屋面太陽能熱水系統(tǒng)

1、屋面太陽能熱水系統(tǒng)編寫時(shí)間:2008年05月屋面太陽能熱水系統(tǒng)一、太陽能建筑1太陽能建筑被建筑界認(rèn)為將成為現(xiàn)代建筑的發(fā)展趨勢(shì)。太陽能建筑是指用太陽能代替部分常規(guī)能源為建筑物提供采暖、熱水、空 調(diào)、照明、通風(fēng)、動(dòng)力等一系列功能，以滿足或部分滿足人們生活和生產(chǎn)需要 的建筑。2太陽能建筑的發(fā)展階段：第一階段：被動(dòng)式太陽房。它是一種完全通過建筑朝向和周圍環(huán)境的合理布置、內(nèi)部 空間和外部形體的巧妙處理以及材料、結(jié)構(gòu)的恰當(dāng)選擇、集取、蓄存、分配太 陽熱能的建筑。第二階段：主動(dòng)式太陽房。它是一種以太陽能集熱器、管道、風(fēng)機(jī)、泵、散熱器及貯 熱裝置等組成的太陽能采暖系統(tǒng)或與吸收式制冷機(jī)組成的太陽能采暖和空調(diào)建

2、筑。第三階段：零能耗房屋。利用太陽能電池等光電轉(zhuǎn)換設(shè)備提供建筑所需的全部能源， 完全用太陽能滿足建筑采暖、空調(diào)、照明用電等一系列功能要求的建筑。3現(xiàn)階段我國發(fā)展太陽能建筑的必要性。i / ii目前在常規(guī)能源少，建筑能耗大的情況下，要求環(huán)境保護(hù)以及實(shí)現(xiàn)全面小 康要求等因素共同作用下，我國大力發(fā)展太陽能建筑迫在眉睫。降低建筑能耗的需要：我國建筑總能耗約占社會(huì)終端能耗的 27.6%,其中，北方城鎮(zhèn)建筑采暖和農(nóng) 村生活用煤約為1.6億噸標(biāo)準(zhǔn)煤/年，占我國2004年煤產(chǎn)量的11.4%,建筑用電 和其他類型的建筑用能折合電力總計(jì)約為 5500億千瓦時(shí)/年，占全國社會(huì)終端 電耗的27%-29%按照目前的建筑

3、能耗狀況，至U 20年我國建筑能耗將比2004 年增加2.5億噸標(biāo)準(zhǔn)煤/年和新增耗電5800億-6300億千瓦時(shí)/年，總計(jì)折合電力 約1.3萬億千瓦時(shí)，新增量相當(dāng)于目前建筑總能耗的1.3倍。根據(jù)發(fā)達(dá)國家經(jīng)驗(yàn)，隨著城市的發(fā)展，建筑將超越工業(yè)、交通等其他行業(yè)而最終居于社會(huì)能源 消耗的首位，達(dá)到33%左右。我國城市化進(jìn)程如果按照發(fā)達(dá)國家發(fā)展模式，使 人均建筑能耗接近發(fā)達(dá)國家的人均水平，需要消耗全球目前消耗的能源總量的 來滿足中國建筑的用能要求。因此，探索一條不同于世界上其他發(fā)達(dá)國家的節(jié) 能途徑，充分利用我國擁有豐富的太陽能資源，大力發(fā)展太陽能建筑成為當(dāng)前 降低建筑能耗的需要。環(huán)境保護(hù)的需要：有關(guān)資料

4、顯示，世界各國建筑能耗中排放的二氧化碳約占全球排放總量 的，我國目前約90%的二氧化硫和氮氧化物排放來自化石能源的生產(chǎn)和消費(fèi)。 目前，我國仍有4億左右農(nóng)村居民依靠直接燃燒秸稈、薪柴等提供生活用能， 生物質(zhì)燃燒產(chǎn)生大量的二氧化碳及有害物質(zhì)。大氣污染造成的酸雨、呼吸道疾 病已嚴(yán)重威脅人體健康和經(jīng)濟(jì)發(fā)展。我國具有豐富的太陽能資源，年日照時(shí)數(shù) 在2000小時(shí)以上地區(qū)約占國土面積的以上，對(duì)太陽能應(yīng)用的預(yù)測(cè)結(jié)果為，在正 常和生態(tài)驅(qū)動(dòng)發(fā)展兩種模式下，2050年我國太陽能利用在總能源供給中分別達(dá) 到4.7好口 10%。對(duì)我國未來二氧化碳減排的潛力估計(jì)是，至U 2010年以后，太陽 能利用對(duì)減排開始有明顯作用，

5、20年以后開始有較顯著的作用。二、太陽能的基本知識(shí)太陽能是最重要的基本能源，生物質(zhì)能、風(fēng)能、潮汐能、水能等都來自太 陽能，太陽內(nèi)部進(jìn)行著由氫聚變成氨的原子核反應(yīng)，不停地釋放出巨大的能2 / 11 量，不斷地向宇宙空間輻射能量，這就是太陽能。太陽能內(nèi)部的這種核聚變反 應(yīng)可以維持很長時(shí)間，據(jù)估計(jì)約有幾十億至幾百億年，相對(duì)于人類的有限生存 時(shí)間而言，太陽能可以說是取之不盡，用之不竭的。1太陽輻射太陽輻射熱是地表大氣熱過程的主要能源，也是對(duì)建筑物影響較大的一個(gè) 參數(shù)。當(dāng)太陽的射線到達(dá)大氣層時(shí)，其中一部分能量被大氣中的臭氧、水蒸 氣、二氧化碳和塵埃等吸收，另一部分被云層中的塵埃、冰晶、微小水珠及各 種氣

6、體分子等反射或折射而形成漫反射，這一部分輻射能中的一部分返回到宇 宙中去，另一部分到達(dá)地面。我們把改變了原來方向而到達(dá)地面的這部分太陽 輻射稱為散射輻射，其余未被吸收和散射的太陽輻射能仍按原來的方向，透過 大氣層直達(dá)地面，故稱此部分為“直接輻射。直接輻射和散射輻射之和為總輻 射。2xx常數(shù)在太陽與地球的平均距離處垂直于入射光線的大氣界面單位面積上的熱輻 射流稱為太陽常數(shù)，通常用I表示。從理論上計(jì)算得該常數(shù)I = 1395.6W/m2,稱 為天文太陽常數(shù)，用實(shí)測(cè)分析決定的太陽常數(shù) I = 1256W/m2稱為氣象太陽常 數(shù)。3輻射換熱由于任何物體都具有發(fā)射輻射和對(duì)外來輻射吸收反射的能力，所以在空

7、間 任意兩個(gè)相互分離的物體，彼此間就會(huì)產(chǎn)生輻射換熱。如果兩個(gè)物體的溫度不 同，則較熱的物體向外輻射而失去的熱量比吸收外來輻射而得到的熱量多，較 冷的物體則相反。這樣在兩個(gè)物體之間就形成了輻射換熱。應(yīng)注意的是：即使兩個(gè)物體溫度相同，他們之間也在進(jìn)行著輻射換熱，只是處于動(dòng)平衡 狀態(tài)。兩表面間的輻射換熱量主要取決于表面的溫度、表面發(fā)射和吸收輻射的 能力，以及它們之間的相互位置。4赤緯3 / 11即太陽光線與地球赤道面的夾角，它是隨著地球在公轉(zhuǎn)軌道上的位置即日 期的不同而變化。赤緯從赤道面算起，向北為正，向南為負(fù)。5時(shí)角表示在一天里不同時(shí)間的太陽位置，以其所在時(shí)區(qū)的角度表示，既 1小時(shí) 相當(dāng)于時(shí)角15

8、C。6xx高度角太陽光線與地平面夾角稱為高度角。任何地區(qū)日出、日入時(shí)高度角為零， 正午12點(diǎn)高度角最大。7xx的方位角太陽光線在地平面上的投影線與地平面正南方向所夾的角稱為太陽的方位 角。方位角以正南為0,順時(shí)為正值，逆時(shí)為負(fù)值。三、我國的太陽能資源情況1分布特點(diǎn)中國太陽能資源分布的主要特點(diǎn)是，太陽能的高值中心和低值中心都處于 北緯22C-35c這一帶，青藏高原是高值中心，四川盆地是低值中心；太陽年輻 射總量西部高于東部地區(qū)，而且除西藏和新疆兩個(gè)自治區(qū)外，基本是南部低于 北部；由于南方多數(shù)地區(qū)云多雨多，在北緯 30-40C地區(qū)，太陽能的分布情況與 一般的太陽能隨緯度而變化的規(guī)律相反，太陽能不是

9、隨著緯度的增加而減少， 而是隨著緯度的增高而增加。2資源分區(qū)根據(jù)太陽年輻射量的大小，可將中國劃分為 4個(gè)太陽能資源帶。資源豐富帶：全年日照時(shí)數(shù)為2800-3300小時(shí)。在每平方米面積上一年內(nèi)接受的太陽輻 射總量大于6700MJ,比230千克標(biāo)準(zhǔn)煤燃燒所發(fā)出的熱量還要多。主要包括寧 夏北部、甘肅北部、新疆東南部、青海西部和西藏西部等地，是中國太陽能資 源最豐富地區(qū)，與印度、巴基斯坦北部的太陽能資源相當(dāng)。尤以西藏西部的太4 / 11 陽能資源最為豐富，全年日照時(shí)數(shù)達(dá) 2900-3400小時(shí)，年輻射總量高達(dá)7000- 8000MJ/M2,僅次于撒哈拉大沙漠，位居第二。資源較豐富帶：全年日照時(shí)數(shù)為30

10、00-3200小時(shí)。在每平方米面積上一年內(nèi)接受的太陽輻 射總量為5400-6700MJ相當(dāng)于200-300千克標(biāo)準(zhǔn)煤燃燒所發(fā)出的熱量。主要包 括河北北部、陜西北部、內(nèi)蒙古南部、寧夏南部、甘肅中部、青海東部、西藏 東南部和新疆南部等地。資源一般帶：全年日照時(shí)數(shù)為2200-3000小時(shí)。在每平方米面積上一年內(nèi)接受的太陽輻 射總量為4200-5400MJ,相當(dāng)于170-200千克標(biāo)準(zhǔn)煤燃燒發(fā)出的熱量，主要包括 山東東南部、河南東南部、河北東南部、山西南部、新疆北部、吉林、遼寧、 云南、陜西北部、甘肅東南部、廣東南部、福建南部、江蘇北部、安徽北部、 天津、北京和臺(tái)灣西南部等地。資源缺乏帶：全年日照時(shí)數(shù)

11、為1400-2200小時(shí)。在每平方米面積上一年內(nèi)接受的太陽輻 射總量小于4200MJ,比170千克標(biāo)準(zhǔn)煤燃燒所發(fā)出的熱量還要低。主要包括湖 南、湖北、廣西、江西、浙江、廣東北部、陜西南部、江蘇南部、安徽南部以 及黑龍江、臺(tái)灣東北部等地。此類地區(qū)，雖然太陽能資源條件較差，但如能因 地制宜，采用適當(dāng)?shù)姆椒ê脱b置，仍具有一定的實(shí)用意義。四.太陽能建筑熱水系統(tǒng)1太陽能熱水系統(tǒng)的組成及工作原理太陽能熱水系統(tǒng)是由太陽能集熱元件（平板集熱器、玻璃真空管、熱管真空 管及其他形式的集熱元件），蓄熱容器（各種水箱），控制系統(tǒng)（溫感器、光感器、 水位控制、電熱元件、電氣元件組合及顯示器或供熱性能程序電腦），以及完善

12、的管道保溫、防腐部分等有機(jī)地組合在一起的。在陽光的照耀下，使太陽的光 能充分轉(zhuǎn)化為熱能，輔以電力和燃?xì)饽茉矗统蔀榉浅７€(wěn)定的能源設(shè)備，提供 熱水供人們使用。5 / 11(1)集熱器：太陽能集熱器是把太陽輻射能轉(zhuǎn)換為熱能的主要部件。經(jīng)過多年的開發(fā)研 究，已經(jīng)進(jìn)入較為成熟的階段，主要有四大類，悶曬式集熱器、平板式集熱 器、真空管式集熱器、真空超導(dǎo)熱管式集熱器。悶曬式集熱器比較原始，太陽能利用率低，保溫不好處理，現(xiàn)在已不太使 用。平板式集熱器基本工作原理：在一塊金屬片上涂以黑色，置于陽光下，以吸收太陽輻射而使其溫度升 高。金屬片內(nèi)有流道使流體通過并帶走熱量。在板的背后襯墊保溫材料，在其 陽面上加上玻

13、璃罩蓋，以減少板對(duì)環(huán)境的散熱，全年太陽能量利用率可達(dá) 50%。優(yōu)點(diǎn)是制造成本低，冬季使用效果不好，在夏季多云和陰天時(shí)太陽能吸收 率低，熱損失較大，難以達(dá)到80c以上工作溫度?，F(xiàn)階段在我國使用較少，但 由于其造價(jià)、熱效率、人工費(fèi)等方面的特點(diǎn)與歐洲國家的國情和氣候特點(diǎn)相 符，所以在歐洲各國有較大的市場(chǎng)占有率。真空管式集熱器是20世紀(jì)70年代研制成功的，具吸收體被封閉在高真空 的玻璃管內(nèi)，在內(nèi)層玻璃外表面，利用真空鍍膜機(jī)沉積選擇性吸收膜，再把內(nèi) 管與外管之間抽真空，這樣就大大減少了對(duì)流、輻射與傳導(dǎo)造成的熱損失，使 總熱損失降到最低，最高工作溫度可以達(dá)到 120C。將若干支真空集熱管組裝在 一起，即構(gòu)

14、成真空管集熱器，為了增大太陽光的采集量，有的真空管的背部還 加裝了反光板。真空管集熱器按照不同的類型又可以分為：熱管-真空管集熱器、同心套管-真空管集熱器、U型管-真空管集熱器。(2)循環(huán)系統(tǒng)：循環(huán)系統(tǒng)的作用是連通集熱器和儲(chǔ)熱水箱，使水可不斷通過集熱器進(jìn)行加 熱形成一個(gè)完整的加熱系統(tǒng)。循環(huán)管路設(shè)計(jì)施工是否正確，往往影響整個(gè)熱水 器系統(tǒng)的正常運(yùn)行。一些熱水系統(tǒng)水溫偏低，就是由于管道走向和連接方式不 正確。(3)控制系統(tǒng):6 / 11控制系統(tǒng)用來使整個(gè)熱水器系統(tǒng)正常工作并通過儀表加以顯示，包括無日 照時(shí)的輔助熱源裝置(如電加熱器等)，水位顯示裝置、溫度顯示裝置、循環(huán)水泵 以及自動(dòng)和手動(dòng)控制裝置。(

15、4)輔助能源系統(tǒng)：輔助能源系統(tǒng)保證了整個(gè)系統(tǒng)在陰雨天或冬季光照度不足時(shí)仍能正常使 用。按照輔助能源的來源不同，又可分為太陽能電輔助熱源聯(lián)合供熱系統(tǒng)和全 自動(dòng)燃油、燃?xì)饴?lián)合供熱水系統(tǒng)。(5)儲(chǔ)熱系統(tǒng)：水箱及保溫設(shè)施。2太陽能熱水系統(tǒng)的分類(1)按照太陽能熱水系統(tǒng)提供熱水的范圍可分為單獨(dú)系統(tǒng)和綜合系統(tǒng)。單獨(dú) 系統(tǒng)目前市場(chǎng)應(yīng)用最多，但不易做到與建筑的最好結(jié)合。綜合系統(tǒng)是多住戶共 用一套太陽能熱水系統(tǒng)。在建筑設(shè)計(jì)時(shí)可充分考慮與建筑的結(jié)合。(2)按照太陽能熱水系統(tǒng)的運(yùn)行方式可分為自然循環(huán)系統(tǒng)、強(qiáng)制循環(huán)系統(tǒng)和 直流系統(tǒng)。在我國家用太陽能熱水器和小型太陽能熱水系統(tǒng)多用自然循環(huán)式。自然循環(huán)系統(tǒng)的蓄水箱必須置于

16、集熱器的上方，水在集熱器中被太陽輻射 加熱后，溫度升高，與水箱內(nèi)的水產(chǎn)生溫差，引起水的密度的不同而形成循 環(huán)。強(qiáng)制循環(huán)系統(tǒng)的水是靠泵來循環(huán)的，系統(tǒng)中裝有控制裝置，當(dāng)集熱器頂部 的水溫與蓄水箱底部水溫的差值達(dá)到某一限定值的時(shí)候，控制裝置就會(huì)自動(dòng)啟 動(dòng)水泵，反之自動(dòng)關(guān)泵停止循環(huán)。因此，強(qiáng)制循環(huán)系統(tǒng)中蓄水箱的位置不一定 要高于集熱器，這樣布置較靈活，能改善建筑的立面效果。7 / 11直流式系統(tǒng)是在自然循環(huán)和強(qiáng)制循環(huán)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，水通過集熱器 被加熱到預(yù)定的溫度上限，集熱器出口的電接點(diǎn)溫度計(jì)立即給控制器信號(hào)，在 打開電磁閥后，自來水將達(dá)到預(yù)定溫度的熱水頂出熱水器，流人蓄水箱。當(dāng)溫 度下降到設(shè)定的

17、溫度時(shí)，電磁閥關(guān)閉。(3)按照太陽能熱水系統(tǒng)中生活熱水與集熱器內(nèi)傳熱工質(zhì)的關(guān)系可分為直接 系統(tǒng)(整體式)和間接系統(tǒng)(分體式)。直接系統(tǒng)是指太陽能集熱器直接加熱水供用戶使用的太陽能熱水系統(tǒng)，因 集熱器和蓄水箱合為一體，也稱整體式。目前整體式的太陽能熱水器使用比較 普遍，價(jià)格也低廉，但在太陽能建筑一體化方面尚有不少問題。間接系統(tǒng)是指在太陽能集熱器中加熱某種傳熱工質(zhì)，再使該傳熱工質(zhì)通過 換熱器加熱水供使用的太陽能熱水系統(tǒng)。因集熱器與熱水箱分開設(shè)置，又稱分 體式。分體式太陽能熱水系統(tǒng)可分為陽臺(tái)嵌入式、南坡面嵌人式、平頂嵌入式。 該系統(tǒng)中集熱器作為建筑的一個(gè)構(gòu)件，成為屋頂或墻面的一個(gè)組成部分，水箱 放置

18、在室內(nèi)，系統(tǒng)的管道預(yù)先埋設(shè)，在太陽能建筑的一體化方面的好處突出， 但結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，造價(jià)較高。(4)按照太陽能熱水系統(tǒng)中輔助能源的安裝位置可分為內(nèi)置加熱系統(tǒng)和外置 加熱系統(tǒng)。實(shí)際上有的太陽能熱水系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)合系統(tǒng)，即上述幾種方式組合在一起 的。五.太陽能熱水器的安裝1位置的選擇到達(dá)地面的太陽能包括直接輻射和散射輻射，其中直接輻射占大部分。我 國大部分地區(qū)位于北半球的中緯度地帶，所以屋頂上固定式或半固定式太陽能 熱水器的最佳朝向是正南，其偏差允許在 15以內(nèi)，否則將影響集熱器表面的 太陽輻射度。為保證有足夠的太陽光照射到集熱器上，集熱器的東、南、西方 向不應(yīng)有遮擋的建筑物或樹木，為了減少散熱量，整個(gè)

19、系統(tǒng)宜盡量安置在避風(fēng)8 / 11 口，比如較低處，最好設(shè)計(jì)閣樓層將儲(chǔ)水箱放在建筑物內(nèi)部，減少熱損失。為 了保證系統(tǒng)效率，連接管路應(yīng)盡可能短，對(duì)自然循環(huán)系統(tǒng)尤為重要。2太陽能集熱器采光面積S的確定方法集熱器的采光面積應(yīng)根據(jù)熱水負(fù)荷大小(水量和水溫)，集熱器的種類、熱水 系統(tǒng)的熱性能指標(biāo)、使用期限的太陽輻射、氣象參數(shù)來確定。整體式太陽能熱水器集熱器面積可根據(jù)用戶的每日用水量和用水溫度確定，按下式計(jì)算：Ac=Qw*Cw(tend-ti)*f/Jt - qdAc-直接系統(tǒng)集熱器總面積m2Qw-日均用水量kgCw-水的定壓比熱容 KJ/(Kg C)tend -儲(chǔ)水箱內(nèi)水的設(shè)計(jì)溫度Cti-水的初始溫度Cf-太陽能保證率,根據(jù)系統(tǒng)使用期內(nèi)的太陽輻射，經(jīng)濟(jì)性及用戶要求等因素考慮宜30%-80%Jt-當(dāng)?shù)丶療崞鞑晒饷嫔系哪昶骄仗栞椛淞縆J/m2.“d-集熱器的年平均集熱效率，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取 0.25-0.5。小-儲(chǔ)水箱和管路的熱損失率，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取 0.20-0.30。分體式太陽能熱水器集熱面積的計(jì)算按下式確定：AIN=AcX (1+FRULX Ac/Uhk x Ahk)AIN-間接系統(tǒng)集熱面積m2。9 / 11FRUL-集熱器總熱損系數(shù) W/(nTC),對(duì)于平板型集熱器FRUL宜取4- 6W/(