办公场所太阳能空气能多热源热水采暖系统设计

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1、摘 要 本毕业设计的课题背景是目前国内面临的能源日益匮乏以及环境的严重污染问题，目的是设计出一种经济、高效、环保的太阳能空气源双热源热水采暖系统。 目前资源及环境形势不容乐观，可持续发展、保护环境成为国内的基本国策。在资源消耗中，建筑物能耗占了一大部分，建筑物节能措施尤为必要。本文在阐明目前状况后，提出采用太阳能和热泵结合的形式制取热水，提供采暖，并且具体论述了以直接膨胀式和间接膨胀式为代表的太阳能热泵系统近来数年的研究状况。本文结合青岛地区实际状况和建筑特点，通过计算、图表等措施，完毕系统重要部件选型、连接，并采用有效的控制系统，设计出一种完整的太阳能空气源热泵采暖系统。最后，通过对该系统与

2、其他供暖方式的经济性分析比较，表白该系统达到了经济、高效、节能的规定。核心词：太阳能；空气源热泵；采暖；经济性AbstractBackground of this graduation design topic is the current our country energy shortage and serious environmental pollution problems, the purpose of the paper is to design a economic, efficient and environmentally friendly solar and air so

3、urce heat pump of hot water heating system.The current resources and the environment situation is not optimistic, sustainable development and environmental protection become the basic national policy of our country. In the resource consumption, building energy consumption accounts for a large propor

4、tion, the building energy saving measures is necessary. This article on the current situation, put forward by using the combined form of solar energy and heat pump for making hot water, and the article detailed the represented by direct expansion type and indirect type of solar energy heat pump syst

5、em research situation in recent years. In this paper, we will combine with the practical situation of Qingdao region, and the characteristics of the building, through the methods of calculation, chart, complete system important component selection, connection, and adopt effective control system, and

6、 design a solar air source heat pump heating system. Finally, Based on the system compared with other heating methods of economic analysis, indicates that the system has reached the requirement of economy, high efficiency, energy saving.Keywords: Solar energy；Air source heat pump；Hot water heating ；

7、Economic Performance 目 录摘 要IAbstractII1 绪 论11.1国内建筑能耗现状11.2太阳能资源和运用技术简介31.3太阳能热泵系统及研究现状61.4本课题的目的和意义82 室内供暖系统设计计算92.1室内供暖热负荷92.2 散热器计算安装142.3室内供暖系统水力计算162.4本章小结183 室内供暖系统室外部分计算193.1太阳能集热系统193.2空气源热泵系统233.3控制系统283.4其她设备303.5本章小结324 供暖经济性分析334.1太阳能空气源热泵采暖系统334.2老式集中采暖方式344.3户式中央空调354.4电采暖364.5不同采暖方式经济

8、性比较364.6本章小结375 结论38参照文献39致 谢 41附 录421 绪 论随着国民生活水平的提高，建筑总量的大幅增长，建筑物能量消耗不断增长，这在一定限度上加剧了资源紧张和环境污染的状况，因此，住宅建筑节能十分必要。太阳能及热泵以其节能、经济、无污染等特点，应用于建筑物热水采暖系统，可以有效节省资源，符合可持续发展以及生态环境建设的规定。1.1国内建筑能耗现状1.1.1国内能源运用背景概述 在目前社会经济发展战略中，能源与环境问题成为关系国民经济可持续发展的首要问题。随着能源的日益匮乏以及环境的严重污染，保护地球上有限的矿物资源和环境，实现社会经济可持续发展成为许多国家的基本国策。国

9、内是一种能源生产大国，也是一种能源消费大国。从目前能源供需状况来看，国内能源发展重要存在如下问题：一是能源资源约束十分严重，国内常规能源探明总资源量约8200亿吨原则煤，重要以煤炭资源为主，石油、天然气很小。能源的局限性已经成为制约国内社会经济发展的核心环节；二是国内能源资源地区分布不均匀，80%的能源资源分布在西部和北部地区；三是能源供应过度依赖煤炭，环境污染问题严重。目前煤炭消费占所有能源消费总量的76%1，这种大量消费煤炭，特别是大量以终端直接燃烧方式消费煤炭，是导致大气环境污染的重要因素；四是能源运用技术落后，能源运用效率低。目前，国内经济的迅速增长在很大限度上是靠消费大量物质资源实现

10、的，国内单位产出的能耗和资源消耗水平明显高于国际先进水平。能源运用效率低下是影响可持续发展的重大问题，也是必须认真研究解决的核心问题。在人类面临着能源危机的同步，同样面临着由于使用化石能源而带来的环境问题，重要体现为酸雨、臭氧层破坏、温室气体排放等。在许多发展中国家，都市大气污染已达到十分严重的限度，形成了广泛的环境酸化，酸性气体所导致的腐蚀损失，每年高达10亿美元。国内以煤炭、石油为主的能源构造也导致了严重的大气污染，二氧化硫和二氧化碳的排放量都居世界前列。因此，改善能源构造，研究和开发绿色新能源，已经成为世界各国能源建设的共同战略目的。1.1.2 国内建筑能耗现状随着国民生活水平的提高，建

11、筑总量的大幅增长，人们对居住舒服度规定的提高，建筑能耗也急剧增大。建筑能耗有两种概念：一种是广义建筑能耗，是指建筑材料生产制造和建筑物建设施工始终到建筑物使用全过程涉及报废拆除过程中所消耗的能源；一种是狭义建筑能耗或建筑使用能耗，是指建筑物在使用过程中所消耗的能源，涉及照明、采暖、空调、降温、电梯、热水供应、炊事、家用电器以及办公设备等所消耗的能源。国际上一般所谓的建筑能耗指的是狭义建筑能耗，即建筑使用能耗，与工农业、交通运送业的能耗并列三大能耗。国内建筑能耗指建筑使用能耗。随着能源种类构造的改善，不同能源种类如电、天然气、煤气、液化气以及不同用途的分项能耗共同导致了住宅建筑能耗的复杂性。大量

12、高能耗建筑的存在，使得国内建筑能耗在能源消费总量中所占的比例已从上世纪七十年代末的10%上升到近年的26.5%，国家建设部科技司研究表白，国内建筑能耗比例还将上升至35%左右，单位建筑能耗的比例将是发达国标的3倍以上2。综上分析可见，住宅建筑节能已成为国内经济社会可持续发展以及生态环境建设的必然规定。图1.1 建筑物能耗占比31.2太阳能资源和运用技术简介1.2.1 太阳能资源现状 在目前研究的可再生能源中，太阳能由于其数量巨大、时间长期、无所不在、毫无污染等独特长处将成为人类最后获得一种用之不竭、无污染、到处均有的可再生能源的抱负选择。太阳能作为一种巨大的可再生生淸活能源，每大达到地球表面的

13、太阳辐射能为5.57MJ，相称于190万亿吨原则煤4，约为目前全世界一次能源消费总量的1.56倍。国内地处北半球欧亚大陆的东部，重要处在温带和亚热带，具有较为丰富的太阳能资源。根据全国700多种气象台站长期观测积累的资料表白，中国各地的太阳辐照年总量大体在3.35xMJ/m之间，其平均值约为5.86xMJ/平方米5。运用好太阳能是保证能源供应的重要战略措施，必须予以高度注重。在商业化巿场下，近30年来太阳能运用技术有了长足的发展，成为世界迅速稳定发展的新兴产业之一。太阳能是新能源和可再生能源中最引人注目、开发研究最多、应用最为广泛的清洁能源，可以说，将来全球能源的主流就是太阳能。国内自上世纪7

14、0年代以来，太阳能运用有了较快的发展，获得了一批研究成果并且进行了应用推广，太阳能工业初步形成6。图1.2 全国日照时间分布由图示可知：由于在太阳能光热运用方面具有经济价值的地区是年太阳辐照时间高于2200小时的地区，因此国内在大部分地区的建筑物中推广应用太阳能热运用技术己具有了良好的资源条件，特别对电力紧缺地区具有一定的经济效应和社会效应。国内对太阳能的光热运用始于20世纪70年代，多种太阳能热运用技术获得不同限度的发展，20世纪70年代以来国内可再生能源领域中产业化发展最成功的范例。随着全球环保意识的空前提高以及一次二次能源的资源紧张，健康、低能耗的太阳能产品市场前景广阔。将来建筑将也会是

15、一种环保低能耗的建筑。1.2.2 太阳能运用技术简介(1)被动式太阳房区别于积极式太阳房，被动式太阳房不需要任何机械与动力设备。被动式太阳房的设计要考虑建筑物的朝向、本地太阳高度角的大小、外围护的构造及材料、建筑内部空间及蓄热材料的选择，使建筑物自身可以高效地收集、存储和分派太阳辐射能，无需辅助热源，并且达到冬季采暖和夏季遮阳降温的作用7。(2)太阳能集热器太阳能集热器吸取太阳辐射，将有效热能传给传热工质，并且最大限度地保证吸取的热量不再散失。传热工质多选择液态物质或空气。太阳能集热器的工作温度范畴广，在生活、工业、娱乐业等场合采暖和供热水等诸多领域中已经广泛应用了太阳能集热器。从国内市场来看

16、，一半以上的太阳能系统中应用的是真空管式集热器8。(3)太阳能热水器太阳能热水器是世界太阳能热运用产业中的骨干，太阳能热水器的使用，能大幅缓和由于热水消耗量的增长而引起的能源供应压力和环境压力。但是，既有许多太阳能热水器的功能尚不完善，品种、规格、尺寸等都不满足建筑的规定，承载、防风和避雷等安全措施不够健全。为了使太阳能热水系统成为民用建筑的配套设备，科研人员在最大限度的优化太阳能热水系统的产品构造功能，热水系统与建筑整合设计、太阳能与常规能源的匹配等方面进行了研究。(4)太阳能采暖系统太阳能采暖系统就是一种积极式的太阳能热运用系统，由太阳能集热器、蓄热设备、辅助热源和循环水泵等设备构成，可以

17、吸取、存储太阳能，达到持续采暖的效果。但是系统的运营温度较低，由于太阳能集热器的效率随着运营温度的升高而减少。国内大部分冬季需要采暖的地区，目前广泛使用的是短期蓄热的太阳能采暖系统，太阳能保证率在20%40%。 (5)太阳能制冷空调系统既有的太阳能制冷方式有太阳能吸取式、吸附式、蒸汽喷射式、蒸汽压缩式以及除湿式制冷方式。太阳能吸取式制冷系统已经广泛应用于建筑物中，由于其持续制冷效果好，但初投资较高9，小户型住宅使用的话，性价比较低。抱负的太阳能制冷系统与太阳能热水系统结合，满足建筑物的冬季采暖、夏季空调、全年供热水，提高太阳能运用率和投资经济性。(6)太阳能干燥太阳能干燥可以提高生产效率和产品

18、质量。温室型太阳能干燥器内壁面涂黑，太阳辐射透过玻璃盖面，物料直接吸取太阳辐射升温脱水被干燥，上部设有排气阀，及时排除相对湿度大的空气。目前，太阳能干燥技术商品化限度较低，有待发展和优化。1.3太阳能热泵系统及研究现状1.3.1 太阳能热泵系统简介太阳能热泵系统运用太阳能作为热泵的低位热源，节省了一次能源消耗，尚有效减少了太阳能集热器的集热表面温度，提高了太阳能集热器的效率。在太阳辐射良好的状况下，整个系统的性能系数达到4以上。热泵是一种靠高位能拖动，迫使热量从低位热源流向高位热源的装置。虽然要消耗一定的高位能，单所供应的热量却是消耗的高位能与吸取的低温热量的总和，因此热泵具有明显的节能效果。

19、热泵技术的发展经历了一种多世纪，其在欧洲、美国、日本的研究和应用较早，而国内的热泵研究工作始于上世纪50年代，重要用于建筑市场和工业化生产过程，到80年代后才有了很大的发展10。太阳能与空气源热泵的结合是本文研究重点。空气源热泵是以空气为热源，通过输入少量的高品位能源(电能)来实现低品位热能向高品位热能转移的热泵系统，但它在寒冷环境条件下不能高效、稳定、可靠的运营。基于此，将空气源热泵和太阳能热运用两种能源运用方式结合的综合系统，应用于建筑物供暖空调(及生活热水)，既可以直接将热泵系统作为太阳能热运用的辅助，也可以将太阳能产生的热能作为热泵循环的低温热源，从而最低限度的消耗常规能源，最大限度的

20、运用绿色生态可再生能源(太阳能、空气低焓能)解决建筑物供暖、制冷能耗，实现建筑物的节能环保，同步满足室内较高的舒服性。1.3.2太阳能热泵系统研究 直接膨胀式太阳能热泵系统初次由Sporn在1955年提出来，并通过实验设备验证了其长处，可以同步提高热泵机组和太阳集热器的性能。 F.B.Gorozabel Charte运用不同的制冷剂对直接膨胀式太阳能热泵系统进行了理论研究，并对比研究了没有玻璃盖板和有一层玻璃盖板的集热/蒸发器的性能11。M.N.A.Hawfader等在研究中发现，压缩机转速/太阳辐射强度/集热器面积和蓄热容量对直接膨胀式热泵系统性能的影响很大，并且保证集热/蒸发器的负荷同压缩

21、机转速之间的匹配也很重要12。上海交通大学建立了直接膨胀式太阳能热泵供热水系统的实验台，该系统在多种天气状况下均能可靠地生产50的生活热水，日均耗电量1.68kw/h，平均性能系数达到3.10。同步，研制开发了直接膨胀式太阳能热泵热水器实验样机，室内模拟光源01000W照射下，热水平均加热功率1.04kw，性能系数平均值4.18。前苏联在1968970年，由Uzbek科学院和Tashkent科学研究所合伙，对太阳能辅助热泵供热系统进行了实验研究。成果表白，太阳能供热装置与原则热泵联合运营可以提高热泵的COP和太阳能供热装置的性能。天津大学研究了串联式太阳能热泵供热水系统(采用真空管集热器)，可

22、以在一年四季都可靠地运营，并向顾客提供50的生活热水，冬季的制热性能系数达到2.642.85，夏季的制冷性能系数达到2.613.50。杨前明对新型太阳能热泵多功能复合机系统进行了全面的热力学分析，分析成果可用于优化系统配备，得到更高的性能系数。1.4 本课题的目的和意义办公建筑热水采暖系统的老式供热方式重要是燃煤、燃气锅炉，电热器加热，运用的都是不可再生能源，无益于缓和能源紧张。因此推广太阳能、空气能等可再生能源的热水系统对增进建筑节能具有重要的意义。太阳能热泵作为一种节能低碳的热水采暖设备已经被学者和顾客所接受并获得了广泛的使用，但是其应用也受到天气的限制，诸多时候都不得不使用辅助电加热器加

23、热，挥霍了大量的优质能源，在冬季日照率比较低的地区特别如此。空气源热泵是一种节能环保的热水制取采暖设备，其耐候性非常强，应用广泛，虽然在晴朗的夏天需要消耗一定的电能。如何在通过一种热水采暖系统中同步应用两种设备，并且发挥两者的长处，就成为了大多数人关注的问题。本课题为满足办公建筑提供一种有效采暖技术措施，将集热系统、蓄热系统、空气源热泵、室内供暖系统和控制系统有效结合，通过热负荷计算、水力计算、热泵计算、集热器和换热器有关计算等，相应做好系统部件选型，建立一种符合规定、经济环保的太阳能空气源热泵热水采暖系统。该供暖系统可提高办公场合舒服度，有效减少能耗。将太阳能运用技术与空气源热泵技术有机结合

24、，以太阳能空气能为热泵系统的热源，既有效克服了太阳能自身的稀薄性，又解决空气源热泵冬季效率低的问题。2 室内供暖系统设计计算室内供暖系统设计涉及室内供暖热负荷计算、散热器的计算和安装、供暖管道的排布和水利计算等。2.1 室内供暖热负荷供暖系统设计热负荷是供暖设计最基本的数据。它直接影响供暖系统方案的选择、供暖管道和散热器等设备的拟定，关系到供暖系统的使用和经济效果。供暖系统的设计热负荷是指在某一室外温度下，为了达到室内规定的温度，供暖系统在单位时间内向建筑物供应的热量。它随着建筑物得失热量的变化而变化。它是设计供暖系统的最基本数据。建筑物或者房间的失热量重要有围护构造基本耗热量、冷风渗入量、冷

25、风侵入量等。围护构造基本耗热量是指当室内温度高于室外温度时，通过围护构造向外传递的热量；冷风渗入耗热量是指在风力和热压导致的室内外压差作用下，室外的冷空气通过门、窗等缝隙渗入室内，被加热后逸出的热量；冷风侵入耗热量就是冷空气在冬季风压或者热压作用下由启动的外门侵入室内所消耗的热量。设计建筑为四层办公建筑， 已知围护构造条件：外墙：一砖半厚（370mm），内面抹灰砖墙。外窗：双层玻璃窗。南窗尺寸（宽高）为2m1.5m可启动缝隙长度为10m，北窗尺寸（宽高）为1.5m1.5m，可启动缝隙长度为9m。外门：实体木质双层外门，尺寸（宽高）为1m2m。可启动缝隙长度为6m，。楼顶：现浇混凝土构造，。地面

26、：不保温地面，K值按划分地带计算。青岛市室外气象资料：供暖室外计算温度。冬季室外平均风速。供暖季节室外日平均温度为0.9。 图2.1 办公建筑一层构造示意图围护构造传热耗热量的计算按照暖通规范，该建筑为民用办公建筑，室内供暖温度采用20。现以建筑第一层热负荷建筑列出：（1） 办公室一南向基本耗热量：南向温差修正系数=1外墙面积 式（2.1）外窗面积 式（2.2）外墙基本耗热量 式（2.3）外窗基本耗热量 式（2.4）耗热量修正系数 式（2.5）修正后耗热量 式（2.6）北向基本耗热量：温差修正系数=0.7 外墙面积： 式（2.7）外门面积 式（2.8）外墙基本耗热量 式（2.9）外门基本耗热量

27、 式（2.10）耗热量修正系数 式（2.11）修正后耗热量 式（2.12）西向基本耗热量：外墙面积 式（2.13）外墙基本耗热量 式（2.14）耗热量修正系数 式（2.15）修正后耗热量 式（2.16）东向基本耗热量：温差修正系数=0.7外墙面积 式（2.17）外墙基本耗热量 式（2.18）耗热量修正系数 式（2.19）修正后耗热量 式（2.20）地面基本耗热量：地面I面积 式（2.21）传热系数 耗热量 式（2.22）冷风渗入耗热量：缝隙计算长度l=10m，查得空气量L=4.2 m3/(hm)，青岛地区冷风渗入朝向系数n=0.15渗入空气量 式（2.23）冷风渗入耗热量 式（2.24）冷风侵

28、入耗热量 式（2.25）房间一总耗热量：13 式（2.26）表2.1 一层办公室一房间耗热量计算表图2.2 其他楼层构造示意图（2） 所有房间耗热量计算成果如下表所示：表2.2 该办公建筑所有房间基本耗热量建筑物设计设计热负荷26.017KW。2.2 散热器的计算和安装散热器的工作原理是热媒通过散热设备的壁面，重要以自然对流传热措施（对流传热量不小于辐射传热量）向房间传热。散热器的计算是拟定供暖房间所需散热器面积和片数，计算环节如下：（1）散热器散热面积F计算： 式（2.27）-散热器的散热量，W；-散热器内热媒平均温度，；-供暖室内计算温度，；-散热器传热系数，W/(）；-散热器组装片数修正

29、系数；-散热器连接形式修正系数；-散热器安装形式修正系数。（2）散热器内热媒平均温度散热器内热媒平均温度随供暖热媒（蒸汽或热水）参数和供暖形式而定。热水供暖系统中，为散热器进出口水温的算术平均值。 式（2.28）-散热器进水温度，；-散热器出水温度，。（3）散热器传热系数K及其修正系数值散热器传热系数K的物理概念，是表达当散热器内热媒平均温度与室内气温相差1时，每1散热器面积所放出的热量，单位为W/（）。它是散热器散热能力强弱的重要标志。 散热器组装片数修正系数、散热器连接形式修正系数、散热器安装形式修正系数值可按资料查取。（4）散热器片数和长度的拟定 拟定所需散热器面积后（由于每组片数或者总

30、长度未定，先按=1计算），可按下式所需散热器总片数或总长度。 式（2.29）f每片或者每1m长的散热器散热面积，/m或/片。现以一层办公室一为例进行计算：办公室一的供暖设计热负荷Q=1699.3W，供水温度=75，回水温度=60，室内供暖温度=20.，该办公建筑选用M-132型散热器。查资料得，对于M-132型散热器： 式（2.30）散热器组装片数修正系数，假定为1.0；散热器连接形式修正系数=1.0；散热器安装形式修正系数=1.02； 式（2.31）当散热器片数为20以上时，=1.1，因此，实际所需散热器面积为： 式（2.32）实际采用片数n为； 式（2.33）表2.3 各房间散热片数量2.

31、3 室内供暖系统水力计算室内热水供暖系统采用低温水作为热媒，设计供回水温度分为为75/60，系统循环动力分类属于机械循环热水供暖系统。机械循环热水供暖系统相比重力循环系统的重要区别是系统中设立了循环水泵，靠水泵的机械能，使水在系统中强制循环。在系统管道敷设方面，该系统采用垂直式供暖系统，即不同楼层的散热器用垂直立管连接的系统。根据散热器供回水方式的不同，系统为单管系统，热水经立管顺序流过多组散热器，并顺序地在各个散热器中冷却的系统。进行水利计算时，机械循环室内热水供暖系统多根据入口处的资用循环压力，按最不利环路的平均比摩阻来计算管径水力计算环节如下：图2.3 水力计算管路计算图上图为系统两个支

32、路，图上小圆圈的数字表达管段号，圆圈旁的数字表：分子表达管段热负荷（W），坟墓表达管段长度（m）。散热器内的数字表达其热负荷（W）。罗马数字表达立管编号。管路水力计算就是计算最不利环路阻力损失，即通过最远立管底层散热器的循环环路压损。（1） 选择最不利环路。由上图知，最不利环路是通过立管II的最底层散热器环路。这个环路通过管段、。（2） 根据负荷和供、回水温度，输入鸿业水力计算软件，求得各管段的流量G、管径d、流速v、雷诺数R、动压头。（3） 拟定沿程阻力损失。将每一管段R与l相乘，列入表中。（4） 拟定局部阻力系数。根据图中的管路的实际状况，找出各管段阻力管件，查询阻力系数，最后将总阻力系数

33、写入表中。（5） 根据得出的动压头、总阻力系数，根据，将求出的列入表中。（6） 求各管段的压力损失，并且最后求和，即运用：。 式（2.34）表2.4水力计算表2.4 本章小结本章具体论述了该办公建筑物的基本计算条件，绘制出房屋构造示意图。以此为初始条件，计算各个房间的采暖热负荷，并进而得出房屋设计总热负荷Q=26.017KW。根据每间办公室的热负荷，计算所需散热器的片数，结合建筑物构造特点，拟定供、回水回路的排布和供水方式，并借此得出供暖管道最不利环路，保证热水的正常循环。3 供暖系统室外部分设计供暖系统室外部分涉及太阳能集热系统、空气源热泵系统、控制系统及蓄热水箱等部分。3.1 太阳能集热系

34、统3.1.1 太阳能集热器的面积计算和选型 青岛地区冬季温度较低，为避免由于室外温度过低，供热循环工质在冬季结冰而不能正常工作，因此太阳能集热系统采用丙二醇作为循环工质，故宜采用间接式太阳能集热系统。由于室内供暖末端采用散热器，所需热水温度较高，不适宜采用平板式太阳能集热器，结合系统间接式换热方式，故采用热管式太阳能集热器。热管式真空管集热器是玻璃金属封接的真空集热管的一种，由热管、金属吸热板、玻璃管、金属封盖等构成。热管式真空管内不走水，加热系统与循环系统独立分隔，整个系统所有为金属连接，运营稳定可靠。重要长处来源于热管的独特传热方式，它具有热性能好、热效率高、工作温度高等长处，系统承压能力

35、强、热容小、系统启动快，抗寒冷能力强，可在北方地区全年使用。本章在已知设计热负荷的条件下，得出间接式太阳能集热器的面积。供暖太阳能集热器排布要考虑不互相遮挡，保证足够的光照，需要对连接方式和前后间距进行计算，便于得到最合理的集热器排布。集热器设立一种丙二醇泵，通过泵的计算拟定功率、流量和扬程，合理选择循环泵。（1） 直接式系统太阳能集热器总面积的拟定。直接式太阳能热水系统的集热器总面积可根据系统的日平均用水量和用水温度拟定，按下式计算： 式（3.1）Ac直接式太阳能供热采暖系统集热器总面积，；平均采暖负荷，W；本地采暖期在集热器安装倾斜面上的平均日太阳能辐照量，J/；青岛地区采用14.7MJ/

36、；太阳能保证率，根据供暖建筑地取值，一般取值0.30.8，故取值为0.3；系统有效期的平均集热效率，一般取值0.250.5，此处取0.35；管道及贮热水箱损失率，一般取值0.20.3，取0.2；（2） 间接式太阳能集热器总面积的拟定。间接系统和直接系统相比，由于换热器内外存在传热温差，使得获得相似温度热水的状况下，间接系统比直接系统集热器运营温度高，导致集热器效率减少，因此间接系统的集热器面积需要补偿14。换热器面积计算： 式（3.2）换热器面积，；太阳能集热系统与水箱小时换热量，W；换热器传热系数，取值为400；换热器结垢修正系数，一般取值0.60.8，取0.6；换热器设计计算温差，一般取值

37、510，取7。集热器面积拟定： 式（3.3）间接系统集热器面积，；直接系统集热器面积，；集热器总热损系数，W/(），热管集热器取为1.5W/(）；换热器传热系数，W/(）；间接系统换热器换热面积，。3.1.2 太阳能集热器的定位和安装 合理拟定太阳能集热器的定位和安装在充足运用太阳能方面起着决定性的作用，在拟定太阳能集热器定位时，需要考虑集热器安装倾角和方位对太阳能量收集的影响。（1） 集热器安装方位和倾角根据青岛地区实际状况，将集热器安装在该建筑房顶，集热器正南朝向，集热器安装倾角为。（2） 集热器前后排间距冬季太阳能供暖系统集热器的间距规定是，冬至日正午前后四个小时内太阳能集热器不被前方障

38、碍物遮挡阳光。最小安装间距计算： 式（3.4）S为集热器满足不遮挡条件最小安装距离，m；H为前排集热器最高点与后排集热器最低点的垂直高差，m；h为计算时刻的太阳能高度角， h取值为；为计算时刻的太阳能光线在在水平面上的投影线与集热器表面法线在水平面的投影线之间的夹角，取上午10点太阳方位角为。图3.1 集热器安装示意图该建筑所能安装太阳能集热器的面积为90。(3) 集热器的连接太阳能系统是由多块集热器连接构成一种太阳能集热器阵列，集热器连接方式对太阳能系统各个集热器的流量分派和换热均有影响。合理的集热器阵列连接组合方式可以有效保证太阳能系统高效运营。该建筑太阳能热水系统采用并联连接，即一台集热

39、器的出、入口与另一台集热器的出、入口相连，并联的连接方式系统的流动阻力较小。图3.2 集热器连接方式3.1.3 丙二醇泵设计选型泵的消耗功率计算： 由上已知，该建筑物排布90的太阳能集热器，故能承当的符合为16.56KW，运用水力计算软件，求得在此条件下求得集热回路质量流量Q=2848.32kg/h=2.85/h。水泵所需扬程： 式（3.6）水泵的扬程（m）；水泵消耗功率（KW）；K电动机容量安全系数，取1.7；介质在工作温度下的密度，为1.042；为系统总流量（/h）；水泵的功率，一般取0.40.6，此处取0.4；水泵的传动机械效率，一般取0.900.98，此处取0.98。结合泵的扬程、功率

40、和流量，采用CQB32-20-110F氟塑料泵，泵的设计流量Q=5.5kg/h，扬程H=13m，汽蚀余量6m，转速2900转/分，电机功率0.55KW。3.2 空气源热泵系统 由于太阳能不能满足采暖需要的所有热量，因此太阳能不能成为独立的能源。要满足多种条件下的采暖需求，辅助能源不可缺少，本采暖系统的辅助热源采用空气源热泵。热泵是一种运用高位能使热量从低温热源流向高温热源的节能装置。热泵可以把不能直接运用的低位热能转换成可以运用的高位热能，从而达到节省部分高位能的目的。空气作为热泵热水装置的低温热源时，有几种特点：空气以便获得，免费使用，取之不竭；空气比热容较小，为了提供足够的热量给热水，需要

41、较大的循环量 15。3.2.1 热泵装置参数和构造形式（1）装置形式。热水与低温热源之间温差不同，当热水和低温热源之间温差不小于60时，一般需要采用多级压缩构造。选用两级压缩中高温热泵热水装置。中低压压缩机排出的过热蒸汽在级间冷却器降温，再进入高压压缩机升压到规定的压力；冷水则通过级间冷却器吸取低压压缩机排出气体的显热，减少其过热度后再进入冷凝器吸取高压热泵的热量。（2）装置参数。两级中高温热泵热水装置以空气作为低温热源，设计工况为：供暖季空气日平均温度为0.9，热泵工质的蒸发温度为-10，热水温度为75，热泵工质的冷凝温度为80，热泵进口水温60。热泵工质采用R22，工质在冷凝器出口处的过冷

42、度为0，工质在蒸发器出口处的过热度为0；取高压压缩机和低压压缩机的效率（等熵压缩的能量消耗与实际的能量消耗之比）均为。两级中高温热泵热水装置中，热泵的冷凝温度为80，查表可得冷凝压力为3662.3kpa；蒸发温度为-10时，其蒸发压力为354.3kpa。取高压压缩机和低压压缩机之间的中间压力： 式（3.6） 冷凝压力 中间压力 蒸发压力此处取为1130kpa，其相应的饱和温度为28。3.2.2 热泵各部件的拟定（1）基本计算。如图4.1所示的构造，其低压压缩机进口处热泵工质的焓查得=402KJ/kg，等熵压缩时出口处工质的焓查得=414KJ/kg，实际压缩时出口处的焓为： 式（3.7） 取高压

43、压缩机进口处的热泵工质的过热度为5，则其进口处热泵工质的焓为=406.1 KJ/kg，等熵压缩出口出热泵工质的焓为=424KJ/kg，实际压缩时出口处工质的焓为：式（3.8）高压压缩机排气温度约为90。冷凝压力下热泵工质饱和液的焓=310.4KJ/kg，单位质量热泵工质流过冷凝器的放热量为： 式（3.9）设装置中热泵工质的质量流量为，则有： 式（3.10）蒸发器从低温热源的吸热量为： 式（3.11）低压压缩机功率为： 式（3.12）高压压缩机功率为： 式（3.13）装置总的压缩机消耗功率为： 式（3.14）装置的性能系数约为： 式（3.15）（2）压缩机选择。由于该工况下，低压压缩机和高压压缩

44、机的运营工况均不在常规计算工况范畴内，因此要对压缩机参数折算16。通过折算，低压压缩机采用K型R22压缩机，制热功率=14.4KW，压缩机消耗功率=4.0KW。高压压缩机同样采用K型R22压缩机，制热功率=27.1KW，压缩机消耗功率=5.8KW。（3）蒸发器和冷凝器计算。冷凝器传热量等于压缩机制热量，即=14.4+27.1=41.5KW。冷凝器的传热系数=1000 W/(）。冷凝器工质侧的放热重要为介质冷凝相变过程，则冷凝器出口工质与水的传热温差为=80-60=20，冷凝器出口工质与热水的传热温差为=80-75=5，冷凝器工质和水的对数传热温差为： 式（3.16）将上述数据带入蒸汽压缩式热泵

45、热水装置冷凝器传热面积计算公式，可得冷凝器的传热面积（以工质侧为基准）为： 式（3.17）蒸发器的传热量=31700W，由于是空气和液体接触，取蒸发器的传热系数为40W/(）。近似觉得蒸发器工质侧吸热重要为工质的蒸发相变过程，则蒸发器进口侧工质与空气传热温差为=0.9（10）=10.9，蒸发器出口侧工质与空气的传热温差为=1（0.9）=1.9，则蒸发器中工质与空气的对数传热温差为： 式（3.18） 将上述数据代入蒸汽压缩式热泵热水装置蒸发器传热面积的计算公式，可得蒸发器的传热面积（以空气侧面积为基准）： 式（3.19）3.3 控制系统 为了保证太阳能采暖系统正常运营，既要使集热器的有用热量始终

46、不小于集热器的热损失，又要使需要供暖的房间维持必要的供暖热量，一种可靠的自动控制系统是非常必要的。强制循环系统控制方式重要有定温控制、温差控制、光电控制、定期控制四种。本系统采用温差控制、定温控制和定期控制同步使用的控制系统。温差控制和定温控制是运用温差、温度作为驱动信号控制系统阀门的启闭和水泵的启停，实现系统的自动运营；定期控制是通过设定期间控制系统运营。该系统中定温控制是以室内温度作为控制信号控制空气源热泵及控制阀门实现系统自动运营。运营原理：将供暖系统室内供暖温度20设为控制温度，在室内温度低于19时，空气源热泵启动及控制阀门动作，热泵与太阳能共同承当供暖任务；当室内温度高于21时，空气

47、源热泵开关和控制阀门关闭，太阳能系统独自承当供暖任务。系统中的温差控制系统是比较集热器特性温度和水箱特性温度为控制信号控制系统水泵实现自动运营。运营原理：当集热器出口端温度与蓄热水箱的温度不小于设定温度8时，控制器发出信号，循环水泵启动系统进行循环；当温差不不小于设定值2时，循环泵停止运营。不断循环，蓄热水箱水温不断提高。根据蓄热水箱温度调节集热器运营温度，在辐射低的状况下可以将太阳能换成热能，提高系统的效率和集热器的运用率。开始检测N8YYY启动整体系统启动循环泵启动热泵系统NNN762YYY关闭整体系统关闭热泵系统关闭循环泵N结束系统Y结束图3.4控制系统流程图系统的定期控制是通过时间信号

48、进行系统控制，使该太阳能空气源热泵供暖系统更加符合人们使用习惯。作为办公建筑，晚间大规模供暖是不必要的，因此该系统在晚间将处在停机阶段。工作原理：设立定期控制器，如下午6点作为系统停机时间，停机循环泵和热泵的运营：以上午6点作为系统的开机时间，保证供暖温度可以达到规定17。3.4其他设备其他设备涉及供暖回路的循环水泵、蓄热水箱、换热器和控制系统等。3.4.1循环水泵拟定网路循环水泵是驱动热水在热水供热系统中循环流动的机械设备。在完毕室内热水供热管路后，便可拟定网路循环水泵的扬程和功率。循环水泵的压力（扬程相应的压力），应不不不小于流量条件下热源、热网和最不利顾客环路的压力损失之和： 式（3.2

49、0） 网路循环水泵的扬程相应的压力，单位为pa（或m）；网路循环水泵通过热源内部的压力损失，单位为pa（或m）。它涉及换热器和管路系统的压力损失，一般取=1015m；网路主干线供、回水管路的压力损失，单位为pa（或m）。主干线顾客末端系统的压力损失，单位为pa（或m）。 换热器方面用板式换热器，取12m；供回水管力损失计算，计算得=7863.3pa，即=0.82m；对于与网路直接相连的散热器，取2m。因此，H=14.82m，=1.49/h，网路循环水泵采用IS单级单吸清水离心泵，参数为：=6.5400/h，H=5125m，p=8KW。3.4.2蓄热水箱设计蓄热水箱是影响太阳能系统性能的重要因素

50、之一。太阳能供热采暖系统水箱一般涉及储热水箱和生活热水箱。增长储热水箱容积可提高太阳能供热系统太阳能保证率，但水箱容积增长后会增长水箱散热，因此短期蓄热系统贮热水箱选用应根据水箱保温状况和兼顾水箱成本因素。蓄热水箱构造设计合理，要设立溢流口、排污管、排气管、温度测点、水位显示。太阳能集中系统的蓄热水箱水位控制要考虑一定的安全容积，高水位应低于一水口100mm，低水位应当高于最低水位不不不小于200mm。该系统集热器采用热管式集热器，查询有关资料，热管式真空管集热器与蓄热水箱的推荐选用值为：每平方米太阳能集热器水箱容积80100L，短期蓄热太阳能供暖系统每平方米太阳能集热器水箱容积50150L，

51、综合该建筑90的集热器面积，采用7蓄热水箱。蓄热水箱构造示意图如下：图3.5 蓄热水箱示意图3.4.3热互换器选型间接式系统的水加热器事实上就是人们一般采用的热互换器，该系统采用独立于水箱的板式换热器，由前可知，换热器的换热面积8.14，换热器换热系数是750 W/(）。 板式换热器是目前各类换热器当中换热效率最高的一种换热器，它占用空间小，安装拆卸以便。板式换热器的构造，重要部分是由换热板片、密封胶垫、夹紧板、导杆、夹紧螺栓构成。人字形波纹和这些支撑点使流体介质在其内部流动时充足形成湍流，这是板式换热器具有很高换热效率的重要因素。此外换热板片厚度较薄，导热热阻较小，板片两侧的流体介质流动分布

52、较为均衡，也使得传热较为充足18。3.5本章小结 本章在已知设计热负荷的条件下，得出采用间接式太阳能集热器的面积。供暖太阳能集热器排布要考虑不互相遮挡，保证足够的光照，需要对连接方式和前后间距进行计算，便于得到最合理的集热器排布。集通过丙二醇泵的计算拟定功率、流量和扬程，合理选择循环泵。热泵机组的容量和部件选型应根据房屋的热负荷拟定。由于本系统的热水温度较高，故热泵采用两级压缩式热泵装置，并且以热水温度和热负荷为根据，合理拟定热泵机组压缩机、蒸发器、冷凝器等部件的选型计算。其他设备涉及供暖回路的循环水泵、蓄热水箱、换热器和控制系统等。本章工作重点涉及：计算循环水泵的工作参数，拟定水泵型号；以循

53、环水量和蓄热功能规定为准，选择蓄热水箱容积；选择合理的板式换热器；根据办公建筑和系统运营特点，布置控制系统，保证供暖系统高效运营。4供暖系统经济性分析太阳能空气源热泵系统应用于冬季供暖可以减少常规能源的消耗，减少运营费用。该系统有太阳能集热器、蓄热水箱、循环泵、热泵机组、控制系统、末端设备等构成。4.1太阳能空气源热泵采暖系统（1） 太阳能集热器在实际中，运营费用以一种供暖周期为计算周期，由于该建筑位于青岛地区，供暖时间从11月16日到次年4月5日，供暖总计141天。太阳能集热器选用热管真空管集热器，此种形式的太阳能集热器热效率高，防冻性能好，承压能力高，热容量小，启动快，在采暖初期和末期可以

54、不用辅助热源而直接供暖。选用集热器面积力求经济合理，考虑到实际天气因素、阴雨天对太阳能集热的影响，此外也要考虑集热器安装空间因素。根据以上数据，则系统共需要集热器数量为，为力求安装以便合理，暂取10组，共需热管真空管500根，集热面积达到。（2） 蓄热水箱蓄热水箱容积如选用高值，水箱容积会过大，水温较低，水箱蓄存热量得不到充足运用；选用低值，水箱温度较高，但太阳能集热器集热效率减少。由于热水重要用来冬季供暖，规定水温较高，同步根据太阳能采暖实验分析成果，考虑到过渡季节生活热水需求，选用低值较为合适。根据本文水箱容积计算部分，水箱选用7蓄热水箱。（3） 热泵机组热泵机组供热量为26.017KW，

55、根据热泵选型部提成果，低压压缩机采用K型R22压缩机，制热功率=14.4KW，压缩机消耗功率=4.0KW。高压压缩机同样采用K型R22压缩机，制热功率=27.1KW，压缩机消耗功率=5.8KW。（4） 系统初投资在太阳能保证率为35%时，太阳能空气源热泵采暖系统初投资如下：表7.1 太阳能空气源热泵采暖系统初投资（5） 系统运营费用根据办公建筑的常规使用措施及规律，办公室供暖仅限于工作日白天。计算条件如下：电费按0.55元/度，设备工作时间冬天出去双休日及假期，按100天计算，每天平均工作时间按10小时，长期负荷系数按0.5计算，节电系数按40%计算，太阳能冬季供暖保障率为40%，考虑到热损失

56、，暂取35%19，电力计算功率：18.35KW/H。 冬季耗电量： 式（4.1）4.2老式集中采暖方式老式集中采暖方式即由区域锅炉房或者热电厂集中提供供暖所需热量，由散热器向室内供暖。集中供暖实在集中供暖技术发展基本上，以热水或者蒸汽作为热媒，由热源集中向附近区域供应热能的方式，目前已经成为现代化城乡的重要基本设施之一。（1） 系统初投资室内暖气管道及散热器的铺设费用为6000元/100平米，该办公建筑供暖面积400平米，初投资为24000元。（2） 运营费用集中供暖方式每一种供暖周期需要支付供暖费用，按青岛地区原则，供暖费用为30.4元/平方米，故该办公建筑需要支付供暖费12160元/年。4

57、.3户式中央空调户式中央空调是以户为单位的空调系统，也叫家用中央空调，与大型中央空调相比，户式中央空调省却了专用机房和庞大复杂的管路系统，具有了初投资小、运营费用低等特点。与老式家用分体式空调相比，户式中央空调除了具有舒服、美观等特点外，它的能耗比老式家用分体式空调小得多，由于其明显的节能效果和舒服性高的特点，使其成为家用空调的研发和工程应用的主导产品。本户型采用多联空调(VRV)系统。（1）初投资户式中央空调初投资费用重要由室外机、室内机、控制系统、辅助材料与安装费等构成。平均每平方米造价约320元，该办公建筑总供暖面积400平方米，初投资费用约128000元。（2）运营费用 房间空调启动时

58、间与太阳能空气复合热泵系统基本一致。计算条件：电费按0.55元/度，冬天按100天计算，每天平均工作时间按10小时，长期负荷系数按0.6计算，VRV变频节电系数按35%计算，电力计算功率为10KW/日冬季耗电量： 式（4.2）4.4电采暖电采暖重要形式有:家用电锅炉、电热膜采暖、电散热器等。对比不同电采暖形式，该建筑采用调节灵活、便于计量与收费的电热膜采暖。电热膜也是近34年进入国内的一种低温辐射采暖方式，它是以电力为能源，将特制导电油墨印刷在两层聚氨酯薄膜制成的纯电阻式发热体，以独立的温控装置装在天花板或是墙壁中进行辐射供暖。1设备初投资电热膜采暖系统重要由电热膜(加热器)、连接卡、绝缘罩、温控器、绝缘层、辅助材料及人工费等构成，平均每平方米造价约160元/平方，400平方米采暖面积初投资费用约64000元。2运营费用设备的选型原则根据设备的名义制热量不小于该住宅房间的热负荷值，则达到了规定。供暖负荷为26.017KW。计算条件：电费按0.55元/度计算，设备工作时间按冬季100天，设备工作时间每天按10小时，平均长期负荷系数按0.6计算，电热膜节电系数按35%电力计算功率：26.02KW/H。冬季耗电量： 式（4.3）4.5不同采暖方式经济性比较下面将对以上四种方式在初投资、单位面积运营费用、使用效益等方面进行对比分析。表7.2不同采暖方式经济比较太阳能空气源热