閉式太陽能熱水系統設計方案——熱水器資料庫

　　一、 太陽能熱水系統原理、集熱面積計算

　　1、太陽能集熱原理圖

　　運行原理：

　　集熱器溫度探頭T1

　　三個儲水箱溫度探頭T2-1,T2-2,T2-3 

　　(1)溫差循環：三個水箱依次循環。儲水箱C與集熱器的溫差循環為先，當集熱器的溫度T1-1與儲水箱C的溫度T2-3之差大于10度，即(T1-1-T2-3≥10℃)循環泵P1啟動，當兩者溫度之差小于5度(T1-1-T2-3≤5℃)，循環泵停止循環;當儲水箱C內的溫度到達50℃時，系統自動轉換到儲水箱B水箱的集熱循環，依次循環。

　　(2)供水：采用變頻供水，以儲水箱C為供水水箱，保持儲水箱C內的水溫不低于45℃，且水箱內的水量隨用隨補。

　　(3)輔助能源(電鍋爐B)：當水箱C內的水溫低于40℃時，鍋爐啟動，到達45℃停止，保持水箱C內水的溫度。早上4：00前系統監測水箱C內的溫度，若低于35℃，則利用低谷電將水箱C內的水溫加熱到40℃，來滿足早上的用水要求。

　　(4)過熱保護：當集熱器的內介質的溫度高于90℃時，散熱器開始工作將管道溫度降至80℃。溫差循環泵P與Pb一備一用，兩臺循環泵交替使用，避免水泵工作時間過長，壽命降低。

　　(5)系統設計將每周對水進行高溫加熱至60℃，防止軍團菌的滋生。

　　(6)為防止水在水箱里高溫結垢，系統設計在進冷水處安裝凈化水裝置。

　　(7)管道循環：當管道溫度低于30℃，電磁閥DCF3打開，通過管道壓力變化啟動循環泵P4進行管道循環，當管道溫度到達35℃時，電磁閥關閉，停止管道循環。

　　2、閉式太陽能熱水系統基本條件：

　　1)、基礎水溫：15℃

　　2)、太陽輻照資料

　　根據國家氣象中心提供的《中國氣象輻射資料年冊》(2001年)中，北京(區站號：54511;東經：116°28′;北緯：39o48′;觀測點海拔高度：31.3m)的月日均及年總輻射數據(單位MJ/m2)：

　　水平面上的年均日輻射量為：14.46 MJ/m2,考慮集熱器采光面積與水平面的夾角為37°，斜面系數按照1.05，采光面上的日均輻射量為14.46×1.05=15.183 MJ/m2。

　　3、閉式太陽能熱水系統集熱器總面積

　　1)直接系統集熱器總面積：

　　式中：

　　Ac——直接系統集熱器總面積，㎡;

　　Qw ——日均用水量， 15000kg;

　　tend ——貯水箱內水的設計溫度(用水溫度)，45℃;

　　Cw——水的定壓比熱容，4.18KJ/(㎏·℃);

　　ti ——水的初始溫度，15℃;

　　J t ——當地集熱器采光面上的年均日太陽輻照量， KJ/㎡(集熱器采光面上的輻照量為水平面上的輻照量做一修正：14460KJ/㎡×1.05=15183 KJ/㎡);

　　f ——太陽能保證率，無量綱，取0.63;

　　ηcd ——集熱器全日集熱效率，0.50;

　　ηl——管路及儲水箱熱損失率，0.15;

　　2)間接系統集熱器總面積：

　　式中 A in——間接系統集熱器總面積，㎡;

　　F R 、U L ——集熱器總損系數，W/(㎡·℃);采用真空管集熱器，取值1;

　　Uhx——換熱器傳熱系數，W/(㎡·℃);4826 W/(㎡·℃)

　　A hx ——換熱器的換熱面積，㎡;1.68㎡

　　計算間接系統的集熱器總面積為178.2㎡,單臺集熱器的采光面積為2.23㎡，則需要安裝79.9臺，取整安裝80臺U型管集熱器總集熱面積為：178.4㎡。陰雨天氣和冬季由輔助能源電鍋爐提供。

　　二、太陽能集熱系統的自動注液裝置

　　集熱系統采用封閉式間接換熱方式，系統正常運行壓力0.2～0.3Mpa(屋面集熱器系統).為了滿足系統的正常壓力，保證系統的正常運行，在集熱系統中設置穩壓裝置。

　　自動注液由太陽液貯存箱、注液泵、壓力控制器、壓力罐等組成。

　　運行方式：當太陽能集熱管路中的壓力小于0.15MPa(注液設備在屋面)時，啟動注液泵進行注液，同時壓力增加，當管路中的壓力大于等于0.25MPa(注液設備在屋面)時,注液泵停止。首次注液時，啟動注液泵，同時打開閥門F1,同時關閉閥門F2，當系統壓力達到設定值時，首先關閉閥門F1,然后打開閥門F2，最后停止注液泵。

　　三、閉式太陽能熱水系統水箱的恒溫控制與殺菌

　　熱水系統中近年發現軍團菌，在世界各地都有類似的疫情報告，軍團菌普遍存在于有水的環境中，軍團苗本身存活能力不強，冷凍與加熱均能殺死該菌。它的存活、繁殖溫度條件為35-46℃。通常在管道中滯留與停留的支管、盲管及系統中的垢瘤與銹渣;處于35-46℃的熱水管線、貯水罐、熱水器等;垢瘤與生物膜(粘泥)是軍團菌賴以生存的棲身之處;

　　軍團菌的防治措施：

　　熱休克法：把水加熱到60一80℃，然后經閥門放空以實現系統殺菌。這種方法費用高，能耗大，操作困難，效果不明顯。但已確定為緊急狀態下的措施。

　　氯氣殺菌：使水中含游氯在1-2mg/L，此時水雖略有異味，但尚可飲用，唯對設備腐蝕嚴重。業主除非迫不得已，不預采用。

　　紫外線殺菌：此方法可以殺死軍團菌，但管道內一旦生成生物粘膜，紫外線失去效能。

　　臭氧：在水中通入l-2mg/L臭氧殺死軍團菌十分有效，但臭氧對人體也有害，所以要有一套設備消除殘余臭氧，因而投資大，不宜用于小規模供水系統。在城市供水系統使用臭氧殺菌，國外比較普遍。

　　銀/銅離子器：水流經過產生銀/銅離子的極板時獲得離子。銀離子在銅離子的系統作用下是特別有效的軍團菌殺菌劑。這一技術問世已經有三十年，近十年來由于殺滅軍團病的特殊功能，在國外醫院、宿舍、住宅區等已經得到廣泛應用。眾多的“守則”中認為這一方法設備簡單，操作容易效果好。但是極板被污垢覆蓋時，需要清洗。在目前已有的方法中，離子殺菌是比較理想的方法。

　　結合工程基本現狀，本方案采用熱休克法，即提高供熱水箱的供水溫度，將水溫提高到50℃，在該溫度段90%軍團菌在2小時內死亡，管路系統定期，用70℃熱水消毒。

　　四、閉式太陽能熱水系統用水末端管理(節能、節水)

　　根據工程現狀，本著節能、節水的原則，對衛生器具(淋浴噴頭)實行可控化管理，IC卡或射頻卡是近年來逐步完善、成熟的用水末端管理技術。

　　售水管理軟件主要實現用戶購水、客戶管理、統計分析幾個部分的功能。

　　通過與專用IC卡讀寫器的連接，售水軟件方便的實現了用戶刷卡買水。同時對各用戶長期購水量的統計，自動檢測出用水異常的用戶，以便售水部門進行檢查核對，有效快捷地發現違法用水的現象。對水量的統計分析，可作為用水管理部門調度后期用水的參考。

　　系統組成：

　　其中“IC卡管理”欄目里各項功能簡介如下：

　　購水卡：即用戶卡，每一水表對應一張購水卡。用戶持本卡去營業廳購水，并回家刷卡用水(第一次購水后刷卡能同時初始化水表)。購水卡包含用戶信息，插入時水表將檢驗用戶密碼，因此不同水表的購水卡不能交叉使用。有效避免了一些意外情況對用戶造成的損失(如卡丟失時，卡內的水不會被別人盜用)。

　　抄表卡：能復制舊水表已有信息，在新水表上再把信息拷貝進去，方便地實現新舊水表之間的數據傳遞，一般更換水表時使用此卡。通過與售水系統交換數據，也可作為統計實時水量的依據。

　　清零卡：清除水表內已有的用戶信息和計量信息，使表變為空表，可以重新使用。

　　授權卡：用于對新表的授權，授權后的水表屬于本售水管理系統，歸本售水管理系統管理，只能在本系統上對水表進行操作(如開戶、購水等)。

　　JDR-8型水表適用于校園，機關單位等各種場所。其工作原理同我公司即插即用水表一樣。即用戶將卡放在控制器的卡槽內，控制器檢測到卡內有水則會控制水表閥門開啟，用戶即可用水?？刂破鞲鶕脩粲盟髁靠鄢▋人?。

　　1、主要特點：采用MIFAREONE非接觸射頻卡。

　　(1)﹑MIFARE卡是一種比較適合校園一卡通應用的非接觸式射頻卡，使用安全方便。

　　(2)﹑MIFAREONE卡(1Kbits)分16個數據區，每塊數據區都有相應的一套密鑰

　　管理方法，且相互間獨立，JDR-8型水表讀寫數據只占用其中的一個數據區;水表管理部門可根據其實際需要實現通卡可能，即用一張IC卡實現在售水、考勤、食堂售飯等多種用途上，讓考勤、售飯系統等產品可以占用IC卡其余數據區進行讀寫操作。IC卡的可擴展性及兼容性較好

　　(3)﹑MIFARE卡的密鑰校驗是通過隨機數校驗，每次的校驗傳遞數據都是不一樣的，而且數據校驗完全在卡內部進行，是當前比較安全的校驗機制，被破解的可能性微乎其微，相對于普通卡片而言其數據安全性大大提高。且卡內設有防沖突機制，從卡型上確保了系統的技術的先進性和可擴展性

　　(4)MIFARE卡是非接觸射頻卡，表具可以完全密封，防潮性能非常好，適用于學生浴室等潮濕環境。

　　2、JDR-8型水表根據其表體結構分為兩種：一體式表和分體式表。

　　a、一體式表即整個表具為一體化設計(整體式表)，水表控制器安裝于出水口的管道上，水表外接一個220V交流電輸入+5V直流電輸出的電源變壓器，以+5V直流電給水表控制電路供電，水表結構緊湊，學生或用戶用水時，控制器根據用水流量扣除用戶卡卡上購買水量，同時水表液晶顯示屏顯示剩余水量情況。

　　b、分體式表，即水表控制器和基表分開安裝，閥門安裝在基表內部，通過一條數據控制線將基表與控制器連接起來，控制器決定閥門是否應開啟，同時基表將用戶用水信息通過控制線傳輸給控制器，控制器根據用水信息對用戶卡內金額進行扣減。控制器液晶屏顯示用戶卡內剩余金額信息。基表與控制器之間的控制線有斷線保護功能，控制線一旦發生線路斷開則閥門自動會檢測到并關閉閥門。分體式水表的控制器也是采用外接一個220V交流電輸入+5V直流電輸出的電源變壓器，以+5V直流電給水表控制電路供電，如果電源斷電時電路也會自動檢測并將閥門自動關閉。

　　3、JDR-8水表根據用戶需要設有兩種扣費方式：

　　a、管理部門定義水價，售水管理軟件將用戶買的水量寫入卡中，用戶將卡放入水表卡槽，則水表電路會先扣除卡上一定水量(引參數可在售水管理軟件中設置，如50L水)，此時用戶用水過程中可拿走IC卡，但如果用戶用水水量超過預扣的那部份水時，則閥門將自動關閉，除非此時卡仍插在表內，表電路部份會再從卡上扣除一定水量(與上相同)。同樣，如果用戶沒有用完先前扣除的水量，則可以將用戶卡插入表內，控制器會將剩余水量返寫到用戶卡上。

　　b、管理部門定義水價，管理軟件將用戶買的水量寫入卡中，用戶需用水進，則將IC卡插入卡槽，則控制器檢測到卡內有水則水表閥門開啟，水表根據用戶用水流量實時扣減卡上水量，當卡內水用完或則控制器判斷到卡槽內卡已拔出則閥門自動關閉。

　　五、閉式太陽能熱水系統遠程監控系統

　　終端系統

　　本系統為計算機化監控系統，直接控制系統，它對測量數據的處理以及控制算法都是以數字計算為基礎，通過軟件實現的。硬件主要由主控計算機、遠程I/O模塊、傳感器及執行器等部件組成;軟件采用工控組態軟件，將各種輸入信號通過數據總線直接接到計算機輸入端口，從而實現數據采集與控制管理保護功能。其工作原理圖及系統結構圖如下所示：

　　其中現場監控計算機一方面對現場設備進行監控，一方面作為INTERNET傳輸過程的服務器，專門接收客戶方提出的要求;遠程監控計算機通過訪問現場監控計算機實現異地對現場的監控。

　　1、現場監控計算機：是計算機監控系統的核心，它的主要特性如下：

　　1)現場監控計算機的工作過程完全由預先組態后的軟件決定，而常規儀表是由電子邏輯電路或其它機械硬件邏輯實現，控制管理功能是由軟件還是由硬件實現是計算機控制與常規儀表控制的主要區別;

　　2)本系統運行用IFIX組態后的軟件，將各種輸入信號通過數據總線直接接到計算機輸入端口，從而實現數據采集與控制管理保護功能，而不是像常規儀表控制器由各自獨立的一對一的單回路控制或保護電路構成，如此主控計算機就有可能全面考慮控制對象的各種參數，對其進行統一的系統性的控制﹑保護及管理;

　　3)主控計算機可以通過圖形化的界面與用戶進行信息交流，如各種參數狀態值、警報的信息框、動態變化過程等，大大方便了用戶管理。

　　2、現場模塊

　　由PLC完成數據的采集和現場控制以及信號的發送，再通過RS485通訊方式將信號傳送至轉換器，轉換成能與計算機串口連接的RS232通訊方式。

　　3、傳感器

　　傳感器感測出需要監測控制的各種物理量并將其變為電信號送至計算機，相當于主控計算機的眼睛。本系統將各類參數的狀態以電壓信號等方式傳送至現場模塊，主要有溫度傳感器和液位傳感器。

　　4、執行器

　　即可由計算機直接控制的各種開關、閥門及水泵，計算機通過調整執行器來實現具體控制功能，相當于主控計算機的手和腳。控制器通過現場模塊的兩類輸出通道與執行器連接：

　　1)開關量輸出通道(DO)。它可以由控制軟件將輸出通道設置成高電平或低電平，通過驅動電路即可帶動繼電器或其它開關組件，也可以驅動指示燈顯示狀態;

　　2)仿真量輸出信道(AO)。輸出的信號是0～10V的電壓，其值的大小是由控制軟件決定的，由于計算機內部處理的信號都是開關量信號，因此這種可連續變化的仿真量信號是通過數字-仿真轉換電路(D/A)產生的。本系統中僅涉及到開關量輸出通道。

　　5、通訊網(屏蔽雙絞線)

　　為減少對信號的干擾，整套系統均用屏蔽雙絞線進行信號的傳輸。

　　主要功能

　　a、常規功能

　　◆水位、水溫實時顯示

　　◆水位、水溫設置

　　◆自動上水或遠程手動上水

　　◆自動定溫上水

　　◆自動最低水位保護

　　◆自動報警、自動止鬧

　　◆恒溫出水

　　b、特殊功能

　　◆用戶密碼安全管理，可避免未授權用戶對系統的操作及查看，實現安全管理;

　　◆電子簽名功能，自動記錄系統運行情況及系統操作者的任何操作，以便查閱;

　　◆系統日志功能，可對系統的運行情況進行記錄以便查閱

　　◆自動故障診斷功能，設有通訊故障診斷功能，可在極短時間內報告故障的發生，并診斷出出現故障的設備，以有助于現場工程師及時排除險情;

　　◆報表功能，自動生成系統運行記錄表及數據曲線，并根據用戶要求自動生成報表，以方便用戶掌握系統當天的運行情況;

　　◆遠程監控，對于不在同一區域，二者相隔甚遠的，可通過INTERNET遠程訪問用戶的主控計算機，對工程進行巡檢，查詢運行參數和診斷系統故障，隨時掌握系統的運行情況。

　　監控界面

　　現場監控系統主要由系統監控、趨勢曲線、報警顯示及報表四個畫面組成，其中系統監控界面為主畫面，以實際系統結構圖作為軟件的運行界面，其監控參數及工作狀態都直觀明了;趨勢曲線畫面主要顯示實時數據及歷史數據的趨勢變化過程，可直觀的顯示系統的運行情況;報警顯示畫面則為操作員提供了可視化的提示信息，包括水泵、電磁閥、電加熱等的開關狀態報警，水位、水溫的高低限報警等;報表畫面則可根據用戶要求隨時生成不同時間間隔及采樣模式的日報表或圖表，以便于統計與分析。

　　監控中心

　　為提高皇明太陽能系統工程智能控制的技術水平，提高售后服務，和采集系統工程運行數據，不斷改善產品的質量和穩定性。特在東廠設立“太陽能系統工程遠程監控中心”，以提高皇明太陽能系統工程在市場上的競爭力。

　　主要技術是通過TCP/IP網絡進行數據傳輸，在機房內將PC機的數字視頻轉化為模擬視頻，再進行切換和監控的原理實現。

　　正常情況下，現場工控機通過互聯網將數據實時傳回中心機房，存入數據庫。在互聯網不能的情況下，可手動轉用電話線拔號至中心機房連接，保證數據不中斷。

　　六、閉式太陽能熱水系統防過熱保護器的設計和選型

　　太陽能系統在太陽能輻照量較好的夏季，若用水量持續偏小或不用水，將會造成系統溫度過高，系統壓力增加。在這種工況下，太陽液(傳熱介質)穩定性差，同時對太陽能集熱器自身的壽命有一定的影響。

　　為了避免這種現象的出現，保障系統的正常運行，在系統中安裝了過熱保護器。當三個水箱中的溫度均超過80℃，太陽能集熱器的溫度超過90℃時，常開電磁閥DCF5關閉，將太陽能過熱保護器串聯在集熱系統中，進行散熱;當三個水箱中有一個水箱中的水溫低于80℃或集熱系統中的溫度低于90℃時，關閉電磁閥。

　　太陽能過熱保護器的計算選型

　　太陽輻射強度數據的統計

　　太陽輻射強度(w/㎡)是太陽輻射表采集的基本數據，在國家氣象局提供的數據為太陽輻射量(MJ/㎡)。缺乏北京地區的太陽輻射強度基本資料，由于北京、山東太陽能資源基本相同，為此，以我們公司在德州自測的數據作為計算基礎。

　　根據以上統計，太陽輻射強度取值1000w/㎡,系統集熱面積為178.4㎡,采光面上的輻射強度為178.4KW。集熱效率為0.5,則太陽能集熱系統收集的熱量為89.7KW。太陽能熱水系統過熱保護器，借用空調室外機。初步選用TCL空調室外機，型號為DZR—280W/A,散熱量為84KW，運行工況為液體溫度38～42℃，室外空氣溫度為35℃。太陽能集熱系統過熱保護時運行工況為管內液體溫度為90℃，室外空氣溫度為35℃左右。選用該型號散熱器能夠確保系統的過熱保護。

　　七、閉式太陽能熱水系統輔助電加熱設備的選型

　　根據建筑中的用水器具，計算小時耗熱量

　　w——設計小時耗熱量， (KJ/h);

　　qh ——衛生器具一小時的熱水用水定額(L/h);

　　c——水的比熱(KJ/kg·℃);

　　tr ——熱水溫度(℃);

　　tl ——冷水溫度(℃)

　　n0 ——同類衛生器具的數量;

　　b——同類衛生器具在一小時內使用的百分數。

　　合計小時耗熱量為：199.077KW。

　　耗電功率的計算

　　電鍋爐的功率為205KW。

　　八、閉式太陽能熱水系統板式換熱器的選型

　　在以往工程設計中，板式換熱器設計計算均采用手算，方法有以下兩種：

　　簡易算法：假定理論傳熱系數，求出換熱面積，選定廠家及換熱器型號，計算板間流速，通過廠家樣本提供的傳熱特性曲線及流阻特性曲線，查出實際傳熱系數及流阻，經過反復校核得出滿足工藝條件的結果，最終確定換熱器型號及換熱面積大小。這種算法的優點是計算簡單，步驟少，時間短;缺點是結果不準確。造成結果不準確的原因主要是樣本所提供的傳熱特性曲線及流阻特性曲線是一定工況條件下的曲線，而設計工況可能與之不符。

　　標準算法：選定廠家，根據角孔流速確定換熱器型號，從手冊查出在設計工況下冷、熱介質的各種物理參數，根據廠家樣本提供的傳熱經驗公式及流阻經驗公式進行熱工計算，求出傳熱系數及流阻，經過反復校核得出滿足工藝條件的結果，最終確定換熱器型號及換熱面積大小。這種算法的優點是計算結果準確;缺點是計算復雜，步驟多，時間長。

　　利用計算機進行板式換熱器設計計算，充分發揮了計算機運算速度快的特長，一個計算在微機上幾秒鐘內就能完成，且結果的準確性是手算難以達到的。另一個主要特點是程序中存貯了計算所需的不同水溫時水的各種物理參數及板式換熱器定型設備的所有參數，設計人員在計算機上進行計算時只需輸入工藝條件(如水量、水溫、流阻等)就能馬上得出計算結果，這為設計人員提供了極大的方便。計算人員還可以輸入不同的工藝條件(如水量、水溫相同，流阻不同等)得出不同的計算結果，或更換換熱器型號以得出不同的計算結果，通過對結果的比較、優化，最終選定既經濟合理又性能可靠的板式換熱器。

　　換熱量95.2KW(稍大于計算散熱功率)

　　熱媒進出口溫度：60℃，出口溫度50℃。介質為50%乙二醇水溶液

　　加熱熱水進出口溫度：40℃，出口溫度45℃，經過處理的自來水

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