办公场所都太阳能空气能多热源热水采暖系统设计.doc

山东科技大学学士学位论文摘 要 本毕业设计的课题背景是当前我国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。 当前资源及环境形势不容乐观，可持续发展、保护环境成为我国的基本国策。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。本文在说明目前情况后，提出采用太阳能和热泵结合的形式制取热水，提供采暖，并且详细叙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最近数年的研究状况。本文结合青岛地区实际情况和建筑特点，通过计算、图表等方法，完成系统重要部件选型、连接，并采用有效的控制系统，设计出一个完整的太阳能空气源热泵采暖系统。最后，通过对该系统与其它供暖方式的经济性分析比较，表明该系统达到了经济、高效、节能的要求。关键词：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 source 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 proportion, 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 system 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 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 ；Economic Performance 目 录摘 要IAbstractII1 绪 论11.1我国建筑能耗现状11.2太阳能资源和利用技术简介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其他设备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传统集中采暖方式344.3户式中央空调354.4电采暖364.5不同采暖方式经济性比较364.6本章小结375 结论38参考文献39致 谢 41附 录42481 绪 论随着国民生活水平的提高，建筑总量的大幅增加，建筑物能量消耗不断增加，这在一定程度上加剧了资源紧张和环境污染的状况，所以，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，可以有效节约资源，符合可持续发展以及生态环境建设的要求。1.1我国建筑能耗现状1.1.1我国能源利用背景概述 在当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。我国是一个能源生产大国，也是一个能源消费大国。从目前能源供需状况来看，我国能源发展主要存在以下问题：一是能源资源约束十分严重，我国常规能源探明总资源量约8200亿吨标准煤，主要以煤炭资源为主，石油、天然气很小。能源的不足已经成为制约我国社会经济发展的关键环节；二是我国能源资源地域分布不均匀，80%的能源资源分布在西部和北部地区；三是能源供应过分依赖煤炭，环境污染问题严重。目前煤炭消费占全部能源消费总量的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，是造成大气环境污染的主要原因；四是能源利用技术落后，能源利用效率低。目前，我国经济的快速增长在很大程度上是靠消费大量物质资源实现的，我国单位产出的能耗和资源消耗水平明显高于国际先进水平。能源利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关键问题。在人类面临着能源危机的同时，同样面临着由于使用化石能源而带来的环境问题，主要表现为酸雨、臭氧层破坏、温室气体排放等。在许多发展中国家，城市大气污染已达到十分严重的程度，形成了广泛的环境酸化，酸性气体所造成的腐蚀损失，每年高达10亿美元。我国以煤炭、石油为主的能源结构也造成了严重的大气污染，二氧化硫和二氧化碳的排放量都居世界前列。因此，改善能源结构，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标。1.1.2 我国建筑能耗现状随着国民生活水平的提高，建筑总量的大幅增加，人们对居住舒适度要求的提高，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一直到建筑物使用全过程包括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，包括照明、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。国际上通常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、交通运输业的能耗并列三大能耗。我国建筑能耗指建筑使用能耗。随着能源种类结构的改善，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。大量高能耗建筑的存在，使得我国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明，我国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家标准的3倍以上2。综上分析可见，住宅建筑节能已成为我国经济社会可持续发展以及生态环境建设的必然要求。图1.1 建筑物能耗占比31.2太阳能资源和利用技术简介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、时间长久、无所不在、毫无污染等独特优点将成为人类最终获得一种用之不竭、无污染、到处都有的可再生能源的理想选择。太阳能作为一种巨大的可再生生淸活能源，每大到达地球表面的太阳辐射能为5.57MJ，相当于190万亿吨标准煤4，约为目前全世界一次能源消费总量的1.56倍。我国地处北半球欧亚大陆的东部，主要处于温带和亚热带，具有较为丰富的太阳能资源。根据全国700多个气象台站长期观测积累的资料表明，中国各地的太阳辐照年总量大致在3.35xMJ/m之间，其平均值约为5.86xMJ/平方米5。利用好太阳能是确保能源供应的重要战略措施，必须予以高度重视。在商业化巿场下，近30年来太阳能利用技术有了长足的发展，成为世界快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，未来全球能源的主流就是太阳能。我国自上世纪70年代以来，太阳能利用有了较快的发展，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：由于在太阳能光热利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，因此我国在大部分地区的建筑物中推广应用太阳能热利用技术己具备了良好的资源条件，特别对电力紧缺地区具有一定的经济效应和社会效应。我国对太阳能的光热利用始于20世纪70年代，各种太阳能热利用技术获得不同程度的发展，20世纪70年代以来我国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。未来建筑将也会是一个环保低能耗的建筑。1.2.2 太阳能利用技术介绍(1)被动式太阳房区别于主动式太阳房，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、当地太阳高度角的大小、外围护的结构及材料、建筑内部空间及蓄热材料的选择，使建筑物本身能够高效地收集、存储和分配太阳辐射能，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收太阳辐射，将有效热能传给传热工质，并且最大限度地保证吸收的热量不再散失。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围广，在生活、工业、娱乐业等场所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，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利用产业中的骨干，太阳能热水器的使用，能大幅缓解由于热水消耗量的增加而引起的能源供应压力和环境压力。但是，现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要求，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结构功能，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主动式的太阳能热利用系统，由太阳能集热器、蓄热设备、辅助热源和循环水泵等设备组成，可以吸收、存储太阳能，达到连续采暖的效果。但是系统的运行温度较低，因为太阳能集热器的效率随着运行温度的升高而降低。我国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现有的太阳能制冷方式有太阳能吸收式、吸附式、蒸汽喷射式、蒸汽压缩式以及除湿式制冷方式。太阳能吸收式制冷系统已经广泛应用于建筑物中，由于其连续制冷效果好，但初投资较高9，小户型住宅使用的话，性价比较低。理想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，提高太阳能利用率和投资经济性。(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，物料直接吸收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程度较低，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利用太阳能作为热泵的低位热源，节省了一次能源消耗，还有效降低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。在太阳辐射良好的情况下，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，单所供给的热量却是消耗的高位能与吸取的低温热量的总和，因此热泵具有显著的节能效果。热泵技术的发展经历了一个多世纪，其在欧洲、美国、日本的研究和应用较早，而我国的热泵研究工作始于上世纪50年代，主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、可靠的运行。基于此，将空气源热泵和太阳能热利用两种能源利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利用的辅助，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，最大限度的利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，同时满足室内较高的舒适性。1.3.2太阳能热泵系统研究 直接膨胀式太阳能热泵系统首次由Sporn在1955年提出来，并通过实验设备验证了其优点，可以同时提高热泵机组和太阳集热器的性能。 F.B.Gorozabel Charte利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，而且保证集热/蒸发器的负荷同压缩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，该系统在各种天气情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。同时，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科学研究所合作，对太阳能辅助热泵供热系统进行了实验研究。结果表明，太阳能供热装置与标准热泵联合运行可以提高热泵的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)，可以在一年四季都可靠地运行，并向用户提供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，分析结果可用于优化系统配置，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传统供热方式主要是燃煤、燃气锅炉，电热器加热，利用的都是不可再生能源，无益于缓解能源紧张。因此推广太阳能、空气能等可再生能源的热水系统对促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用户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，很多时候都不得不使用辅助电加热器加热，浪费了大量的优质能源，在冬季日照率比较低的地区尤其如此。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，即使在晴朗的夏天需要消耗一定的电能。怎样在通过一个热水采暖系统中同时应用两种设备，并且发挥两者的优点，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方法，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、集热器和换热器相关计算等，相应做好系统部件选型，建立一个符合要求、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所舒适度，有效减少能耗。将太阳能利用技术与空气源热泵技术有机结合，以太阳能空气能为热泵系统的热源，既有效克服了太阳能本身的稀薄性，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包括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确定，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，为了达到室内要求的温度，供暖系统在单位时间内向建筑物供给的热量。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主要有围护结构基本耗热量、冷风渗透量、冷风侵入量等。围护结构基本耗热量是指当室内温度高于室外温度时，通过围护结构向外传递的热量；冷风渗透耗热量是指在风力和热压造成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开启的外门侵入室内所消耗的热量。设计建筑为四层办公建筑， 已知围护结构条件：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2m×1.5m可开启缝隙长度为10m，北窗尺寸（宽×高）为1.5m×1.5m，可开启缝隙长度为9m。外门：实体木质双层外门，尺寸（宽×高）为1m×2m。可开启缝隙长度为6m，。楼顶：现浇混凝土结构，。地面：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 办公建筑一层结构示意图围护结构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 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）冷风渗透耗热量：缝隙计算长度l=10m，查得空气量L=4.2 m3/(hm)，青岛地区冷风渗透朝向系数n=0.15渗入空气量 式（2.23）冷风渗透耗热量 式（2.24）冷风侵入耗热量 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 其余楼层结构示意图（2） 所有房间耗热量计算结果如下表所示：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，主要以自然对流传热方法（对流传热量大于辐射传热量）向房间传热。散热器的计算是确定供暖房间所需散热器面积和片数，计算步骤如下：（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，是表示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主要标志。 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确定 确定所需散热器面积后（由于每组片数或者总长度未定，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2.3 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主要区别是系统中设置了循环水泵，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步骤如下：图2.3 水力计算管路计算图上图为系统两个支路，图上小圆圈的数字表示管段号，圆圈旁的数字表：分子表示管段热负荷（W），坟墓表示管段长度（m）。散热器内的数字表示其热负荷（W）。罗马数字表示立管编号。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。这个环路经过管段、。（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） 确定沿程阻力损失。将每一管段R与l相乘，列入表中。（4） 确定局部阻力系数§。根据图中的管路的实际情况，找出各管段阻力管件，查询阻力系数§，最后将总阻力系数§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，即利用：。 式（2.34）表2.4水力计算表2.4 本章小结本章详细叙述了该办公建筑物的基本计算条件，绘制出房屋结构示意图。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，结合建筑物结构特点，确定供、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，确保热水的正常循环。3 供暖系统室外部分设计供暖系统室外部分包括太阳能集热系统、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，为防止由于室外温度过低，供热循环工质在冬季结冰而不能正常工作，所以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、金属封盖等组成。热管式真空管内不走水，加热系统与循环系统独立分隔，整个系统全部为金属连接，运行稳定可靠。主要优点来源于热管的独特传热方式，它具有热性能好、热效率高、工作温度高等优点，系统承压能力强、热容小、系统启动快，抗严寒能力强，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。集热器设置一个丙二醇泵，通过泵的计算确定功率、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确定。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确定，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；当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/；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；系统使用期的平均集热效率，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确定。间接系统和直接系统相比，由于换热器内外存在传热温差，使得获得相同温度热水的情况下，间接系统比直接系统集热器运行温度高，造成集热器效率降低，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510，取7。集热器面积确定： 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 合理确定太阳能集热器的定位和安装在充分利用太阳能方面起着决定性的作用，在确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情况，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要求是，冬至日正午前后四个小时内太阳能集热器不被前方障碍物遮挡阳光。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个太阳能集热器阵列，集热器连接方式对太阳能系统各个集热器的流量分配和换热均有影响。合理的集热器阵列连接组合方式能够有效保证太阳能系统高效运行。该建筑太阳能热水系统采用并联连接，即一台集热器的出、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，故能承担的符合为16.56KW，利用水力计算软件，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全部热量，因此太阳能不能成为独立的能源。要满足各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。热泵是一种利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利用的低位热能转换成可以利用的高位热能，从而达到节约部分高位能的目的。空气作为热泵热水装置的低温热源时，有几个特点：空气方便取得，无偿使用，取之不竭；空气比热容较小，为了提供足够的热量给热水，需要较大的循环量 15。3.2.1 热泵装置参数和结构形式（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大于60时，通常需要采用多级压缩结构。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要求的压力；冷水则通过级间冷却器吸收低压压缩机排出气体的显热，降低其过热度后再进入冷凝器吸收高压热泵的热量。（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，其对应的饱和温度为28。3.2.2 热泵各部件的确定（1）基本计算。如图4.1所示的结构，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机的运行工况均不在常规计算工况范围内，所以要对压缩机参数折算16。经过折算，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主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