太阳能热水工程的设计与安装.doc

新疆太阳能热水工程的设计与安装

太阳能热水工程设计工作开展之前，注意做好全面分析、合理设计、选用适宜的太阳能热水系统方案，才能达到用户满意的使用要求。在设计方案中，根据用户单位不同条件和需求不同，要灵活分析、确定，不能采用一、二个固定模式设计、安装。
一、设计之前了解的问题：
1、用户单位的建筑条件：
      建筑物集热面积的大小、形状、结构、朝向、建筑物高度以及允许放置水箱的位置（楼顶、地面、地下室等）大多不相同，所以要对建筑图纸进行详细的分析研究。
2、用户单位要求情况：
      ①日均用水总量；用户是每日定时一次使用还是随时使用；要求用水温度；用水使用位置；②实际用途：洗浴用水、浴池加温、鱼池加温、环境（种植或养殖大棚）加温、桑拿、游泳池；③对生活用热水国家有标准，如下表：
序号
名称
桶提
淋浴
浴池
1
学生宿舍(每人每天)
25-30L
40-50L
\
2
员工宿舍(每人每天)
30-40L
40-50L
\
3
住宅 (每人每天)
\
50-60L
80-100L
4
宾馆客房(每间每人)
150-200L
5
桑拿休闲(每人每天)
60-80L
6
美容美发(每人每天)
20-30L

3、用户单位辅助能源的条件：
      确定采用（电加热器，电锅炉，燃油、燃气锅炉，水源、地源或空气源热泵机组等）一种方案或二种以上的组合方案。
4、地理位置及条件：
      根据用户的地理纬度和冬季最低环境温度、四季日照条件、朝阳的方向是否有遮挡，分析集热部分、储水箱的安装位置和安装条件。
5、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。
二、设计中的基础问题：
1、太阳能集热模块的倾角：
①对于春、夏、秋三季使用的太阳能系统，集热模块的倾角等于当地的纬度减5—10度；②对于春、夏、秋、冬四季使用的太阳能系统，集热模块的倾角等于当地的纬度加5—10度；③对于家用热水器拼装的太阳能集中供热系统倾角随同家用热水器。
2、全玻璃真空管数量和集热模块数量的确定：
①每支管的日产水量：在我区每支真空管的日产水量与管子的规格和地区有关，具体如下表：

全玻璃真空管单支管日产水量
地 区
真 空 管 的 规 格
Ф47*1200（升）
Ф47*1500（升）
Ф58*1700（升）
南 疆
6
8
10
北 疆
5
7
9
②真空管总数量和集热模块数量的确定：真空管总数量=日均用水总量/真空管单支日产水量，集热模块数量=真空管总数量/单个集热模块所含真空管数量；③真空管总数量和集热模块数量的确定还要结合房屋的布置面积、朝向、集热模块的布局方式、最小不遮阳距离等。
3、集热模块在屋面的布置：
①集热模块联箱水平放置，真空管竖直排列，位于集热模块联箱的下端；②集热模块联箱竖直放置，真空管水平排列，位于集热模块联箱的两端。
三、常见的几种设计方案：
1、家用太阳能热水器的串并联方案。
   ①该类型太阳能中央热水系统具有运行简单、操作方便、故障率极低等特点，多适用于平顶房安装，且安装空间充足，不便设专职人员看管的医院、学校、宾馆、部队、收费站等单位、集体用热水。
②运行原理： 该系统可根据需要多台超大型家用太阳能热水器串并联，冷水经水位控制箱进入太阳能热水器内进行加热，然后流入保温水箱进行储存。控制柜可实现对保温水箱的水温、水位显示和自动电加热功能，保持水箱温度恒定。
2、自然循环设计方案。
      在小吨位用水量中也很普遍，不适于大吨位用水量方式。这种方式比较简单，有一定的要求，水箱与太阳能集热器的高度问题（一般高于集热器顶部半米以上），水箱的支架要计算载荷问题和防风问题，符合《钢结构设计规范》，无论是采用什么方式的太阳能集热器，其串并联的数量要求合理，应符合《太阳能热水系统设计、安装及工程验收技术规范》，该循环方式不需借助外力，电气控制部分少且简单，系统稳定可靠，一般适合集热器阵7 0m2以下热水系统。

3、定温直流工作方式设计方案。
      定温直流工作方式的原理是将集热器阵列最后出口处做为定温点（可任意设定热水温度），当集热器接受光照升温达到设定温度后，进入集热器阵列入口的冷水源打开（利用水泵或电磁阀、或高位水箱等），冷水进入集热器将集热器阵列内的热水推出进入蓄热水箱，以备使用。当出口水温降低时，水源开关自动关闭，这样周而复始，直至光照结束。或者，当蓄热水箱内热水注满后，系统才停止工作。
如果集热器可耐压使用，还可设计使用热力阀（有不同温度的型号）开关，实现定温直流方式。将热力阀安装在出口处，集热器一般直接与水源接通（有一定水压）。当集热器内水温达到热力阀自定温度时，自动打开，利用冷水源的压力，将集热器阵列内的热水送到蓄热水箱，以备使用。集热器内水温降低后，热力阀自动关闭。
定温直流工作方式的优点是出热水早，水温恒定。适合用热水早的用户，特别适合使用单阀（如脚踏阀）控制淋浴的澡堂使用。缺是
蓄水箱中的热水隔天降温后，无发通过集热器系统实现再加热。
4、强迫循环方式设计方案。
    强迫循环工作方式主要应用在大型太阳能系统，即水量大，水箱大并且现场不能高置水箱的太阳能系统。由于水箱低于集热器，系统不能自动循环，故采用强制循环，一般使用热水循环泵强制集热器与水箱之间进行水循环。
由于太阳光照的不连续性，何时启动循环泵，系统才能达到最佳状态，热效率最高，这有各种设计方案。有依据光照能量，使用光敏开关启动强制循环泵的。有利用自动钟表，定时启动强制循环泵的。有利用集热器与蓄热水箱之间水温差，启动强制循环泵的。一般大多采用温差强制循环方式设计大型太阳能热水系统。它的工作原理是，集热器和水箱底部各设一个温度传感器，当集热器温度点高于水箱温度点一定温度时（2度、4度、6度或8度都可以），循环水泵自动启动进行强制循环，当两温度点温度接近时，水泵停止。这样周而复始不断将水箱内的水温升高，直至水箱水温达到洗浴温度。强迫循环工作方式的优点是可根据现场条件，机动处理集热器排放组合、水箱位置、水路走向，尤其是大水量工程，更便于设计和施工现场处理。
5．混合方式设计方案
混合方式是在设计中为了处理用户提出的使用要求，提高太阳能热水系统功能所采用的技术手段。比如用户需要24小时即全天候使用热水。要解决光照结束后的能源补充问题，就要增加辅助热源，又要保证电加热时的绝对安全，所以太阳能系统有时需要设计两个水箱，一个太阳能系统循环水箱，电加热装在水箱内，一个蓄热常用供热水箱。当电加热工作时，系统自动与蓄热水箱隔绝。有时也单独设计一个电热水箱，光照能量不够时，单独为蓄热恒温水箱提供热水。
常用的混合方式有如下几种：

（1）、 自然循环+定温直流
太阳能热水系统采用自然循环方式，当循环水箱水温达到设定温度时，自动开启冷水源补充循环水箱，将上部热水推至蓄热水箱内以备使用。如果光照不好，可开启电加热，同样采用定温直流向蓄热水
箱送热水。
在我们设计的工程中，该混合方式一般使用横排真空管联箱。
(2)、定温直流+强制循环
太阳能热水系统采用强迫循环方式，一般是在大水量工程中采用，设计上先采用定温直流方式，当光照开始后，不断地向蓄热水箱输送热水，当蓄热水箱水满后，系统自动进入强制循环工作方式，再
进一步提高蓄热水箱内水温。
在我们设计的工程中，该混合方式一般使用竖排真空管联箱。
四、控制器功能及系统设计：
1、水箱温度显示：
      可以随时观察水箱中的水温，这是用户使用中需要经常了解的太阳能系统工作的重要数据。
2、集热器温度显示：
      可以随时观察集热器中的水温，这是系统调试时需要了解太阳能系统工作的重要因素之一。
3、水位状态的显示：
      采用水位显示，用水状态一目了然。这也是用户使用中需要经常了解的重要数据。
4、定时加热时间：
      如系统带附助电加热功能，需设定每天的加热时间，控制器在设定时间根据水温判断是否需要自动启动加热功能。
5、设定加热温度：
      设定的范围适用于不同用户的需求，洗浴温度一般在30℃－75℃范围为宜，其它用途根据需求设定，最高可以设定99℃。
6、设定加热方式：
      采用定时加热或恒温加热。定时加热是在设定的时间，每日一次加热到设定温度；恒温加热是在水温低于设定温度一定值时随时上水并加热，达到设定温度时则停止加热。
7、设定上水时间：
 设定每天的上水时间，控制器在设定时间使水位自动启动上水至最高水位止，采用电磁阀还是水泵可根据需要确定。
8、低水位自动补水：
      当水位下降到最低水位时，控制器应该无条件自动补满水，保证水箱中有充足的用水。
9、水箱温度控制：
      水箱中的出水温度根据用途来设定，洗浴温度、大棚采暖温度、物料烘干温度等各种不同需求，设定的温度各不相同。
10、系统防冻问题：
      除了注意保温材料的厚度问题，可以采用管路排空法；也可以采用全系统循环法或同时采用电伴热带保护法，当系统温度达到低温范围时，可以采用上述的各种方法进行系统防冻保护。
11、远程监控：
      有一些用户需要在控制室以外的位置需要了解太阳能系统是否正常工作，当控制器工作出现故障会及时发现。
12、使用热水的恒温循环：
      具有使用热水的循环功能，可以使热水循环管路始终保持与储热水箱温度接近或相同，用户在任意水龙头打开时即出热水，使用户的热水使用具有方便性。
13、增加采暖功能：
      根据设定温度满足南方地区主要取暖以及北方地区部分取暖要求，还可以为生产活动（蔬菜、花卉大棚）中的部分起到增温工作和烘干室的部分工作，节省常规能源。
14、电气控制柜：
      控制柜内电路的总控制器及各分路控制器，注意使用功率匹配的熔断器、断路器、漏电保护器、继电器及交流接触器等，当发生供电设备短路或漏电现象，总控制器和各路分控制器及时切断电路，查明故障原因后方可恢复。温度控制器与电气控制之间应正确安装，必须接好保护地。
15、安装形式：
      根据环境条件和使用的需要，通过上述计算确定安装角度，采用强制循环方式可以从0度到90度任意安装运行。
16、储能保温水箱：
      适宜采用SMC玻璃钢组装式保温水箱或不锈钢组合式水箱。这二种水箱的主要特点：干净卫生、永不生锈、符合卫生标准、重量轻、结构合理、现场组装场地要求较低。水箱设计寿命均在30年以上。水箱外部采用高性能材料保温及防护处理。
17、防风处理：
      太阳能系统的角钢支架采用螺栓紧固或焊接方式连接在一起，集热器的支架采用角钢和屋面女儿墙连接或与其它可以固定的位置连接，应符合《钢结构设计规范》，可达到防风效果。
18、防雷措施：
      太阳能集热系统主体为金属结构，将钢结构与楼房原避雷系统连接，就可以有效地防止雷击。
19、支架防锈：
      系统支架采用防锈漆及优质面漆双层保护方法，防止锈迹的生成，注意日常维护保养。
20、水处理装置：
      根据水质情况为用户装备各种类型的水处理装置（如：硅丽晶、电子除垢器等），减少或防止太阳能系统运行过程中产生结垢现象。
五、工程预算
太阳能热水工程预算表
名 称
预 算 单 价
备 注
集热部分
包括：集热联箱、真空管、支架、联箱连接管等
Φ47*1200全玻璃真空管组成系统：1200元/平方米
Φ47*1500全玻璃真空管组成系统：1400元/平方米
Φ58*1700全玻璃真空管组成系统：1800元/平方米

如用全玻璃真空超导热管，增加的费用为：30-40元/每支管
水 箱
包括：聚氨脂保温材料、底座
水箱容量小于5吨：造价为3000元/吨；
水箱容量在5-10吨：造价为2500元/吨；
水箱容量大于10吨：造价为2300元/吨

水箱不同容量造价不同，容量越大，单位造价越低
管 路
包括：管材、水暖配件、电磁阀、循环泵、阀门等

造价为：120-150元/米
本预算只包括太阳能循环系统，不包括提供热水系统和室内用热水系统等
控制部分
包括:水位探头、水位显示、温度探头、温度显示、控制柜、线缆电气配件等
系统采光面积小于100m2,控制系统造价：3000元；系统采光面积100m2至200m2,控制系统造价：5000元；系统采光面积200m2至500m2,控制系统造价：8000元；系统采光面积500m2至1000m2,控制系统造价：12000元
太阳能系统大小不同，电器容量不同，造价不同
施工部分
包括：安装费、运输费、吊装费等

造价为：120-150元/平方米
此项造价现场条件不同有所不同
设计部分
主要包括：太阳能热水系统设计、控制系统设计
占总造价的6-8%
工程规模大可适当少量收取
不可预测费用
主要包括工程施工中无发估计费用
占总造价的1-2%
工程规模越大，不可预测费用越高
税 收

占总造价的7-9%
承担单位不同，有所不同

六、常见的几种设计方案图

图一 家用太阳能热水器的串并联方案

图二 自然循环设计方案

图三 定温直流工作方式设计方案

图四 强迫循环方式设计方案

图五 自然循环+定温直流设计方案

图六 定温直流+强制循环设计方案

七、几种方案的电气控制
1、家用太阳能热水器的串并联系统
当家用太阳能热水器达到设定温度时，温度探头发出信号，通过控制仪打开放水电磁阀（或水泵），将热水注入储水箱，注满后通过液位控制停止注入；低于设定温度关闭电磁阀（或水泵），停止注入。
当储水箱中的温度达到供热水温度，通过控制仪打开供热水增压泵，提供用热水；低于供热水温度和到达设定的低部液位，停止供热水。
2、自然循环系统
当储水箱中的温度达到供热水温度，通过控制仪打开供热水增压泵，提供用热水；低于供热水温度和到达设定的低部液位，停止供热水。
当储水箱中的水位到达设定的低部液位时，通过控制仪打开补水电磁阀（或水泵），对储水箱补水；当储水箱中的水位到达设定的高部液位时，停止补水。
3、定温直流工作方式系统
当集热联箱的温度达到设定温度，打开上水泵，将集热联箱中的水注入储水箱，低于设定温度停止注入；储水箱达到设定高水位停止注入。
当储水箱中的温度达到供热水温度，通过控制仪打开供热水增压泵，提供用热水；低于供热水温度和到达设定的低部液位，停止供热水。
4、强迫循环方式系统
当集热联箱与储热水箱中的温差高于设定值若干度，打开储水箱与集热联箱连接的循环泵，使被加热的水在集热联箱与储热水箱之间反复循环加热水；等于设定温差，停止循环。
当储水箱中的温度达到供热水温度，通过控制仪打开供热水增压泵，提供用热水；低于供热水温度和到达设定的低部液位，停止供热水，并打开储水箱上水泵（或电磁阀），向储水箱补充冷水，储水箱达到设定高水位停止补充。
5、自然循环+定温直流方式系统
通过浮球控制系统使循环水箱保持水满状况，当循环水箱中的水达到设定温度，温控探头给出信号，控温仪控制增压泵（或电磁阀）起动，将循环水箱中的热水注入储水箱供用户使用；低于设定温度和达到储水箱设定水位则关闭，停止注水。
当储水箱中的温度达到供热水温度，通过控制仪打开供热水增压泵，提供用热水；低于供热水温度和到达设定的低部液位，停止供热水。
6、定温直流+强制循环方式系统
当集热联箱的温度达到设定温度，打开上水泵，将集热联箱中的水注入储水箱，低于设定温度停止注入；储水箱达到设定高水位和水温降低到储水箱设定温度停止定温直流方式，起动强制循环方式，将储水箱的水通过循环泵打入集热联箱进行二次加热，至直储水箱的温度达到设定温度为止。
当储水箱中的温度达到设定温度，通过控制仪打开供热水增压泵，提供用热水；低于供热水温度和到达设定的低部液位，停止供热水。

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