分体式真空管太阳能热水系统设计Word格式.docx

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（1）范围的变化：

从农村---城市，从小城市---大城市

太阳能热水器是从我国农村新能源的寻求和开发中发展起来的，随着太阳能热水器质量的提高和自身系统的完善，以及低碳生活的时代主题下，

太阳能热水将成为城市住宅热水供应的重要组成部分。

（2）用户的变化：

从零星住户---住宅小区

太阳能热水器最初是在村镇住宅中使用，采用分散式供热水系统，一家一个热水器，逐渐发展到城市住宅中个别住户安装，再到多数住户自行安装。

（3）系统的变化：

从分户供应---集中供应

集中式相对于分散式有节约初投资、集成化高、热利用效率高的优势，外观处理也较容易。

（4）能源的变化：

从太阳能---太阳能辅助加热

太阳能热水系统的能源已经逐步从只利用太阳能，发展为与辅助热源组合供热水，为建筑提供稳定的热水供应。

（5）太阳能产品的变化:

开式系统 闭式系统

目前国内大部分使用的太阳能热水系统，都是开式系统，造价低廉，但水压问题和水质问题先天性不足，影响了用户的使用效果，更好的闭式承压新鲜水太阳能将会越来越多的被百姓认可。

3太阳能热水系统组成、形式

3.1太阳能热水系统组成

（1）太阳能集热器：

系统中的集热元件，其功能相当于电热水器中的电加

热管。

和电热水器、燃气热水器不同的是，太阳能集热器利 用的是太阳的辐射热量，

（2）保温水箱：

储存热水的容器。

通过保温水箱把集热器在白天产出的热水储存起来。

容积是每天晚上用热水量的总和。

（3）连接管路：

将热水从集热器输送到保温水箱、将冷水从保温水箱输送到集热器的通道，使整套系统形成一个闭合的环路。

设计合理、连接正确的循环管道对太阳能系统是否能达到最佳工作状态至关重要。

热水管道必须做保温处理。

管道必须有很高的质量，保证有20年以上的使用寿命。

（4）控制中心：

太阳能热水系统与普通太阳能热水器的区别就是控制中心。

作为一个系统，控制中心负责整个系统的监控、运行、调节等功能。

比较

高级的太阳能热水系统控制中心主要由电脑软件及变电箱、循环泵组成。

3.2太阳能热水形式分类

（1）从集热部分来分

真空玻璃管太阳能热水器：

目前吸热效率最高的集热部分，优点在于不需要在集热部分在增加保温层，而且现在的真空玻璃管无论在抗高温，抗打击和保温上，性能都是一流的，也被绝大部分太阳能热水器生产厂家所采用。

其缺点在于体积比较庞大，管中容易集结水垢。

金属平板太阳能热水器：

是在传热性能极佳的金属片上，覆盖上吸热涂层，利用金属的传热性，将吸收的热量传于水箱中。

其有点是外观美观，安装方便，可以做成平板，而且不容易损坏。

缺点在于：

保温要花很大的代价，成本高，间接的就是增加消费者负担。

U型管太阳能热水系统：

采用U型管集热器的太阳能热水系统

（2）从结构分

普通式太阳能热水器：

就是将真空玻璃管直接插入水箱中，利用加热水的循环，使得水箱中的水温升高，这是目前厂家都采用的。

也是一只流行到现在的最常规的热水器。

一般改类热水器只有顶层能用，除非顶层用户和你楼下的关系特铁，而且屋顶的面积是有限的。

分体式热水器：

分体式热水器是为了解决不是顶层用户也能使用太阳能热水器而诞生的。

分体式循环有2种，一种是靠水的自然循环，这种热

水器热交换效率很低，远远不能满足用水要求；

另一种是靠泵循环热交换，这也是为了解决自然循环效率低的问题，使用泵循环，可以明显改善水的热交换。

（3）丛循环特性来分

无动力循环即热式太阳能热水系统

自然循环太阳能热水系统：

自然循环太阳能热水系统是依靠集热器和储水箱中的温差，形成系统的热虹吸压头，使水在系统中循环；

与此同时，将集热器的有用能量收益通过加热水，不断储存在储水箱内。

强制循环太阳能热水系统：

强制循环太阳能热水系统是在集热器和储水箱之间管路上设置水泵，作为系统中水的循环动力；

与此同时，集热器的有用能量收益通过加热水，不断储存在储水箱内。

强制循环系统可适用于大、中、小型各种规模的太阳能热水系统。

直流式太阳能热水系统：

系统是使水一次通过集热器就被加热到所需的温度，被加热的热水陆续进入贮水箱中。

直流式系统主要适用于大型太阳能热水系统。

4内容（计算、图纸）

4.1用户基本情况

（1）环境条件

安装地点：

湖北一普通居民用户（4人）经纬度经度：

114.31纬度30.52

日均辐照量：

日照时间，环境温度如下表。

全国各地太阳能总辐射量与年平均日照当量

地区类别

地区

太阳能年辐射量

年日照时数

标准光照下年平均日照时间

（时）

MJ/m2·

年

kWh/m2·

湖北

4190-5016

1163-1393

1400-2200

3.1-3.8

（2）用水情况

日均用水量 家庭每人每日热水使用量平均约40L，4人共用160L

用水方式全年用水温度60℃

用水位置一楼和二楼室内，距楼顶楼顶安装集热器垂直距离约4m和

8米m

（3）场地情况

集热器放在楼顶房子长12m宽8m高10m

遮挡情况无遮挡

（4）水电情况

水压自来水压力水头20m

电压家庭用电220V —水、电供应情况稳定

4.2系统集热面积计算

将已知条件“用户设计热水用量160L，日平均辐射量13.66 MJ/m2，设计热水温度为60℃，初始水温6℃。

，太阳能保证率取0.5（系统要求全年使用）”等参数代入国家标准GB50364-2005《民用建筑太阳能热水系统应用技术规范》中直接循环系统计算公式

集热面积 为：

——直接系统集热器采光面积， ；

——日均用水量Kg；

——储水箱内水的终止温度（用水温度）；

——水的定压比热容， ；

——自来水的初始温度， ；

——集热器受热面上春分时节日辐照量，取

——太阳能保证率，无量纲；

根据系统使用期内的太阳辐照、系统经济性及用户要求等因素综合考虑后确 定，宜为30%～80%；

取

——集热器全日集热效率，无量纲，根据经验取值宜为0.25～0.50，取

—管路及储水箱热损失率（按最寒冷季节取值），无量纲,取

4.3集热器类型选择

选用采用真空管型集热器.

集热器内的水受太阳能辐射能加热，温度升高，密度降低，加热后的水在集热器内逐步上升，从集热器的上循环管进入储水箱的上部；

与此同时，

储水箱底部的冷水由下循环管流入集热器的底部。

密度差支持自然循环的高度。

真空管型集热器的吸热部件是真空管，具有以下特点：

真空集热管具有真空夹层，空气对流和传导几乎为0，保温性能非常好

（就象保温瓶一样），热损系数非常小，全玻璃真空管的热损系数都在以下，远小于平板集热器。

空晒温度达到200℃以上，部分达到

280℃左右。

真空集热管是圆柱形的管状，太阳从不同方向入射时其截面不变，因此具有准跟踪性能，即早晚阳光较偏时得热量也较高。

同时对各个角度的光线都有吸收，对散射光吸收也较 好，因此在散射光较多的多云天气和略阴的天气，效率也较高。

真空管接收光照示意图方案一全玻璃真空管集热器

太阳能集热效率高、成本低。

当太阳光透过外管，照射到内管外壁时，

镀有选择性涂层的内管外壁将太阳能转变成热能，并传给内管中的工质。

由于内、外管之间被抽成了真空，再加上选择性涂层对太阳光的高吸收率、低红外发射率，从而最大限度的减小了散热损失。

全玻璃真空管的空晒温度可以达到200℃ 以上，能轻松的将冷水烧开。

全玻璃真空管在中、高温区域具有较高的集热效率，同时在一18℃的温度下，仍能正常产生热水。

全玻璃真空管集热器有它的缺点：

真空管破碎后管内介质泄漏；

真空管与联集管采用橡胶密封，不能承压运行。

方案二U型管式全玻璃真空管集热器

U形管全玻璃真空管集热器工作原理是：

在太阳光照射下，全玻璃真空管内管吸收太阳辐射能，内管内壁及内管内的空气被加热达到较高的温度，铝翼片将热能传递给U形铜管外壁，再传给U形铜管内的液体介质（一般为防冻液），通过联集管内液体介质的循环流动，将热能带走。

U形管集热器的优缺点如下：

优点：

1．真空管内不走水，不存在炸管泄漏问题；

2．可以承压运行；

3.可

以任意摆放。

缺点：

1．热效率显著下降；

2．成本显著增加；

3．系统阻力大，循环介质容易过热汽化。

用户处于湖北地区，气候条件相对北方地区相对稳定事宜一点。

属于对防冻要求不高的地区的中小型热水系统。

考虑到U型管式全玻璃真空集热管的造价较高。

而且采用强度较好的材料就能一定程度上防止碎管。

从效率、环境、经济、结构、管理方便性上的我们选择方案一即分体式全玻璃真空管集热器

4.4全玻璃真空管集热器的结构构造和技术参数

（1）全玻璃真空的基本结构

全玻璃真空管由外玻璃管、内玻璃管、选择性吸收涂层、弹簧支架、消气剂等部件组成，其形状如一只细长的暖水瓶胆。

图3—全玻璃真空管结构示意图

1.外玻璃管 2.内玻璃管 3.选择性吸收涂层4.真空

5.弹簧支架6.消气剂7.保护帽

全玻璃真空管的一端开口，将内玻璃管和外玻璃管的管口进行环状熔封；

另一端分别封闭成半球形圆头，内玻璃管用弹簧支架支撑于外玻璃管上，以缓冲热胀冷缩引起的应力。

内玻璃管用来作为水的流动管道。

在内玻璃管和外玻璃管之间的夹层抽成高真空。

在外玻璃管尾端一般粘结一只金属保护帽，以保护抽真空后封闭的排气咀。

内玻璃管的外表面涂有选择性吸收涂层。

弹簧支架上装有消气剂，它在蒸散以后用于吸收真空集热管运行时产生的气体，起保持管内真空度的作用。

（2）真空管选材和镀膜

真空管材质要求：

真空管采用硼硅玻璃3.3（氧化铁含量5%以下；

稳定性好；

热膨胀系数低为3.3×

10-6/℃；

耐热冲击性好，耐热温差大于200℃；

有较高的机械强度；

较好的抗化学腐蚀性能；

具有良好的光学性能，透光率

≥0.89）。

采用高真空磁控溅射镀膜工艺，采用铝-氮/铝太阳选择性吸收涂

料，均匀地涂在内玻璃管的外表面，用来吸收太阳辐射能。

不仅获得了更低的发射率，而且使膜层与衬底的结合更牢固，更耐用，20年使用寿命内不脱落。

（3）真空管技术要求：

①空晒性能参数y≥175m2•℃/kW（当太阳辐照度G≥800W/m2,环境温度

t在8～30℃之间）；

②平均热损失系数≤0.9W/m2·

℃

③真空度≤5×

10-2Pa；

④耐热冲击应能承受25℃以下冷水和90℃以上热水交替反复冲击3遍而不损坏；

⑤耐压冲击应能承受0.6Mp的压力；

抗冰雹能力；

（4）真空管的计算

Aa＝L2×

d×

N

式中：

Aa采光面积；

L2真空管未被遮挡的平行和透明部分的长度；

d

罩玻璃管内径（外径减去两边的厚度）；

N真空管数量；

一般情况下，真空管未被遮挡的平行和透明部分的长度取1.71m；

罩玻璃管壁厚1.8mm，则58管内径0.0544m，47管内径0.0434m。

如：

直径58mm，长度1800mm

真空管的采光面积：

1.71m×

0.0544m=0.09302

直径47mm，长度1500mm

1.41m×

0.0434m=0.0612

每只集热管带水

选择47管直径47*1500集热管60支（集热面积3.67 ，配水量160-

180L平均每只管带水2-3L）从而提供160L热水

（5）集热器的整体基本结构

组成：

真空管、联箱、尾座、支架等。

若干支真空管按照一定规则排列成的真空管阵列与联集管（或称为联箱）

、尾托架和反射器等部件一起组成一台真空管集热器。

全玻璃真空管为竖直排列（南北向）

全玻璃真空管集热器采用方形结构，用不锈钢板制作，集热器配管接头焊接在联箱的两端。

联箱的一面或两面按设计的真空管间距开孔，真空管的开口端直接插入联箱内，真空管与联箱之间通过硅橡胶密封圈进行密封。

为了提高真空管集热器的性能在真空管阵列的背面增设了反射板，采用铝板或涂白漆的平板制成。

因为反射板长期暴露在空气中，容易积聚灰尘和污垢，需要经常清理，否则反射效果会受到影响

主视图



全玻璃真空管集热器结构示意图

1.全玻璃真空管 2.联集箱 3.保温层4.保温盒外壳

5.密封圈 6.配管接口 7.反光板 8.尾座

侧视图

（6）集热器的安装

安装角度集热器的安装倾角可按下式确定：

使集热器全年得热量最大时，θ＝Φ

θ：

集热安装倾角Φ：

安装地的纬度集热器的集热效率在夏季最高，安装倾角可由当地纬度减10°

来确定。

即θ=Φ-10°

去确定集热器安装倾角。

用户所在地区纬度为30.52°

。

所以集热器安装角度为21°

4.5储水箱及制造图

根据系统的需要，水箱可设计成为卧式圆柱形水箱。

由内胆、保温层、外壳三部分组成。

（1）储热水箱材料规格

a.水箱外壳：

水箱外壳材料选用厚度δ≥0.4mm的彩钢板（或不锈钢或镀铝锌板），强度高，耐腐蚀。

b.水箱内胆：

水箱内胆材料选用厚度δ≥0.5mm的进口SUS304-2B食品级不锈钢板经自动氩弧焊焊接加工制成，304不锈钢板含碳量低，因此焊缝质量高，不易锈蚀。

其性能可确保水质可达到饮用水标准。

内外保温钢板间设置骨架。

c.水箱保温：

采用进口聚氨酯360度立体整机发泡，恒温熟化设备恒温熟化处理，厚度δ≥50mm，可保证储热水箱保温。

水箱外保温为整体聚氨酯发泡，聚氨酯泡沫的导热系数在

0.018～0.022W（m·

℃）之间

根据上面计算，用户热水用量为160L。

通过查表计算可选取长度1000mm,直径600mm的规格。

储水箱开口：

用热水口应位于水箱的底部，不低于排污口。

而且应高于电加热管的位置，以确保电加热管始终浸没在水中，防止电热管无水干烧。

下循环口位于水箱的底部，但应不低于排污口，不高于用热水口（落水法）。

上循环口位于水箱的中上部。

储水箱整体结构如下图

卧式圆柱形封闭水箱

下循环管；

上循环管；

外壳封头；

箱体；

水箱内胆；

保温层；

7-进排气管；

8-三通；

9-进水管；

10-排污口；

11-水位水温感应器；

12-电辅助加热

（2）储水箱的安装

储水箱的安装在室内屋顶下，约高于集热器顶端联管0.3-0.5m左右。

4.6太阳能热水系统辅助热源的选择

采用直接电加热方式

在贮水箱的底部设置电加热装置，通过控制系统对电加热实现定时、定温等控制。

控制系统采用整套发展已经很成熟的电控技术，对水位、水温以及电加热进行控制。

4.7输水管道类型阀门类型

（1）管道规格选择

集热器与储水箱的循环管道采用塑覆铜管。

塑覆铜管它是一种用含铜量99.9%的无缝T2紫铜管为基体，外壁覆上具有特殊造型的聚乙烯为主体及其它多种添加剂的保温层，经物理和化学反应相结合而成的的新一代供水管材，特别适合用做热水管。

由于铜管容易加工和连接，使其在安装时，可以节省材料和总费用，稳定性可可靠性，可省去维修。

对相同内径的绞螺纹管而言，铜管不需要黑色金属的厚度。

当安装时，铜管的输送费用更小，维护更容易，占用空间更小。

塑铜是易连接的。

铜是安全的。

不渗漏、不助燃、不产生有毒气体、耐腐蚀。

铜管

质地坚硬，不易腐蚀，且耐高温、耐高压，可在多种环境中使用。

储水箱与室内用水铺设的管道采用薄壁不锈钢管保温管。

薄壁不锈钢管保温管厚度为0.7～1.2mm的不锈钢板制成的15～50mm的给水管，通过管壁薄壁化，可大大降低管材的成本。

不锈钢管强度高，耐压、耐高温，使用寿命长，适用范围广。

外包30mm左右的丁腈橡胶、聚氯乙烯（NBR，PVC）为主要原料的保温材料。

楼层间主管道外径35mm内径32mm。

每层楼分水管外径28mm内径25mm

（2）管道水力计算

集热器与储水箱上下管保温材料厚度

管道外径 内径

保温层导热系数

未保温管道的外表面温度

保温后的允许热损失

热水箱热损

每小时降低2.5度

管段沿程损失

单位长度沿程水头损失

海澄-威廉系数管道计算内径一楼管路损失

二楼管路损失

一楼喷水口自然流速

二楼喷水口自然流速

水的实际流速通过阀门和水龙头调节。

一般的使储水罐出水速度为左右。

（3）管路的铺设

自来水地面通到储水罐。

然后从顶楼储水罐处顺着墙壁穿过层地板进入

2楼和1楼用水区域。

楼层内用三通管、阀门、水龙头进行每层用水管道的铺设。

（4）阀门的类型

阀门包括截止阀和节流阀、球阀、安全阀、自动排气阀（吸气阀）、电磁阀

4.8系统布局平面布置图

（1）太阳能热水系统示意图

太阳能热水系统示意图

（2）系统结构图

集热器；

管；

水箱；

上循环管；

下循环

热水管；

进水管；

喷淋头；

球阀；

冷水嘴；

10-温水

嘴；

11-三通；

12-电辅助加热控制系统

太阳能热水系统整体结构简图

5技术经济分析

对各部分的价格进行估算。

分析太阳能热水器的经济可行性。

集热器：

材料

数量

单价

合计

全玻璃真空管

60

10元

600元

附件

100

100元

不锈钢支架及外壳

4

60元

注释：

附上加工费，集热器的成本投入约为800元。

热水箱：

内胆304不锈钢

2.0

56元/

112元

保温材料聚氨酯

0.1

3640元/

364元

外壳202不锈钢

2.5

6元/

15元

附件（阀门等）

储水箱造价约600元

管道水管

塑覆铜管

3m

65元/

195元

不锈钢保温管

30m

12

360元

保温材料

300

300元

阀门

15

6

90元

水浴龙头加喷头等

2

160

320元

普通用水龙头

5

20

其他附件

储水箱造价约1385元

加上电控系统，总造价3000元左右。

（估计过程，叫粗略）

6结语

通过这次对太阳能热水系统的设计，我们更加深刻的明白了太阳能所具有的巨大潜能，系统的学习太阳能热水系统的工作原理、结构性质。

对太阳能热水系统的构造材料的选择、集热面积的计算、管路的铺设等细节也有了一个更加全面和形象的了解。

这是一次理论与实践的相结合。

在设计的过程中，我们设计人员分工明确，相互配合，才能利用所学知识，设计出一套适合自家住宅使用的热水系统。

设计的过程比较复杂，在计算的细节上，我们可能不够完善。

我们将重点放在集热器、水箱的的设计、管路循环的构建以及图纸的绘画上。

在关键计算和图纸上，坚决自己动手操作！

！

对于设计过程中出现的考虑不周等现象，我们希望老师能够批评指正。

最后感谢每一位参与到这份设计的人员，包括我们组员和指导老师！