成都理工大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文杭州某別墅太陽能供熱系統(tǒng)的設(shè)計作者姓名：王志強(qiáng)專業(yè)名稱：熱能與動力工程指導(dǎo)教師：冉均均講師

成都理工大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院學(xué)位論文誠信承諾書本人慎重承諾和聲明：1.本人已認(rèn)真學(xué)習(xí)《學(xué)位論文作假行為處理辦法》（中華人民共和國教育部第34號令）、《成都理工大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院學(xué)位論文作假行為處理實施細(xì)則（試行）》（成理工教發(fā)〔2013〕30號）文件并已知曉教育部、學(xué)院對論文作假行為處理的有關(guān)規(guī)定，知曉論文作假可能導(dǎo)致作假者被取消學(xué)位申請資格、注銷學(xué)位證書、開除學(xué)籍甚至被追究法律責(zé)任等后果。2.本人已認(rèn)真學(xué)習(xí)《成都理工大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計指導(dǎo)手冊》，已知曉學(xué)院對論文撰寫的內(nèi)容和格式要求。3.本人所提交的學(xué)位論文（題目：杭州某別墅太陽能供熱系統(tǒng)的設(shè)計），是在指導(dǎo)教師指導(dǎo)下獨(dú)立完成，本人對該論文的真實性、原創(chuàng)性負(fù)責(zé)。若論文按有關(guān)程序調(diào)查后被認(rèn)定存在作假行為，本人自行承擔(dān)相應(yīng)的后果。承諾人（學(xué)生簽名）：20年月日杭州某別墅太陽能供熱系統(tǒng)的設(shè)計-PAGEIV-摘要太陽能是可再生的清潔能源，并且太陽能供熱在建筑中很受人們的歡迎。由于太陽能供熱不穩(wěn)定、時常間斷，使太陽能在建筑中應(yīng)用存在一定的問題。太陽能和輔助熱源的結(jié)合也許是一個很好的解決辦法，當(dāng)太陽能供熱不足時，我們可以將不足部分用用輔助熱源作為補(bǔ)償；當(dāng)太陽能過剩時，我們可以用太陽能集熱器將它收集起來，在我們用的時候才使用。在太陽能供熱設(shè)計中，我們應(yīng)計算各個房間的熱負(fù)荷、散熱器的的選型、散熱器片的組數(shù)和布置以及太陽能集熱器的選擇等等。關(guān)鍵詞：太陽能太陽能集熱器散熱器

AbstractBecausesolarpowerisarenewable,cleanenergy,soiswelcomedbythepeopleofsolarheatinginbuildings.Butdiscontinuousattimesunstableduetosolarheating,andsolardesigninarchitecturethereisaproblem.Combiningsolarandelectricalenergymaybeagoodsolution,solarheatingislow,wewillnotbeenoughelectricitytoserveascompensationforsolarenergysurplus,wecanusesolarcollectorstogatheritup,atatimewhenweusedtouse.Inthedesignofsolarheating,weshouldcalculatetheheatloadintheroomradiator,radiatorselection,choiceofnumberandarrangementofgroups,aswellassolarcollectors,andsoon.Keywords：solarenergy,solarcollector,radiator

目錄摘要 IAbstract II目錄 III前言 11緒論 21.1論文背景及目的 21.2目前研究現(xiàn)狀 21.3小結(jié) 32設(shè)計概況及依據(jù) 42.1項目概況 42.2設(shè)計參數(shù) 42.2.1室外氣象參數(shù) 42.2.2室內(nèi)設(shè)計的溫度參數(shù) 42.3圍護(hù)結(jié)構(gòu)的主要依據(jù) 43負(fù)荷計算 73.1圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù) 73.2基本耗熱量的計算公式 83.3該別墅的基本耗熱量計算 104散熱器的選型 134.1散熱器的選擇原則 134.2散熱器的選型 134.3散熱器的布置 144.4散熱器的計算 145系統(tǒng)方案的選取 175.1太陽能供熱系統(tǒng)的基本要求 175.2太陽能供熱系統(tǒng)特點(diǎn) 175.3系統(tǒng)設(shè)計方案確定 186系統(tǒng)主要設(shè)備選型 206.1太陽能集熱器選型 206.2集熱系統(tǒng)布置 216.3太陽能蓄熱的水箱容積確定 226.4輔助熱源的選擇與選型 237系統(tǒng)水力計算 247.1水力計算步驟 247.2循環(huán)水泵的選型 268供熱管道的保溫 288.1管道保溫的確定 288.2保溫材料的選擇 288.3管道保溫施工 29總結(jié) 30致謝 31參考文獻(xiàn) 32附錄A別墅水平跨越式熱水供暖系統(tǒng)管路水力計算表 34附錄B別墅水平跨越式熱水供暖系統(tǒng)管路局部阻力計算表 36

-前言太陽能是眾所周知的新能源。近年來，在生活熱水用途的太陽能集熱器的不斷增多，就可以證明了太陽加熱系統(tǒng)的可靠和成熟。每天全球各地的太陽能熱水系統(tǒng)都給我們證明了太陽能的環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)。受到太陽能熱水系統(tǒng)的成功應(yīng)用啟發(fā)，越來越多的人們正在思考如何將太陽能用于建筑供暖中。如果能用輔助熱源和太陽加熱系統(tǒng)結(jié)合，讓人們能夠感受到太陽能供暖系統(tǒng)在建筑中的好處，這是一件讓人們非常向往的事情。本文介紹了太陽能供熱系統(tǒng)的發(fā)展，在建筑中存在的一些問題，怎么去解決他們。重點(diǎn)介紹了在設(shè)計過程中，房間的熱負(fù)荷的計算、散熱器的選擇以及水平跨越式采暖的水力計算等等。

1緒論1.1論文背景及目的隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和科技進(jìn)步，世界能源消費(fèi)量的急劇增長，能源和環(huán)境成為當(dāng)今世界最突出的兩大社會問題。人類社會目前消費(fèi)的能源主要是一些石化能源，像這些能源，資源有限且不可再生，終究會用完。像煤、石油等傳統(tǒng)能源，會對環(huán)境造成嚴(yán)重的污染。這時人們開始把他們的目光注意到哪些可再生的能源上面來，一種具有取之不盡，清潔、廉價等特點(diǎn)的太陽能引起了人們的重視。但是由于太陽能受到天氣和季節(jié)的方面的影響較大，導(dǎo)致了太陽能系統(tǒng)直接被利用受到了一些限制。隨著用的人越來越多或?qū)M足人們供熱的要求越來越高，太陽能的哪些不足的地方也就越來越明顯。在不同的地區(qū)和國家，太陽能輻射的時間和強(qiáng)度是不一樣的，就連在白天和晚上太陽能運(yùn)用都受到的很大的限制。白天太陽的輻射的強(qiáng)度很大，而遇到晚上或者陰雨天氣輻射就很弱了。太陽能供熱如果沒有足夠的輻射量，那就很難在我們需要的時候?qū)崿F(xiàn)連續(xù)的供熱了。如果我們能在太陽能系統(tǒng)中加入一個輔助的加熱系統(tǒng)，那我們也許就可以解決太陽能的這個弊端了。經(jīng)過人們的不斷探索覺得太陽能熱泵是一個不錯的選擇，它工作可靠，結(jié)構(gòu)簡單而且效率也比較高。像這種工作可靠，結(jié)構(gòu)簡單，效率較高的輔助加熱設(shè)備，將會被人們廣泛的運(yùn)用，因此研究并且合理利用太能能熱水系統(tǒng)是我國能源開發(fā)與利用的重要任務(wù)[1]。1.2目前研究現(xiàn)狀近年來，我國建筑供暖能耗不斷下降，太陽能熱被利用要求越來越高，使得我國在這方面的技術(shù)不得不提高，不得不加快發(fā)展的腳步。在太陽能供熱系統(tǒng)中集熱器有多種多樣，他們集熱器的設(shè)計各有特點(diǎn)，各不相同，多數(shù)的集熱器還是由太陽能熱利用的企業(yè)自主設(shè)計、安裝的，而且大多數(shù)設(shè)計的者是沒有建筑設(shè)計單位的。在我國太陽能開發(fā)方面有相關(guān)的研究，在全球的能源危機(jī)下，開發(fā)像太陽能這種的新能源越來越受到人們的期待。如何開發(fā)并利用太陽能，這是各國科學(xué)家都必須先解決的問題?，F(xiàn)在的今天，就我們國家而言，在太陽能利用的方面已經(jīng)獲得很多的成果。例如：太陽能電池、太陽能電動車和太陽能供熱等等。但是如何保證冬季夜間或陰雨天氣太陽能能夠連續(xù)的采暖，在這方面的研究還有待解決[2]。1.3小結(jié)由于太陽能資源很多又環(huán)保，還是可以再生能源。目前太陽能熱泵系統(tǒng)存在像能源的密度有點(diǎn)低，而且具有隨機(jī)性和不連貫性等一些問題；但我相信在我們這科技時代，我們將很快的得到解決，使其理論不斷得到完善。太陽能技術(shù)成為解決我國能源和環(huán)境兩大重要問題的，也將成為我國當(dāng)前供熱行業(yè)的主流方向。隨著碳?xì)淙剂先諠u枯竭，新型能源的技術(shù)不斷的完善，促使越來越多新型能源被廣泛使用，使太陽能為家庭供熱也成為可能。

2設(shè)計概況及依據(jù)2.1項目概況該項目為杭州市一棟兩層的別墅，其中有健身房、廚房、接待室、臥室等功能用途的房間。層高為3米，建筑面積約300m2，采暖面積約為200m2。該系統(tǒng)設(shè)計的主要內(nèi)容是建筑維護(hù)結(jié)構(gòu)耗熱量的計算，采暖系統(tǒng)以及熱水系統(tǒng)方案的選擇與確定，散熱器的選擇，太陽能集熱器面積和蓄熱器容積的計算以及水力計算。2.2設(shè)計參數(shù)2.2.1室外氣象參數(shù)緯度：北緯：30°14′，東經(jīng)：120°10′；冬季大氣壓力為1038.2Pa；冬季：采暖室外計算溫度為=-1℃；最低日平均溫度為=-6℃；室外平均風(fēng)速為=2.3m/s；最冷月相對濕度：77%；日照率為70%。2.2.2室內(nèi)設(shè)計的溫度參數(shù)室內(nèi)設(shè)計的溫度參數(shù)見表2.1表2.1室內(nèi)設(shè)計的參數(shù)房間功能接待廳臥室廚房健身房室內(nèi)設(shè)計溫度（℃）202018182.3圍護(hù)結(jié)構(gòu)的主要依據(jù)為了保證室內(nèi)人員的熱舒適性要求，根據(jù)室內(nèi)空氣溫度與圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面的溫差要求來確定圍護(hù)結(jié)構(gòu)的最小傳熱阻。其不同室溫下的最小傳熱阻見表2.2所示：表2.2杭州地區(qū)不同室內(nèi)設(shè)計溫度下的最小傳熱阻圍護(hù)結(jié)構(gòu)類型冬季圍護(hù)結(jié)構(gòu)室外計算溫度的計算公式冬季圍護(hù)結(jié)構(gòu)室外計算溫度（℃）室內(nèi)計算溫度為18℃的最小熱阻（m2·℃/W）室內(nèi)計算溫度為20℃的最小熱阻（m2·℃/W）I-10.3640.403II-30.4030.441III-4.50.4310.469在計算冬季圍護(hù)結(jié)構(gòu)室外計算的溫度時，當(dāng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)類型不同時，選擇的公式也不相同。表中為采暖室外計算溫度，為累年最低日平均溫度。 （2-1）式中：――圍護(hù)結(jié)構(gòu)的最小傳熱熱阻，m2·℃/W――冬季圍護(hù)結(jié)構(gòu)室外計算溫度，℃；――采暖室內(nèi)設(shè)計溫度，℃；――室內(nèi)溫度與圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面的溫差，這里取6℃。這里將計算的結(jié)果列于表2.2。已知外墻結(jié)構(gòu)如圖2.1所示，根據(jù)公式（2-2）和（2-3）計算不同磚墻厚度時的熱隋性指標(biāo)和實際傳熱阻，將計算的結(jié)果列于表2.4。這些磚墻結(jié)構(gòu)的熱惰性指標(biāo)按下列公式計算：（2-2）式中：――各層材料的傳熱阻，m2·℃/W；――各層材料的畜熱系數(shù)，W/m2·℃；――各層材料的厚度，mm；――各層材料的導(dǎo)熱系數(shù)，W/m·℃?？偨Y(jié)構(gòu)的傳熱熱阻按下式計算：（2-3）公式中：――內(nèi)表面換熱系數(shù)，在這里取8.7W/m2·℃；――外表面換熱系數(shù)，在這里取23W/m2·℃。表2.3建筑材料的熱物特性建筑材料導(dǎo)熱系數(shù)λW/m·℃蓄熱系數(shù)SW/m2·℃水泥沙漿0.8710.79磚墻0.8110.53圖2.1外墻結(jié)構(gòu)

表2.4不同磚墻厚度的實際傳熱阻磚墻厚度mm240370490總結(jié)構(gòu)的隋性指標(biāo)及類型3.616（III型）5.306（II型）6.866（I型）總結(jié)構(gòu)的實際傳阻m2·℃/W0.5010.6610.809

3負(fù)荷計算3.1圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)表3.1圍護(hù)結(jié)構(gòu)的參數(shù)表結(jié)構(gòu)類型具體結(jié)構(gòu)及參數(shù)傳熱系數(shù)W/（m2?℃）外墻外水泥砂漿抹灰加淺色噴漿：20mm；磚墻：240mm；內(nèi)粉刷加油漆：20mm2外窗雙層木框透明玻璃窗，窗高2m，大窗長2m,小窗長1m。3.01內(nèi)墻240mm普通磚墻，兩側(cè)有20mm水泥砂漿抹面，涂白色外墻涂料1.72屋面磚紅色粘土裝飾瓦屋面，瓦材下面設(shè)100mm保溫層0.9二層頂棚水泥砂漿找平層：20mm；泡沫混泥土保溫層：100mm；現(xiàn)澆鋼筋混泥土樓板：70mm；麻刀灰抹面：20mm0.97外門雙層實木，尺寸（寬高）為1.82m。2.33內(nèi)門單層實木，尺寸（寬高）為1.82m。2.91一層頂棚水泥砂漿抹面：20mm；現(xiàn)澆鋼筋混泥土樓板：70mm；麻刀灰抹面：20mm1.83.2基本耗熱量的計算公式在計算別墅的熱負(fù)荷，我們只考慮圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱的冷風(fēng)滲透和耗熱量引起的熱負(fù)荷計算量，其它的熱負(fù)荷我們不考慮。（1）圍護(hù)結(jié)構(gòu)基本耗熱量按下式計算：W（3-1）式中：K――圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)，W/m2·℃；——圍護(hù)結(jié)構(gòu)的面積，m2；——圍護(hù)結(jié)構(gòu)的溫差修正系數(shù)；——室內(nèi)空氣計算溫度,℃；——室外供暖計算溫度,℃。——不供暖房間或空間的空氣溫度,℃。 《暖通規(guī)范》規(guī)定：不同的朝向，選用不同的修正率。如表3.2所示：表3.2朝向修正率朝向東、西南東南、西南北、東北、西北修正率-5%-15%~-30%-10%~-15%0%~-10%風(fēng)力附加是考慮室外的風(fēng)速對維護(hù)結(jié)構(gòu)影響的修正。而我國的很多的地方的冬季的室外平均風(fēng)速為2~3m/s。因此，在《暖通規(guī)范》中明確的規(guī)定：在這種情況下，一般不考慮風(fēng)力附加。高度附加的耗熱量是考慮房間的高度對維護(hù)結(jié)構(gòu)耗熱量的影響而附加的耗熱量[3]。由《暖通規(guī)范》規(guī)定可知，該別墅不考慮高度附加。所以該建筑的外部維護(hù)結(jié)構(gòu)的總耗熱量為：（3-3）式中：——外部圍護(hù)結(jié)構(gòu)的基本耗熱量；——外部圍墻結(jié)構(gòu)的附加耗熱量。（2）冷風(fēng)滲透耗熱量的計算公式為：W（3-4）式中：――經(jīng)過門和窗隙入室內(nèi)的總空氣量，m3/h；——室外計算溫度下的空氣密度，kg/m3；——冷空氣的定壓比熱，在這里取1kJ/（kg.℃）；——室內(nèi)空氣計算溫度,℃；——室外供暖計算溫度,℃。冷風(fēng)滲透耗熱量公式中V的確定：V=Llnm2/h（3-5）l——外門和窗縫隙長度，m；L——每米門和窗縫隙的基準(zhǔn)滲風(fēng)量,見表3.3，m3/（hm）；n——滲透空氣量的朝向修正系數(shù)。表3.3每米門、窗縫隙滲入的空氣量L[m3/（m·h）]門窗類型冬季室外平均風(fēng)速（m/s）23雙層木窗1.42.2在確定門、窗縫隙滲入空氣量V后，冷風(fēng)滲透耗熱量，就可以按下列公式計算=0.278W（3-6）（3）冷風(fēng)侵入耗熱量按下式計算：（3-7）式中：N――冷風(fēng)侵入的外門附加率，按表3.4采用；――外門的基本耗熱量，W。外門布置狀況附加率一道門65n%兩道門（有門斗）80n%三道門（有點(diǎn)個門斗）60n%公共建筑和生產(chǎn)廠房的主要出入口500n%表3.4外門附加率N值注：n——建筑物的樓層數(shù)3.3該別墅的基本耗熱量計算這里我們以該別墅的廚房（102）為例，進(jìn)行該房間的基本耗熱量計算，廚房（201）房間見圖紙。廚房（102）供熱設(shè)計熱負(fù)荷計算步驟：1.圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱耗熱量的計算：圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱耗熱量的計算全部列入表3.5中，其圍護(hù)結(jié)構(gòu)總傳熱耗熱量=399+700+218+158+97+135+170+2=1879W2.冷風(fēng)滲透耗熱量的計算：該別墅廚房（102），因為有相鄰的兩面外墻，所以其門、窗縫隙的計算長度全部計入門、窗的可開啟部分的縫隙長度，即l=12+10=22m。在杭州市冬季室外的平均風(fēng)速vpj=2.3m/s下，由表3.3可得，雙層木窗的每米縫隙的冷風(fēng)滲透量L=1.64m3/（h·m）。所以總的冷風(fēng)滲透量V為：V=L?l?n=1.64221=36.08m3/h冷風(fēng)滲透耗熱量=0.278=0.27836.0811.298[18-（-1）]=247W表3.5102房間的圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱耗熱量房間編號房間名稱圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)室內(nèi)計算溫度供暖室外計算溫度室內(nèi)外計算溫度差溫差修正系數(shù)基本耗熱量耗熱量修正圍護(hù)結(jié)構(gòu)耗熱量朝向風(fēng)向修正值修正后熱量高度名稱及方向面積Ktnt/wtn-t/wQ/1·jxcnxf1+xcn+xfQxgQ1/m2W/（m2℃）℃℃℃W%%%W%W102廚房北墻10.5218-1191399001003990399西墻19.42737-595700700西窗43.01229-595218218南墻4.92186-1585158158南窗23.01114-15859797南門3.62.33159-1585135135地面一190.471700100170170地面二0.40.2320100223.外門冷風(fēng)侵入耗熱量的計算外門冷風(fēng)侵入耗熱量的計算,由于該門的開啟時間不長。則：=0.651159=103W4.廚房（102）設(shè)計熱負(fù)荷總計為（按十位數(shù)匯總）=++=1879+247+103=2230W該別墅的其他房間用面積指標(biāo)法進(jìn)行概算，其公式為：kW式中：——建筑物的供暖設(shè)計熱負(fù)荷，kW；F——建筑物的建筑面積，m2；——建筑物的供暖面積指標(biāo)，W/m2，它表示每1m2建筑面積的供暖熱負(fù)荷。通過查找《熱網(wǎng)規(guī)范》[4]，可得出杭州市的建筑物供暖面積指標(biāo)=40W/m2。該別墅的其他房間的供暖設(shè)計熱負(fù)荷列入表3.6中。房間編號房間名稱房間面積（m2）熱負(fù)荷（W）101接待室572280201客臥17680202主臥331320203客臥19760204健身房22880表3.6其他房間的供暖設(shè)計熱負(fù)荷該別墅房間總的供暖熱負(fù)荷為：=2230+2280+680+1320+760+880=8150W=8.15kW

4散熱器的選型4.1散熱器的選擇原則散熱器是最常見的一種散熱設(shè)備，對散熱器的設(shè)計要求主要有以下幾方面[5]：1.散熱器在成本方面的要求，散熱器單位時間向房間釋放的熱量越多，用的金屬材料越少，且用的成本越少，這樣它的經(jīng)濟(jì)效果就越好。2.散熱器在熱工性能方面的要求，如果散熱器的傳熱系數(shù)越大，那么它的熱工性能就越強(qiáng)，我們可以增大散熱器的散熱面積，增大散熱器的輻射強(qiáng)度和加快散熱器周圍的空氣速度等方法來提高散熱器的熱工性能。3.散熱器在衛(wèi)生和美觀方面的要求，不僅要讓散熱器方便清掃上面的積灰，而且還不能影響散熱器的美觀。4.散熱器在工藝方面和安裝使用方面的要求，散熱器應(yīng)該便于安裝，且占用房間和空間的面積要小，并且它能承載在使用過程中的機(jī)械強(qiáng)度，也要方便廠家能夠大批量的生產(chǎn)。5.散熱器在使用年限方面的要求，散熱器應(yīng)該不容易損害，且具有耐腐蝕性，使用年限越長越好。在散熱器的選取方面，我們優(yōu)先考慮鑄鐵型的散熱器。因為它結(jié)構(gòu)簡單，防腐蝕性好，并且使用年限很長以及它的熱穩(wěn)定性較好等一些優(yōu)點(diǎn)。在這設(shè)計中，我們選用M132型散熱器。這種散熱器金屬熱強(qiáng)度及傳熱系數(shù)高，外形也好看，清除積灰也比較容易，容易組成所需的面積，安裝也方便。4.2散熱器的選型散熱器在設(shè)計中應(yīng)該具有耐用性和經(jīng)濟(jì)性，本工程選用鑄鐵柱型M132散熱器，其具體性能及參數(shù)見表4.1。表4.1散熱器性能參數(shù)型號散熱面積水容量重量工作壓力傳熱系數(shù)KM132型0.24m21.32L/片7kg0.5MPaK=2.426·4.3散熱器的布置背部與墻面間距不小于25mm，頂部與窗臺板之間的距離不小于50mm，底部距地面之間的距離不小于60mm，一般為150mm。散熱器在布置的過程中，應(yīng)該滿足以下的一些規(guī)范[6]：1.散熱器在安裝過程中，一般安裝在外面墻體的窗子下面。這樣可以通過散熱器熱空氣的對流改善窗子的冷輻射和冷空氣對流對房間的供熱影響，使房間暖和一些。2.為了減少散熱器的散熱損失，散熱器一般都不在外面作其它的裝飾，除非有明確的要求說明時，那就特殊的處理。3.兩道外門之間禁止設(shè)置散熱器，主要是為了防止散熱器被凍裂。4.在樓梯間布置散熱器時，應(yīng)布置在底層，主要是為了熱氣上升使房間更加暖和些。5.同一個房間的散熱器可以串連，但是串聯(lián)的管徑的的大小必須一樣，這樣主要是為了散熱器管道中的水能夠順利的流出。像廁所、浴室等一些輔助性的房間，我們可以讓它與較近的一些供熱房間串聯(lián)供熱。6.鑄鐵散熱器M132型的組裝片數(shù)一般不易超過20片。4.4散熱器的計算散熱器的散熱面積F按下式計算：m2（4-1）式中：Q——一組散熱器的散熱量，W；——散熱器內(nèi)熱媒平均溫度℃；——散熱器組安裝片數(shù)的修正系數(shù)；——散熱器連接形式的修正系數(shù)；——散熱器安裝形式的修正系數(shù)。該建筑供暖的供回水溫度分別為50℃/30℃,散熱器內(nèi)熱媒的平均溫度為：＝（＋）/2＝（50＋30）/2＝40℃（4-2）式中：——散熱器進(jìn)水溫度，℃；——散熱器出水溫度，℃。這里我們以該別墅廚房（102）為例進(jìn)行散熱片的計算。已知：廚房（102）設(shè)計熱負(fù)荷Q=2230W，=（50+30）/2=40℃，=18℃，=-=40-18=22℃。由表4-1可知，M132型的散熱器:K=2.426=2.426220.286=5.87W/（m2?℃）修正系數(shù)：先假定=1.10；查找可得：=1.0；=1.02==19.37m2M132型散熱器片數(shù)為：n/=F/f=19.37/0.24=80.71片81片查《供熱工程》[7]，當(dāng)散熱片n>20時，=1.10；與前面的假設(shè)一致，即：實際所需的散熱器的面積F=F/=19.37m2實際采用片數(shù)n為：n=80.71片取整數(shù)，應(yīng)采用M132型散熱器81片。該別墅所有房間的散熱片數(shù)的計算結(jié)果，見表4.2。表4.2別墅采暖散熱器片數(shù)計算表房間編號房間名稱設(shè)計溫度℃平均溫度℃散熱器組數(shù)散熱器片數(shù)片數(shù)修正系數(shù)修正后散熱器片數(shù)房間負(fù)荷W101接待廳20405931.0932280102廚房185811.0812230201客臥202281.028680202主臥203541.0541320203客臥202311.031760204健身房182321.032880

5系統(tǒng)方案的選取5.1太陽能供熱系統(tǒng)的基本要求（1）系統(tǒng)必須全部灌滿水，主要是保證系統(tǒng)在密閉的環(huán)境下進(jìn)行。因此，在系統(tǒng)的最高處要設(shè)一個水箱（一般為開口式的），也是防止管道中的水受熱而流出來，這個水箱叫做高位膨脹水箱。現(xiàn)在在系統(tǒng)設(shè)計中一般采用低位（落地）隔膜式膨脹罐，這主要是為了與空氣隔絕，減少空氣中的氧進(jìn)入管道中。采暖系統(tǒng)管道中的熱水是密閉的，這樣對散熱器的工作非常有好處。在封閉式的系統(tǒng)中，系統(tǒng)的總阻力跟水泵的揚(yáng)程有關(guān)，跟系統(tǒng)的高度沒什么關(guān)系。在《暖通設(shè)計規(guī)范》中規(guī)定，為了控制整個系統(tǒng)的靜水壓力，當(dāng)建筑物采暖系統(tǒng)的高度超過50m時應(yīng)該在豎向設(shè)立分區(qū)。（2）必須保證有足夠的循環(huán)水量采暖系統(tǒng)的總循環(huán)水量（G），等于建筑物的總采暖熱負(fù)荷除以供水溫度減去回水溫度的差，即G=0.86kg/h；式中：G——系統(tǒng)的循環(huán)水量，kg/h；——系統(tǒng)各采暖房間熱負(fù)荷的累積值，W；、——分別為系統(tǒng)供、回的水溫；℃；0.86——換算系數(shù)。按照同樣的計算方法，可以計算一個房間或著一組散熱器所需的循環(huán)水量。5.2太陽能供熱系統(tǒng)特點(diǎn)太陽能系統(tǒng)的集熱不均勻性，其主要的影響因素有三個方面：一是季節(jié)的變化，不同的季節(jié)太陽的輻射是不一樣的，例如：在冬季太陽的輻射是最小的，夏季輻射是最大的；二是天氣的變化，即使在同一個季節(jié)不同的天氣狀況，太陽的輻射強(qiáng)度也不一樣；三是即使在同一天太陽的輻射也不一樣，白天有太陽的輻射，晚上沒有太陽的輻射[8]。太陽能系統(tǒng)集熱不均勻，使的太陽能系統(tǒng)的熱水供應(yīng)也就不穩(wěn)定，夏天供熱水的水溫高，冬天供熱水的水溫低；有太陽時供熱水的水溫高，沒有太陽時供熱水的水溫低；天亮?xí)r供熱水的水溫高，傍晚供熱水的水溫低等一些特點(diǎn)。采暖系統(tǒng)的運(yùn)行也不均勻，在冷的時候我們才供暖，系統(tǒng)才運(yùn)行；天氣熱的時候就不用供暖，自然系統(tǒng)也就不用運(yùn)行了。系統(tǒng)在運(yùn)行時，隨著天氣溫度的降低，系統(tǒng)供的熱水溫度也就會逐漸增大。此外，對于一天連續(xù)采暖的系統(tǒng)，提供熱水的溫度基本是不會變化；對于一天間斷式采暖的系統(tǒng)，提供熱水的溫度變化很大。5.3系統(tǒng)設(shè)計方案確定對于這個工程我們只需要設(shè)計一個小型的供暖系統(tǒng)就可以了。選用太陽能加熱泵熱水的系統(tǒng)，在樓頂裝飾構(gòu)架上的集熱器我們的集中布置，并給它配上自己可以實現(xiàn)進(jìn)水或加熱的一些輔助控制裝置。太陽能集熱器用來采集熱量并且加熱管道中的水，另外在系統(tǒng)外配備的一個輔助加熱的熱泵。當(dāng)太陽能加熱的水溫不足時，輔助加熱的熱泵自動開始工作，使水溫滿足人們的需求；同時也確保了該系統(tǒng)都有人們所需要的熱水[9]。當(dāng)太陽能的輻射充足時，建筑物的全部熱負(fù)荷由太陽能系統(tǒng)提供，并把多余的熱量儲存在蓄熱器中，以備太陽能供熱不足時使用；如果遇到太陽輻射不強(qiáng)的天氣時，太陽能供熱就不能滿足該建筑物全部的需求，這時熱泵就開始工作，使水溫達(dá)到人們所需要的溫度。該系統(tǒng)的自動控制裝置，是由一般有兩組測量溫度的電偶和其控制作用的儀器組成。一組電偶和控制儀器相連控制著水泵，當(dāng)房間的溫度低于設(shè)計的溫度時，這時熱泵就自動開始工作，直到房間的溫度達(dá)到設(shè)計溫度的要求，熱泵才會停止工作。另一組電偶和控制儀器相連控制著熱泵的開關(guān)。使用者可以根據(jù)自己需要自由的設(shè)計水溫。整體的太陽能供熱系統(tǒng)原理見圖5.1，是其它部件以及自動控制器沒有表示出來。圖5.1太陽能熱泵聯(lián)合供暖系統(tǒng)圖最后綜合考慮到本工程的實際規(guī)模、材料的節(jié)儉和施工的方便等存在的因素，本工程最后決定采用太陽能+熱泵機(jī)組的水平跨越式系統(tǒng)熱水供熱。本工程設(shè)計的供、回水溫度分別為50℃、30℃，最后根據(jù)建筑的實際情況，分布水平管和跨越管，把散熱器分別分配到每個房間中。詳細(xì)的情況請見圖紙。

6系統(tǒng)主要設(shè)備選型6.1太陽能集熱器選型由國家對排水設(shè)計的相關(guān)規(guī)定可知，系統(tǒng)供熱水溫度設(shè)計成50℃，一般情況下水的溫度是15℃，太陽能系統(tǒng)的熱水我們按50℃設(shè)計[10]，所以太陽能集熱系統(tǒng)熱水升高的溫度為：△T=50℃-15℃=35℃。該別墅有6人居住，假設(shè)50℃的熱水每人每一天用100kg，及6個人一共需要50℃的熱水量為：6×100=600kg。6個人每小時用的熱水量為：600÷24=25kg/h；每一天用水的高峰期約為4小時，則6個人在高峰期用水量為25×4=100kg；所以6個人在高峰期用的熱水量為：100×6=600kg；該別墅采暖循環(huán)所需循環(huán)水量為G，由公式：G=0.86（6-1）則采暖用水量G＝0.86×8150/（50-30）=350kg/h。則太陽能熱水系統(tǒng)熱水負(fù)荷25×（50-15）/0.86=1017W；太陽能采暖系統(tǒng)熱水負(fù)荷350×（50-30）/0.86=8150W；因此太陽能熱水系統(tǒng)負(fù)荷為1017+8150=9167W9.2kW；TMQRZ18-18P型能量輸出值：0.95kW/組，則太陽能集熱面積為3.0m2/組；本太陽能熱水系統(tǒng)需要TMQRZ18-18P型的全真空玻璃熱管集熱器[11]：9.2/0.9510組其該集熱面積為30m2，則需要蓄能式熱管真空管（58×1800mm）300支，其中南北屋頂面各水平裝置的集熱器5組。其所選太陽能集熱器的性能參數(shù)見表6.1：表6-1蓄能式熱管真空管集熱器性能參數(shù)產(chǎn)品型號TMQRZ18-18P/3.0/58×1800外形尺寸（mm）1650×2000×108集熱器件玻璃真空集熱管規(guī)格數(shù)量58×1800×18支蓄能材料無鳴蓄能固體粉末傳熱器件14銅管水平熱管冷凝端14×65集熱面積3.0承壓能力（kg/cm）6能量輸出值日太陽輻射量（杭州）17MJ/m2熱水補(bǔ)償速度杭州地區(qū)參考值：30L/h，△t=35℃集管材料38銅管外殼材料茶色彩涂鋁板自重（kg）108保溫材料35mm高密度聚氨酯6.2集熱系統(tǒng)布置由建筑物的結(jié)構(gòu)可知，標(biāo)準(zhǔn)TMQRZ18-18P型的集熱器5組擺放于別墅南面屋頂，集熱管南北朝向，這就和屋頂面同坡，集熱器采用串聯(lián)連接；水平TMQRZ18-18P型的集熱器5組擺放于別墅的北面屋頂，集熱管沿東西水平方向放置，北屋頂?shù)募療崞骱湍衔蓓數(shù)募療崞鞯倪B接方式一樣。樓梯間頂層梁柱結(jié)構(gòu)平臺上。對于集熱循環(huán)管，我們這里用熱鍍鋅管并且暗裝[12]。6.3太陽能蓄熱的水箱容積確定根據(jù)上面計算結(jié)果，本太陽能熱水系統(tǒng)需要一個可以儲存1200kg熱水的蓄熱水箱，此蓄熱水箱內(nèi)膽采用6mm的鋼板焊接并渡上一種防腐的物質(zhì)，蓄熱水箱的外殼用PVC的裝飾板拼裝，確保不易生銹漏水；保溫層用30mm的厚苯板復(fù)合而成，熱損耗小，保溫效果良好[13]。一般情況下的太陽能蓄熱是通過水的熱容量的變化來實施的。太陽能供熱蓄熱的水箱的有效容積可以按公式6-2來確定：（6-2）式中V——蓄熱水箱計算有效容積，m3；——蓄熱開始時水箱內(nèi)水的平均最高溫度，℃；——蓄熱開始時水箱內(nèi)水的平均最高溫度，℃；K1——箱輸送到用戶時所發(fā)生的熱損失的安全系數(shù)；K2——由于蓄熱水箱的散熱損失的安全系數(shù)；——供熱的時間，h；γ——水的密度，kg/m3；——水的比熱容，kJ/（kg·K）；——總的計算熱負(fù)荷，W。則經(jīng)估算所需蓄熱水箱的容積V為2.91m3，本設(shè)計可選型號為CV3-1.0蓄熱水箱，其性能參數(shù)見表6.2：表6.2蓄熱水箱性能參數(shù)型號公稱容積（m3）長（mm）寬（mm）高（mm）公稱壓力（MPa）總蓄熱量（kcal）CV3-1.03.0900200013501.04.3×106.4輔助熱源的選擇與選型由于太陽能提供的熱量可能不能滿足房間的需要，或者由于天氣的影響所存儲的熱量不足，不能滿足人們的需求，這時我們就需要用一個輔助的熱源來彌補(bǔ)這些不足。在太陽能加熱系統(tǒng)中我們通常選用的輔助熱源就是熱泵。根據(jù)太陽能熱水系統(tǒng)要求，為了實現(xiàn)太陽能供熱系統(tǒng)一整天都有人們需要的熱水，就應(yīng)該增加輔助熱源，則本設(shè)計利用空氣源熱泵作為補(bǔ)熱方式，非晴天氣熱泵系統(tǒng)補(bǔ)充熱負(fù)荷為9167W，則可以選擇1臺型號為HNRB-5D的空氣源熱泵熱水機(jī)組。其性能參數(shù)如表6.3：表6.3型號HNRB-5D的性能參數(shù)阻力：50kPa額定輸入功率:6.44kW額定制熱量：24kW最大輸入功率：9.3kW小時制水熱量：600L最高出水溫度：65℃

7系統(tǒng)水力計算7.1水力計算步驟（1）在房間的軸側(cè)圖上，進(jìn)行管段的編號，水平管與跨越管編號并注明各管段的管長和熱負(fù)荷，如圖7.1所示：圖7.1水平跨越式系統(tǒng)軸側(cè)圖（2）計算各管段的管徑（d）；a.水平管段的流量計算公式為G=0.86kg/h（7-1）b．跨越管段流量的計算公式為Gk=（1-0.36）Gkg/h（7-2）從而確定各管段的管徑，見附錄A。（3）根據(jù)流量和管徑（d）確定比摩阻（R）和流速（v）；（4）各管段的局部阻力系數(shù)（Σζ）的確定，見附錄B；（5）通過查《供熱工程》的附錄表4.3，由管段的流速（v），可找到動壓頭（）的值；（6）局部阻力（）和沿程阻力（）的計算；a.局部阻力計算：（7-3）b.沿程阻力計算：（7-4）（7）計算管段的總阻力；（7-5）（8）將計算的所有結(jié)果列于附錄A。這里我們以該別墅第一層的一號管段為例來計算該管的水力計算：一號段為水平管，其熱負(fù)荷為3800W，管長為2.0m；計算一號管段的管徑：一號管段的流量為：G=0.86=0.86380020=163.4kg/h根據(jù)流量G和推薦的比摩阻（Rp.j=40Pa/m至60Pa/m），從而確定一號管的管徑為15mm；根據(jù)流量和管徑可以確定一號管的比摩阻R=81.83Pa/m，流速v=0.23m/s；一號管段的閘閥有一個，90度的彎頭有三個，即=1.5+32.0=7.5查《供熱工程》附錄表4.3，根據(jù)管段流速（v），可查出動壓頭（）的值=26.01Pa局部阻力（）和沿程阻力（）的計算：=81.832=163.7Pa=26.017.5=195.1Pa一號管段的總阻力為：=162.8+195.1=357.9Pa其余的管段算法一致。7.2循環(huán)水泵的選型水泵是熱水采暖系統(tǒng)的主要設(shè)備之一。水泵的選擇應(yīng)該注意以下的幾個方面：首先應(yīng)該滿足系統(tǒng)在最高的運(yùn)行的工作狀態(tài)下流量和揚(yáng)程，且水泵的流量和揚(yáng)程必須要有一定的富余量。當(dāng)系統(tǒng)所需要的流量和揚(yáng)程較大時，我們可以用幾臺水泵串聯(lián)使用，選用的水泵同型號最佳，但串聯(lián)的臺數(shù)一般不超過3臺[14]。其次，在系統(tǒng)的供熱循環(huán)中，最好有一個水泵作為備用。并且我們在選用水泵時，必須要考慮系統(tǒng)在循環(huán)時所產(chǎn)生的靜壓力對泵體本身影響。選用水泵的應(yīng)該明確注明所承受的靜壓值是多少，特殊的情況由制造廠家做特殊的處理。由采暖規(guī)范進(jìn)行的換熱站的設(shè)計可知，主要設(shè)備的選型方法如下：選擇水泵時，必需考慮它與熱水管的安裝條件、是否便于調(diào)節(jié)、是否經(jīng)濟(jì)可行等特點(diǎn)。選擇水泵所依據(jù)的流量L和揚(yáng)程H如下確定：水泵揚(yáng)程H=（1.1~1.2）Hmaxm（7-6）式中：Hmax——設(shè)計的最大的揚(yáng)程m；1.1~1.2——放大系數(shù)。水泵L=（1.1~1.2）Lmaxkg/h（7-7）式中：Lmax——設(shè)計最大流量；1.1~1.2——放大系數(shù)，水泵單臺工作時取1.1。采暖的熱水按供回水溫差20℃計算，熱水最大流量Lmax=163.47+104.66+2588+165.17=4988.3kg/h，取1.1安全系數(shù)，循環(huán)水泵的流量選擇5487kg/h。揚(yáng)程按下式計算：（7-8）式中：——水系統(tǒng)總的沿程阻力和局部阻力損失，Pa；――設(shè)備阻力損失，Pa；g在這里取10m/s2。本工程選擇熱泵機(jī)組阻力損失為50kPa，則Hp=（4286.4+11721.8+50000）100006.6m。取1.1安全系數(shù)后，水泵揚(yáng)程選7.26m。所以根據(jù)揚(yáng)程和流量可選擇型號為:DJB11-JS-25CP的循環(huán)水泵。其參數(shù)見表7.1表7.1DJB11-JS-25CP的循環(huán)水泵的參數(shù)最大揚(yáng)程：8m最大工作壓力：1000kPa最大流量：5500kg/h介質(zhì)溫度范圍-10℃至110℃

8供熱管道的保溫8.1管道保溫的確定為了節(jié)約能量、保證使用者的使用溫度、也為了減少熱水在運(yùn)送過程中的熱量損失等等一些不利的因素。需要對運(yùn)送的管道及其那些附件作保溫。在下列的情況下需要對管道保溫：a.室外管路采用橡膠管保溫，厚度大于或者等于40mm，其在外面還需要制作保護(hù)層。b.在室內(nèi)的供回水主干管、主要的立管以及暗裝的采暖支管，要作保溫層；c.在那些容易被凍裂管道的地方，要給管道設(shè)保溫層；d.在管道通過的需要保溫的地方，要對管道作保溫。8.2保溫材料的選擇礦棉、巖棉和玻璃棉的管殼，保溫性能不錯而且耐久、無毒施工也比較方便。水泥膨脹珍珠巖管殼，它具有較好的保溫性能，并且可以大量的生產(chǎn)，這樣的話就使得賣出去的價格比較便宜，是現(xiàn)在管道保溫材料最好的選擇。在《民用建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》中我們常常采用以上兩種保溫材料。當(dāng)系統(tǒng)管道中的熱水的溫度與管道周圍空氣的溫度相差小于60℃時，供熱系統(tǒng)中的管道最小保溫厚度為40mm。詳細(xì)解釋請見《民用建筑采暖設(shè)計與施工安裝手冊》[15]。管道的保溫材料不是越厚越好，當(dāng)保溫層厚到一定的量時，保溫層表面積增大損失的熱量反而比管道本身損失的熱量大?？茖W(xué)家們經(jīng)過大量的實驗和總結(jié)，最終得出了表8.1的管道保溫層的極限厚度，只有這樣的搭配才是最經(jīng)濟(jì)合理的。表8.1保溫層極限厚度參數(shù)公徑≤3240507080100125150200250極厚45556580951101151201251308.3管道保溫施工（1）在供熱管道做完水壓試驗和防腐試驗并且合格后才能做管道的保溫工作。如果要提前要對管道做保溫處理，應(yīng)該把管道的焊接縫口留出來，等做完管道的防腐工作和水壓試驗后在做保溫處理。（2）通常我們不會對管道上像閥門、法蘭等這些附件不作保溫處理。但在它們的兩側(cè)要留70mm至80mm空隙，在這里保溫層端部要抹成60°至70°的斜坡。（3）保溫管外殼的殘缺處或縫隙要用水泥石棉灰填好，在保溫層的搭接應(yīng)該錯開搭接。（4）為了防止保溫層的熱脹冷縮的現(xiàn)象對保溫層的破壞，及在保溫層的管道上每隔5至7m就要留一個縫寬5mm的縫隙，并且縫隙用玻璃棉塞堵著。

總結(jié)（1）根據(jù)別墅供應(yīng)熱水以及采暖要求設(shè)計了太陽能熱泵系統(tǒng)，并計算出房間維護(hù)結(jié)構(gòu)的的熱負(fù)荷。（2）在太陽能集熱器設(shè)計計算中，設(shè)計出杭州地區(qū)相適應(yīng)的全真空玻璃熱管集熱器，并計算出其及熱量。（3）太陽能系統(tǒng)集熱器經(jīng)常采用水平熱管技術(shù)，使太陽能集熱器水平分布，這樣不僅占地面積小，而且可起到屋頂隔熱層作用，在抗風(fēng)方面也有著相當(dāng)不錯的作用，避雷方面也不錯。太陽能集熱器的支架采用熱鍍鋅型鋼制的防風(fēng)設(shè)計，既安全可靠又科學(xué)節(jié)能，方便使用。（4）設(shè)計蓄熱體，盡可能滿足蓄熱量與別墅供暖的要求。綜上所述，太陽能熱泵系統(tǒng)極大的給人們的方便，填補(bǔ)了太陽能系統(tǒng)的不足，使得該系統(tǒng)的性能全面的改善，運(yùn)行費(fèi)用也得到了改善。從而降低了整個系統(tǒng)的成本?，F(xiàn)在國內(nèi)外開展的試驗研究多數(shù)是中小型的熱水系統(tǒng)，隨著研究的進(jìn)展和技術(shù)的成熟，太陽能熱泵系統(tǒng)將逐漸與大型供熱系統(tǒng)相結(jié)合，以便在更多的地方可以使用，也可以為更多的人們服務(wù)。

致謝本人的學(xué)位論文是在我的指導(dǎo)老師冉均均的親切關(guān)懷和認(rèn)真指導(dǎo)下完成的。他溫柔的表情，耐心的指導(dǎo)，深深的感染著我，讓我沒有任何的理由不保質(zhì)保量的完成論文。從論文選題到論文的最終出稿，冉老師都一直給予我耐心的指導(dǎo)和絕不放棄的勇氣。在此謹(jǐn)向冉老師致以誠摯的謝意和崇高的敬意。除此之外，我還要感謝在一起度過的每個可愛的同學(xué)們和尊敬的老師，正是有了你們無微不至的幫助，我才能夠不被困難擊倒，勇往直前。我的論文即將完成，我的心情熱血澎湃，在我論文的寫作的過程中，有太多的朋友、同學(xué)幫我梳理思路，給我前進(jìn)的勇氣，在這里請接受我誠摯的謝意，真心感謝你們！

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