11.6L/s根据管段的设计流量，按下式确定管径： （10）式中，d管段直径，m qg计算管段的设计流量，m3/s v管段设计流速。以上可知道，管段流量确定后，管段的流速的大小取决于管径的大小，设计时应考虑技术和经济两方面因素恰当选用管内流速，管内流速过大，易产生噪声，因水锤现象毁坏管道和附件，并增加管道水头损失，加大供水所需压力；管内流速过小，将造成管材浪费。热水管道内的流速宜按下表4选用：管径1520254050流速（m/s）0.81.01.2表4 管径与流速关系一般工程管道流速取1.5m/s，可以确定管道直径50，工程中常取65管径，如图11所示：图11 热水供水管道管径根据循环流量经水力计算确定回水管管径，简化计算可参考表5：热水供水管径20253240506580100125150200热水回水管径202025324040506580100表5 热水回水管管径确定所以热水回水管径取40管道，如图12所示：图12 热水回水管道管径为了保证各立管的循环效果，尽量减少干管的水头损失，热水供水管和热水回水管均不宜变径，均按其最大管径确定。4.7.2 太阳能集热系统管网设计4.7.2.1 太阳能集热系统管路设计的一般要求：（1） 管路应尽量短，少拐弯，为了达到流量平衡和减少热