论文总字数：18905字

摘 要

本文旨在设计一种适用于高层住宅建筑的太阳能热水系统。本文首先介绍了各种太阳能集热器和太阳能热水系统的工作原理和优缺点。根据实际工况的设计参数选择最适合高层住宅建筑的太阳能热水系统及其各种部件。通过热力计算求出建筑物的太阳能热水需求，并且计算所需的集热器面积、安装倾角、贮热水箱的容积、输水管管道内径、保温层厚度、辅助热源的功率等内容。最后，根据建筑物的结构，对太阳能集热器，水箱，管道等部件合理布置和安装。并设计了适用于高层建筑的热水供应系统和控制系统。在满足住户需求的用水需求的同时实现太阳能资源的高效利用。

关键词：太阳能热水系统 高层建筑 太阳能建筑一体化

The design and research of Solar Building Integration

Abstract

The purpose of this paper is to design a solar water heating system for high-rise residential buildings. Firstly this paper first introduces the working principles and advantages and disadvantages of various solar collectors and solar hot water systems, and then selects the solar hot water system and its components which are most suitable for high-rise residential buildings according to the design parameters of the actual working conditions. Through thermodynamic calculation, the demand of solar water hot water for building can be obtained, and then the required heat collector area, the perfect angle to put the collector, the volume of the heat storage tank, the inner diameter of the pipe, the insulation layer's thickness and the power of the auxiliary heat source are calculated. Finally, combined with the structure of the building, the solar collector, water tank, pipe and other components are properly arranged and installed, and a set of hot water supply system and control system for high-rise buildings is designed to meet the needs of the household and the efficient utilization of solar energy.

Key Words: Solar water heating system; High-rise buildings; Solar Building Integration

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪 论 1

1.1 前言 1

1.2 研究现状 1

1.2.1 国内研究与应用现状 1

1.2.2 国外研究与应用现状 2

1.3 研究所面临的困难 2

1.3.1 气候环境 2

1.3.2 风险与成本 2

1.4 国内外研究成果 3

1.5 太阳能利用技术 3

1.6 太阳能热水器类型 4

1.7 太阳能热水系统分类 4

1.7.1 自然循环系统 5

1.7.2 强制循环系统 5

1.7.3 直流式循环系统 6

1.8 气象参数 7

1.9 建筑要求分析 7

第二章 热力计算 9

2.1 初始设计参数 9

2.2 设计流程 9

2.2.1 太阳能热水系统的选择 9

2.2.2 太阳能集热器倾角确定 9

2.2.3 耗热量与设计小时耗热量及耗水量计算 10

2.2.4 倾斜表面年均日太阳能辐射量 11

2.2.5 集热器集热总面积确定 13

2.2.6 集热器型号的选择 15

2.2.7 集热器布置间距确定 16

2.2.8 集热器的连接 17

2.2.9 贮热水箱设计 17

2.2.10 辅助加热量计算 17

2.2.11 热媒耗量计算 18

2.2.12 电热水器耗电量计算 18

2.2.13 太阳能热水供应系统的设计计算 19

2.2.14 管路直径、流速及水力损失 21

2.2.15 热水管道阻力的确定 22

2.2.16 保温层厚度计算 22

2.2.17 热水供应系统的回水管管径计算 23

2.2.18 热水水泵选型 23

第三章 系统设计 25

3.1 太阳能热水系统运行方式选取 25

3.2 太阳能热水系统各组件安装 25

3.2.1 太阳能集热器的设置 25

3.2.2 贮水箱安装 26

3.2.3 辅助热源安装 26

3.2.4 循环水泵安装 27

3.2.5 管道、管线（包括电气管线）的安装 27

3.3 太阳能集热板连接方式 27

3.4 太阳能设备载荷计算 27

3.4.1 每块太阳能设备恒载计算 27

3.4.2 每块太阳能设备风载荷计算 27

3.4.3 每块太阳能设备地震作用计算 28

3.4.4 弹性连接件的计算 28

3.4.5 结论 29

3.5 贮热水箱的结构 29

3.5.1 贮热水箱的尺寸选择 29

3.5.2 贮热水箱材料选取 29

3.6 辅助电加热器设计 29

3.7 管道和附件设计 30

3.7.1 管材选取 30

第四章 结论与展望 31

参考文献 32

致 谢 34

绪 论

前言

自20世纪末到21世纪以来人类社会与科学技术的迅速发展，世界对于能源提出了更加迫切的需要。目前，中国已是世界第一能源生产与消费大国，化石能源的过度消耗既对近几十年的自然环境造成了危害，也不符合可持续发展的战略目标。因此，寻求可持续能源的任务变得十分重要。作为可再生能源，太阳能具有普遍性、无污染、持久性和取之不尽的优点。太阳辐射的能量非常大，总辐射功率比起全球耗电平均量还要大上几十亿倍^[1]。

目前中国建筑面积已达430亿平方米，是世界总建筑面积最大的国家，新建建筑面积每年超过20亿平方米^[2]。太阳能在建筑物中的引入将带来巨大的经济效益，可以有效解决能源短缺和环境污染等长期问题。因此，实现太阳能建筑一体化对人类发展和国家战略具有重要意义。

研究现状

能够使用太阳能的建筑被定义为太阳能建筑。它能够将能源的使用由常规能源转变为太阳能这一可再生能源，赋予了建筑更广阔的功能，如制热、洗浴、制冷、采光、流通空气和电能。在生产与日常活动中扮演着主要或次要的角色^[3]。在太阳能建筑中，最大限度利用太阳能的建筑被称为零能耗建筑，零能耗建筑所需的所有能源都是由太阳能提供的。没有传统的能源使用，零能耗建筑是绿色和清洁的，切实保护了生态环境。瑞士、德国等地都曾做过设计零能建筑的试验^[4]。

国内研究与应用现状

在国内，太阳能建筑有着广泛的研究和实践。太阳能一体化的应用具有广泛且繁多的特性。太阳能热水系统通过吸收太阳的辐射能，以其为热源并利用温室效应，在减少对流与辐射损失的情况下聚集热量，使水温升高至可用^[5]。目前，中国的太阳能热利用技术已非常成熟。太阳能热水器的种类不断发展完善，相继研发出分体式、壁挂式等种类的太阳能热水器，实现了太阳能热水器与建筑设计美观相结合。太阳能热水器能量转换效率较高，在我国各地都可使用太阳能热水器，尤其是太阳能资源丰富的西北地区，使用效果最佳^[6]。根据回收期法计算，能源节约产生的效益将会使投资于太阳能热水器的资金在3年—5年内收回。每天只需接受太阳光3小时左右就足以满足一户人家一年四季的热水用量。如果全国有3亿户家庭选择使用太阳能热水器，每年可节约的电力消耗将达到三峡电站近三年的发电量[7]。

国外研究与应用现状

国外很早就对太阳能建筑一体化进行了研究，几十年来，在设计太阳能建筑的研究中提出了很多想法：如使用空气作为传热介质，使用玻璃板、吸收层、百叶窗以及可变式开口将吸收的太阳能热量运送到室内^[8]。同时，国外研究人员也尤其注重在各种气候环境下该如何将环境因素以及受环境因素所影响的居民的身体健康方面与太阳能建筑设计相结合，在设计初期就将以上内容考虑在内，并在设计中尝试解决这些问题^[9]。在设计过程中，建筑师经常使用计算机模拟软件来计算太阳能建筑吸收的热量，预测太阳能建筑的效率并以此为依据决定是否采用此种设计或是再进行修改^[10]。

研究所面临的困难

实现太阳能建筑一体化的过程也面临很多困难，其中包括成本问题、区域气候问题以及太阳能设备无法与建筑结合的问题。

气候环境

就地域气候方面来说，重庆市地处四川盆地，长期处于阴雨天气，太阳能资源匮乏。而现今的应用太阳能技术的规模相对太小，太阳能的应用措施基本为常规应用模式，无法适用于当地的气候环境，利用效率和建筑一体化程度都较低^[11]。同时，对中国高纬度地区如长期寒冷的东北部，对外部结构的保温节能方面更加在设计中得到重视，借助太阳能产生光伏发电并利用太阳辐射获取热量的应用尚未与太阳能建筑一体化有效结合。缺少技术指导科学和思想体系建设，设计能力有待加强^[1][12]。

风险与成本

在成本方面，虽然太阳能建筑所带来的长久效益令人欣慰，但实际上房地产商对建筑的太阳能利用设计并不太感兴趣，因为他们更在意的是短期利益。采用太阳能一体化的建筑设计可能会增加前期成本，而且也需要背负着新技术尚不成熟所带来的风险。因此，太阳能建筑的推广并不是如此顺利 ^[13]。因此，政府部门的鼓励与国家政策扶持的力度需要得到有力的提升，以推动太阳能建筑的发展 ^[14]。虽然我国在太阳能利用的开发上有着一定的优势，但近几年在市场上也面临着同样的困境，这就提出了太阳能热利用和与建筑一体化的更高发展要求。因此，相关行业需要加大新技术的研发力度，开发新产品，提高管理水平。同时也需要政府部门在政策上扶持太阳能产业，鼓励科技研发，提高我国在太阳能领域的技术水平^[15]。

国内外研究成果

随着太阳能建筑一体化研究的不断深入，在建筑师和工程师的配合下，国内外都积累了太阳能一体化测试与设计方面的成功经验：十万个屋顶计划是德国政府颁布的一项推广太阳能利用的政策，其目标是在德国的十万普通住户的屋顶上安装太阳能设备，将太阳能转换为电力，然后将其存储在公共电网中。根据EEG能源贮存法，所有利用太阳能设备产出的电量都会以每千瓦时0.5欧元的价格售出，这个价格将保持20年内不改变，这个项目成为了无限的能源工厂，持续生产着电力。德国政府的政策刺激了社会对太阳能的利用，大大降低了能源消耗和金钱成本。发展壮大了当地的太阳能工业，让鲁尔工业区的产业获得了新生^[16]。在中国，太阳能热水器行业的发展正在蓬勃发展，城乡太阳能热水器的装机能力明显提高。目前，江苏省具有太阳能热水器应用的自然条件和产业优势，太阳能热水系统技术在此基础上不断发展。逐渐实现与建筑一体化，满足城市规划要求^[17]。

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