太阳能热水方案
中国航空规划建设发展有限公司2016年5月23日
目录
第一节地理位置及概况 (1)
第二节方案设计依据及标准 (1)
第三节运行原理及说明 (4)
第四节重要项校核计算及说明 (5)
第五节太阳能热水经济分析 ............................................ 错误!未定义书签。
第一节地理位置及概况
一、地理位置：
本项目位于北京市（北纬39o48′，东经116°28′）。我国是太阳能资源十分丰富的国家，三分之二的国土年日照量在2200小时以上，年辐射总量大约每年3340-8360MJ/㎡，相当于110-250kg标准煤/㎡。根据我国气象部门测量年辐射总量的大小，一般将我国大陆部分划为四个太阳能辐射资源带，即一类地区（≥6700 MJ/㎡），二类地区（5400-6700 MJ/㎡），三类地区（4200-5400 MJ/㎡），四类地区（4200 MJ/㎡），北京属于上述的第二类资源带内，其太阳能资源大有潜力可挖。
二、项目概况：
此项目总建筑面积为13.648万平米，地上43层、建筑面积约为9.148万平米，地下五层、建筑面积约4.5万平米，为建筑高度220m的超高层5A甲级写字楼。商业主要为写字楼配套商业。
用水情况：厨房、员工淋浴热水设置集中热水供应系统，采用太阳能强制循环间接加热系统（单水箱），日供应60℃热水7.5m3，太阳能集热板设在裙房屋面，集热热媒工质采用防冻液。冬季运行十分可靠，且不需要设电伴热等耗能防冻措施。太阳能热水机房设在地下一层，紧邻热水用水点。供水稳定可靠，系统换热效率高。
《建筑给排水设计规范》GB 50015-2003中，表5.1.1-1规定，办公楼最高日热水用水定额为5~10 L/人.班，淋浴最高日热水用水定额为17~26L/人.次，餐饮业-职工食堂最高日用水定额为7~10L/人.次。选取设计用水定额如下：
办公楼最高日热水用水定额为8 L/人.d，淋浴最高日热水用水定额为26L/人.次，餐饮业-职工食堂最高日用水定额为7 L/人.次。
各部热水用水量计算详见表1。
表1 热水用水量
辅助能源：当阴雨天或者太阳能不足的时候，设计燃气热水器作为太阳能系统辅助热源。
第二节方案设计依据及标准
一、方案设计标准：
1、GB/T18713-2002《太阳能热水系统设计、安装及工程验收技术规范》
2、GB50015-2009《建筑给水排水设计规范》
3、GB/T6242-2007《平板型太阳集热器》
4、GB50017-2003 《钢结构设计规范》
5、GB5009-2001《建筑结构载荷规范》
6、GB50207-2002《屋面工程质量验收规范》
7、GB50205-2001《钢结构工程施工质量验收规范》
8、GB50242-2002《建筑给水排水及采暖工程施工质量验收规范》
9、GB50303-2002《建筑电气安装工程施工质量验收规范》
10、GB50003《建筑工程施工质量验收统一标准》
11、GB50364-2005《民用建筑太阳能热水系统应用技术规范》
12、GB50345-2004《屋面工程技术规范》
13、GB/T20095-2006《太阳能热水系统性能评定规范》
14、GB/T4271-2007《太阳能集热器性能试验方法》
15、GB/150-1998《钢制压力容器》
二、设计指标：
1、经纬度：北京市（北纬39o48′，东经116°28′）
2、基础水温：13℃；
一般自来水为地表水，地表水的供水温度变化与大气温度变化基本一致，因此参照GB50015-2009（P96）表5.4.1的冷水计算温度进行取值。
基础水温取值
基础水温
4 4 4.
5 13.1 19.8 24 25.8 24.4 19.4 12.4 4.1 4 13 （℃）
3、太阳辐照量：依据国家建筑标准设计图集06SS128 《太阳能集中热水系统选用与安装》中附录一:《主要城市各月设计用气象参数》中选用，北纬39o48′，东经116°28′年辐照量资料如下：
a.年平均气温：年平均气温：11.5℃；
b.全年日照时数：2755.5h；
c.全年辐照量：6281.99MJ(㎡·a)
d.年日均辐照量：17.21MJ(㎡·d)
4、补偿比：
根据上表得出，角度为50°的补偿比为97%，则辐照量为16.6937 MJ/㎡；
角度为30°的补偿比为100%，则辐照量为17.21 MJ/㎡
三、设计指标：
1、热水用水量：本建筑厨房、员工淋浴热水设置集中热水供应系统，采用太阳能强制循环间接加热系统（单水箱），日供应60℃热水7.5m3。
2、日均用水水温: 根据贵方经验和要求，设计用水水温60℃。
3、集热系统防垢：为防止集热系统中结垢，采用硅磷晶水处理，实践证明具有良好的防垢、溶垢、杀菌、灭藻、防腐蚀、防锈水的作用。
4、集热器型号选取：采用性价比较高的HUJ20/2.1型集热器，单台集热器的集热总面积为3.55㎡。
5、太阳热水系统水质要求：
由于各地的水质情况不同，对于水质较差的地区，使用太阳热水系统时，将严重影响使用效果，因此，公司要求客户在使用太阳热水系统时，其给水水质必须达到下列指标（参考《生活饮用水卫生水标准》），方可保证使用效果。
若用户的水质达不到上述的要求时，应采取适当的措施，使水质满足要求。
第三节运行原理及说明
运行原理说明：
1、温差循环：太阳能集热器中加入媒介，每日太阳能辐射达到一定过强度时，集热器上循
环口水温T1开始上升，当集热器出口温度T1与屋面集热水温温度T2温差（T1-T2≥8℃）时，太阳能集热循环泵与板换循环泵同时启动，通过板式换热器对屋面集热水箱中的水进行过加热，直到集热出口温度T 2温差（T1-T2≤2℃）时，停止换热；太阳能集热器继续吸收太阳的热量，从而进入下一个温差循环；如此往复，屋面集热水箱内的水不断被加热至设定温度。
2、手动补液：当集热系统缺少防冻液时，采用手动防冻液的方式补充防冻液。
3、集热管路防冻循环：冬季当集热管路T3中温度低于5℃时，集热循环泵P1开启进行循环，
将水箱内的热水打进集热器；当集热器管道温度T3升高至10℃时，系统控制关闭循环泵，以防止循环管路冻堵（冬季使用）；
4、定时定温管道循环：在设定的时间内，当用水管道温度低于40℃（可调）时，DCF2打
开，启动水泵将管道中的冷水打入到供水水箱中，当管道温度达到45℃(可调)时，DCF2关闭，管道循环停止。（详细原理解释见原理图）
第四节 重要项校核计算及说明
所用集热器年均集热效率计算
集热器基于总面积瞬时效率曲线方程为：ηcd ＝0.511－1.936T i ＊
式中：T i ＊＝（t i －t a ）/G ；
t i ：工质进口温度，℃；t i ＝t L /3+t e ×2/3＝13/3＋60×2/3＝44（℃） t L ：水的初始温度，13℃； t e ：储水箱内水的终止温度，60℃； t a ：环境温度，11.5℃；
G ：集热器采光面上总日辐照度，W/㎡；
G ＝J T /(S y 3.6)＝17210/(7.5×3.6)＝637 (W/㎡)； T i ＊＝（t i －t a ）/G ＝(44-11.5)/ 637＝0.051（㎡·℃/W ）；
ηcd ＝0.511－1.936T i ＊＝0.511－1.936×0.051＝0.41； 经计算集热器年平均效率ηcd ＝0.42；
(1)直接系统集热器集热面积计算
)1()(L cd T i end w w c J f
t t C Q A ηη--= （式——1）
式中：
c A ——直接系统太阳集热器集热面积； w Q ——日均用水量，7500kg ；
end t ——储水箱内水的终止温度（用水温度），60℃； w C ——水的定压比热容，4.18KJ/（㎏·
℃）； i t —— 水的初始温度，13℃；
t J ——当地集热器受热面上太阳能年均日辐照量t J ＝17210KJ/㎡ ；
f ——太阳能保证率，无量纲，选50%；
cd η——集热器的年平均集热效率；国标经验值取0.45～0.55，根据我公司实验数据计算年均
集热效率取0.41；
L η——管路及储水箱热损失率，此处取0.2。 经过计算直接系统的集热面积为：129.2㎡
（2）热交换器换热量可按下式计算： 1）热交换器换热量的计算：
Q z ＝k t ×f×q rd ×c×ρr ×(t e -t L )×1000/(3600×S Y )
＝1.8×50%×7.5×103×4.18×1×(60－13) /(3600×7.5) ＝49.115 (Kw)
Q Z －集热系统换热量，Kw ；
k t －太阳能辐照度时变系数，取1.5～1.8； f －太阳能保证率，50%； q rd －设计日用热水量，7500L/d ； ρr －热水密度，1000Kg/m3； t e －贮水箱内水的设计温度60℃； t L －水的初始温度，13℃；
S y －当地的年平均每日的日照小时数，h 。 2）浮动盘管热交换器换热面积的计算： A HX ＝C r ×Q z /(ε×K ×Δt i ) ＝1.1×49.115/(0.6×3×6) ＝5(㎡)
A HX －间接系统热交换器的换热面积，㎡； C r －集热系统的热损失系数，1.1～1.2； Q Z －集热系统换热量，Kw ； ε－结垢影响系数，0.6～0.8；
K －热交换器传热系数，据厂家提供的浮动盘管的传热系数为3kw/（㎡·℃）； Δt i －传热温差，宜取5～10℃；
（3)间接系统集热器总面积按下式计算：
???? ?
???+?=hx hx C L C IN A U A U A A 1
式中：IN A ——间接系统集热器总面积，㎡；
C A ——直接系统集热器采光总面积，A c1=129.2㎡；
L U ——集热器总热损失系数。采用真空管集热器，国家质检中心检测数据为1.961
W/(㎡·℃)；
hx U ——热交换器传热系数，按热交换器技术参数确定3000w/㎡·℃； hx A ——间接系统热交换器换热面积，hx A =5㎡；
经过计算出：
A=131.35m2；
IN
根据楼顶情况，系统安装HUJ20/2.1型集热器37组，总集热面积131.35㎡，37组集热器在集热器倾斜面日总辐照量为17210KJ/㎡、保证率为50%的情况下，每天能将7.5吨水从基础水温13℃升高到60℃（温升47℃），当太阳能资源不足时采用燃气锅炉加热。
根据以上分析可得，本项目热水日用水量32.3m3。其中燃气加热水日用量24.5m3，太阳能加热水日用量7.8m3。太阳能制备的热水量占建筑生活热水消耗量=7.5/32.3≈24%。