LOGO高层建筑规模化应用太阳能热水系统设计与研究Click to add your text太阳能热水器的发展历程太阳能热水器的发展历程热管真空管热管真空管全玻璃真空管全玻璃真空管平板式平板式闷晒式闷晒式2论文内容论文内容第一章第一章 绪论绪论第二章第二章 太阳能热水系统的分类、特点及适用性太阳能热水系统的分类、特点及适用性第三章第三章 高层建筑应用太阳能热水系统工程设计实例高层建筑应用太阳能热水系统工程设计实例第四章第四章 设计方案的可行性分析设计方案的可行性分析第五章第五章 结论与展望结论与展望3 绪论绪论 太阳能与建筑一体化概念的提出太阳能与建筑一体化概念的提出1 充分利用建筑的向阳部位（如阳台、屋顶等）安置太充分利用建筑的向阳部位（如阳台、屋顶等）安置太 阳能设备；阳能设备；2 与小区规划、建筑设计、设备安装及验收同步，节省与小区规划、建筑设计、设备安装及验收同步，节省 太阳设备成本；太阳设备成本；3 太阳能系统和建筑有机结合，外观上和谐统一；太阳能系统和建筑有机结合，外观上和谐统一；4 设计时，太阳能构件可作为建筑构件并可承担部分建筑功能。设计时，太阳能构件可作为建筑构件并可承担部分建筑功能。4国外太阳能热水器的发展情况国外太阳能热水器的发展情况 1 开发新型太阳能集热器，作为建筑元素，具有“建筑职能”，专注于整合质量 2 形成以集热器替代建筑墙(屋)面材料的发展趋势 5太阳能与建筑一体化太阳能与建筑一体化6太阳能热水系统与高层建筑一体化存在问题太阳能热水系统与高层建筑一体化存在问题 1遮挡问题遮挡问题 低层用户日照时间不足低层用户日照时间不足2热损失问题热损失问题 管路长，低层用户热效率下降管路长，低层用户热效率下降3集热面积有限集热面积有限 高层建筑用户多，可以安装集热器的面积相对有限高层建筑用户多，可以安装集热器的面积相对有限4集热器安装问题集热器安装问题 家庭购买，自行安装，严重影响建筑的功能和美观家庭购买，自行安装，严重影响建筑的功能和美观7本课题设计的主要内容 v（1）分析天津具体的气象特点，探讨太阳能热水集热器在建筑规模化应用中的安装方式，用AUTOCAD2007直观的设计一本太阳能集热器安装方案图册。 v（2）对太阳能热水器的管网进行设计，绘制供热管路图。v（3）提出一套太阳能集热器性能检测实验台的方案，包括配备的数据采集系统，能对各种类型集热器的运行性能进行实验研究。v（4）对所设计的典型的太阳能热水系统进行节能特性、环保特性分析。8第二章第二章 太阳能热水系统的分类、特点及适用性太阳能热水系统的分类、特点及适用性1自然循环单水箱系统自然循环单水箱系统 水箱底部需高于用水点水箱底部需高于用水点至少至少5米只适用于对热米只适用于对热水质量和建筑物外观要水质量和建筑物外观要求不太高的场合求不太高的场合 2强制循环直接式单水箱系统强制循环直接式单水箱系统 适用于热水供应规模较大，建适用于热水供应规模较大，建筑外观要求严格，水质和防冻筑外观要求严格，水质和防冻要求不高的场合。要求不高的场合。 93工质不结冰，可以在寒工质不结冰，可以在寒冷地区使用。冷地区使用。 工质不结冰，可以在寒工质不结冰，可以在寒冷地区使用。适用于热冷地区使用。适用于热水供应面积较大，对热水供应面积较大，对热水质量要求不高，建筑水质量要求不高，建筑外观要求严格，有防冻外观要求严格，有防冻要求的场合。要求的场合。 10目前高层住宅太阳能热水系统供热方案目前高层住宅太阳能热水系统供热方案集中供热水方案集中供热水方案优点：运行稳定优点：运行稳定 造价低造价低不足：屋顶面积不足：屋顶面积 有限，热有限，热 损失较大损失较大 系统方案分散供热水方案分散供热水方案优点：系统独立优点：系统独立 不存在收不存在收 费问题费问题不足：遮挡问题不足：遮挡问题11高层建筑应用太阳能热水系统工程设计实例高层建筑应用太阳能热水系统工程设计实例本工程系天津双港新家本工程系天津双港新家园园5-1地块地块D户型户型18层住层住宅，层高宅，层高2.9米，每幢共米，每幢共69户户12集热器面积计算集热器面积计算直接系统集热器总面积直接系统集热器总面积间接系统集热器总面积间接系统集热器总面积13设计理念设计理念Phase 1Phase 2Phase 3当屋顶集热器已当屋顶集热器已经布满，仍不能经布满，仍不能满足所有用户需满足所有用户需求时，计算不能求时，计算不能满足的用户数目，满足的用户数目，在高层用户的南在高层用户的南向阳台布置阳台向阳台布置阳台壁挂式集热器，壁挂式集热器，采用分散供热水采用分散供热水系统。系统。充分利用屋顶面充分利用屋顶面积，在屋顶尽可积，在屋顶尽可能多的布置平板能多的布置平板型集热器。型集热器。供热系统采用强供热系统采用强制循环间接式单制循环间接式单水箱系统，工质水箱系统，工质采用防冻液（主采用防冻液（主要为乙二醇溶液）要为乙二醇溶液）。14建筑外观图建筑外观图设计方案为坡屋顶布置设计方案为坡屋顶布置50块块PJ-2.0A型集热器；型集热器；917层层18块南立面布置块南立面布置PGT-3.0型集热器型集热器 15集中供热系统图集中供热系统图坡屋顶布置坡屋顶布置50块块PJ-2.0A型集热型集热器，采用集中分户供热水系统对器，采用集中分户供热水系统对18层全体用户、层全体用户、917层北向层北向用户还有用户还有18层全体用户供热层全体用户供热集热器集热器防冻液供水管防冻液供水管防防冻冻液液回回水水管管16分散供热系统图分散供热系统图防防冻冻液液环环路路接自来水接自来水917层南向用户的南层南向用户的南阳台上布置阳台上布置18块块PGT-3.0型集热器，采用分型集热器，采用分散供热水系统对各自散供热水系统对各自的用户供热；的用户供热；172-8层管路系统平面图层管路系统平面图起居起居室室起居起居室室起居起居室室起居起居室室厨厨房房厨厨房房厨厨房房厨厨房房卧卧室室卧卧室室卧卧室室卧卧室室主卧室主卧室主卧室主卧室主卧室主卧室主卧室主卧室注：黄线为防冻液注：黄线为防冻液供水管供水管 蓝线为防冻液蓝线为防冻液回水管回水管 红线为热水管红线为热水管189-17层管路系统平面图层管路系统平面图起居起居室室起居起居室室起居起居室室起居起居室室主卧室主卧室主卧室主卧室主卧室主卧室主卧室主卧室卧室卧室卧室卧室卧室卧室卧室卧室厨厨房房厨厨房房厨厨房房厨厨房房阳台阳台阳台阳台阳台阳台阳台阳台注：黄线为防冻液注：黄线为防冻液供水管供水管 蓝线为防冻液蓝线为防冻液回水管回水管 红线为热水管红线为热水管19管路水力计算表管路水力计算表 20不同楼层的管径值不同楼层的管径值21水泵压力与流量计算水泵压力与流量计算管网总的压力损失为管网总的压力损失为1.5MPa。水泵所提供的压力为。水泵所提供的压力为1.5MPa,流量为流量为5.06L/s。管段中总的局部阻力系数管段中总的局部阻力系数流体密度，取流体密度，取800kg/m3 v 热媒流速，热媒流速，m/s 22第四章第四章 设计、方案的可行性分析设计、方案的可行性分析可行性分析可行性分析实验数据实验数据TRNSYS模拟模拟经济性分析经济性分析23实验数据分析实验数据分析本实验主要由平板式太阳能集热器、本实验主要由平板式太阳能集热器、120L水箱、循环水泵、时间继电器、水箱、循环水泵、时间继电器、太阳辐射测量仪、温度传感器及数据采太阳辐射测量仪、温度传感器及数据采集系统组成。集系统组成。本实验通过时间继电器来控制循环水泵本实验通过时间继电器来控制循环水泵的运行，通过太阳辐射测量仪来采集太的运行，通过太阳辐射测量仪来采集太阳辐射强度，由温度传感器来采集温度阳辐射强度，由温度传感器来采集温度数据，从而得出水箱温度与太阳辐射强数据，从而得出水箱温度与太阳辐射强度之间的关系，由此关系计算出太阳能度之间的关系，由此关系计算出太阳能热水系统的集热效率热水系统的集热效率 24太阳能热水系统瞬时效率曲线太阳能热水系统瞬时效率曲线4月月22日瞬时效率日瞬时效率曲线曲线4月月24日瞬时效率日瞬时效率曲线曲线4月月27日瞬时效率日瞬时效率曲线曲线4月月22日瞬时效率日瞬时效率曲线曲线25实验结论实验结论1（水箱温度（水箱温度-环境温度）环境温度）/太阳辐射值太阳辐射值 越越大，太阳能热水系统的热效率越高。大，太阳能热水系统的热效率越高。一般来说，在晴朗的天气里，集热器一般来说，在晴朗的天气里，集热器热效率在热效率在11点到点到14点之间程上升趋势，点之间程上升趋势，最大可达最大可达70% ，14点以后急剧下降，点以后急剧下降，集热器的平均效率在集热器的平均效率在10点到点到15点之间点之间可达可达50%。2水箱内水温在水箱内水温在11点到点到15点之间升高较点之间升高较快，在快，在13点之后就可达到点之后就可达到40度以上。度以上。因此，可以说太阳能热水系统只要能因此，可以说太阳能热水系统只要能够保证每天够保证每天5个小时的日照时间，就可个小时的日照时间，就可以满足住户的需要。以满足住户的需要。26TRNSYS模拟模拟27TRNSYS模拟模拟9-17层用户一天之内水箱温度变化情况层用户一天之内水箱温度变化情况28TRNSYS模拟模拟 顶层用户一天之内水箱温度变化情况顶层用户一天之内水箱温度变化情况29TRNSYS模拟模拟 首层用户一天之内水箱温度变化情况首层用户一天之内水箱温度变化情况30经济性分析经济性分析增加投资的估算增加投资的估算31经济性分析经济性分析计算投资回收期计算投资回收期Ne=6年年此工程投资回收期为此工程投资回收期为6年，年，寿命期为寿命期为15年年32方案总结方案总结（1）坡屋顶布置）坡屋顶布置50块块PJ-2.0A型集热器，采用集中分户型集热器，采用集中分户 供热水系统对供热水系统对18层全体用户、层全体用户、917层北向用户层北向用户 还有还有18层全体用户供热；层全体用户供热；（2）917层南向用户的南阳台上布置层南向用户的南阳台上布置18块块PGT-3.0型型 集热器，采用分散供热水系统对各自的用户供热；集热器，采用分散供热水系统对各自的用户供热；（3）住宅内的管路铺设采用吊顶形式，管道井内的管）住宅内的管路铺设采用吊顶形式，管道井内的管 网采用上供下回的常规设计，水箱的辅助热源采用网采用上供下回的常规设计，水箱的辅助热源采用 电加热装置。电加热装置。33方案总结方案总结优势：该设计方案可以得到足够的集热面积，解决了高优势：该设计方案可以得到足够的集热面积，解决了高 层建筑集热面积不足问题，由于在高层用户南向层建筑集热面积不足问题，由于在高层用户南向 阳台壁挂集热器，不存在遮挡问题。阳台壁挂集热器，不存在遮挡问题。不足：由不足：由TRNSYS模拟分析可知，低层用户热效率较低模拟分析可知，低层用户热效率较低 这是低层用户管道长，热损失大的原因所造成的这是低层用户管道长，热损失大的原因所造成的 34适用建筑适用建筑（1）高层或小高层（）高层或小高层（10层以上）且住户较多；层以上）且住户较多；（2）建筑较密集，低层用户遮挡严重；）建筑较密集，低层用户遮挡严重；（3）屋顶面积较大，可以布置集热器；）屋顶面积较大，可以布置集热器；（4）地区太阳能较为丰富，适合使用太阳能热水统；）地区太阳能较为丰富，适合使用太阳能热水统；（5）中高纬度地区，冬季气温低于）中高纬度地区，冬季气温低于0。35适用建筑适用建筑（1）高层或小高层（）高层或小高层（10层以上）且住户较多；层以上）且住户较多；（2）建筑较密集，低层用户遮挡严重；）建筑较密集，低层用户遮挡严重；（3）屋顶面积较大，可以布置集热器；）屋顶面积较大，可以布置集热器；（4）地区太阳能较为丰富，适合使用太阳能热水统；）地区太阳能较为丰富，适合使用太阳能热水统；（5）中高纬度地区，冬季气温低于）中高纬度地区，冬季气温低于0。36未来展望未来展望 未来的太阳能热水系统除了可以满未来的太阳能热水系统除了可以满足所有用户的需求外，还将更注重与住足所有用户的需求外，还将更注重与住宅建筑的完美结合。宅建筑的完美结合。 中国的住宅建设不可能像国外那样中国的住宅建设不可能像国外那样以低层别墅类的模式发展以低层别墅类的模式发展 ,也不可能像国也不可能像国外那样有大片的空地可以作为集中集热外那样有大片的空地可以作为集中集热器的场所器的场所 ,因此只能在建筑上安装热水器。因此只能在建筑上安装热水器。 37未来展望未来展望（1）屋顶构架式：集热器不）屋顶构架式：集热器不是直接放在屋面上是直接放在屋面上 ,而是利用而是利用下部原有结构升出屋面形成架下部原有结构升出屋面形成架空的构架空的构架,使之成为集热器的使之成为集热器的安装场所。安装场所。 38未来展望未来展望2 阳台构架式：所谓阳台构架阳台构架式：所谓阳台构架式指集热器安装在建筑南向阳式指集热器安装在建筑南向阳台的做法。因为南向阳台的位台的做法。因为南向阳台的位置决定了它成为安装集热器的置决定了它成为安装集热器的另一个重要部位。可以把集热另一个重要部位。可以把集热管设在阳台外部构成遮阳构架管设在阳台外部构成遮阳构架的形式的形式 39LOGO