别墅太阳能供暖供热水系统应用
我国经济飞速发展，同时伴随着能源消耗急剧增长，环境污染加剧。环境保护成为当下民众关注重点。但是经济发展离不开能源的支持，开发和使用新能源及绿色能源是今后发展的趋势，在建筑设计过程中如何采取节能措施和利用可再生能源成为工程设计人员的一项重要任务。
2.1太阳能资源
可再生能源开发利用中，太阳能是人类迄今为止所认识的最清洁的可再生能源，太阳能一直是大家广泛关注的重点，受太阳能热水利用的启发，越来越多的人在考虑如何将太阳能用于建筑供暖系统中。
我国是世界上太阳能资源最丰富的大国之一，拥有得天独厚的自然资源。根据国家标准《建筑热工设计规范》，我国的太阳能资源分为四类地区，第一类，太阳辐照量大于6700MJ/m2年的资源丰富区。二类：太阳辐照量在5400MJ/m2~6700MJ/m2年的资源较丰富区。三类：太阳辐照量在4200MJ/m2~5400MJ/m2年的资源一般区。四类：太阳辐照量在小于4200MJ/m2年的资源贫乏区。山东济南地处山东属于三类地区，太阳辐照量为5276MJ/m2年，太阳能资源为一般情况。太阳能作为建筑供暖是否合适需综合考虑。
2.2太阳能供暖
太阳能供暖系统与常规能源供暖系统的主要区别，在于它是以太阳能集热器
作为能源，部分替代以煤、石油、天然气、电力等作为能源的锅炉。太阳能集热器获取太阳辐射能而转化的热量，通过散热系统送至室内进行采暖；过剩热量储存在储热水箱中内；当太阳能集热器收集的热量小于供暖负荷时，由储存的热量来补充；若储存的热量不足时，由备用的辅助热源提供。
2.3太阳能供暖特点
太阳能供暖系统与常规能源供暖系统相比，有如下几个特点：
2.3.1系统运行温度低 太阳能集热器效率随运行温度升高而降低，要降低集热器和供暖系统温度。
2.3.2推荐地盘管供暖，运行温度35℃～45℃。风机盘管和暖气运行温度为55℃～65℃。
2.3.3有储存热量的设备 太阳辐射受气候和时间的支配，太阳能不能成为连续、稳定的能源。
系统必须有储存热量的设备；如储热水箱等。
2.3.4与辅助热源配套使用 气候变化或阴雨天等没有日照时，太阳能不能成为独立的能源。
辅助热源可采用电力、燃气、燃油和生物质能等。
2.3.5适合在节能建筑中应用 建筑物供暖的需求且达到一定的太阳能保证率，需要足够多的太阳能集热器。
2.3.6保温水平低，门窗气密性差的建筑不适合使用太阳能供暖系统。
3.1工程概况
济南市某别墅，建筑面积300m2，地下一层，地上2层，由于城市集中供热尚未覆盖此区域，故供暖系统热源拟采用燃气锅炉+太阳能供热系统，供暖末端采用低温地板辐射供暖系统。实现太阳能辅助燃气炉供暖及供热水系统的集成，以适应当前的低碳经济政策和推广太阳能的综合开发利用。
图1 工程概况
图2 太阳能建筑相结合
3.2设计数据
3.2.1 日照情况
济南市当地纬度为北纬36°41′，平均日照时数为2272.1小时，年平均日太阳能辐照量为17447kJ/ m2，太阳能保证率为30％。
3.2.2 供暖参数
计算采暖期平均环境温度1.8℃供暖室外计算温度-5.3℃室内设计温度：18℃；设计供/回水温度45℃/35℃。
3.2.3 生活热水参数
冷水温度15℃。设计热水供水温度60 ℃
3.2.4 系统热负荷
3.2.4.1供暖热负荷：3.2.4.1.1太阳能集热系统负担的供暖热负荷：31269kJ/h3.2.4.1.2燃气锅炉负担的供暖热负荷：45360kJ/h3.2.4.2热水热负荷：3925kJ/h系统设计总热负荷负荷为49285kJ/h
4.1系统形式：间接式太阳能加燃气锅炉辅助加热供热采暖系统。末端供暖系统类型：低温热水地板辐射供暖系统。
4.2 系统原理：4.2.1集热循环：太阳能集热器中加热液态传热工质，再通过储热水箱内换热器由该种传热工质与储热水箱内的水进行换热。4.2.2供暖循环：利用循环泵将热水送至低温地板辐射供暖系统中的分水器，分水器将热水送至各个房间进行供暖，放热后的水再进入集水器，回到储热水箱，再换热；4.2.3生活热水：直接利用。4.2.4当太阳能不能提供系统的全部能量时，燃气锅炉启动加热供水。
4.3 控制方法
水箱水温设定温度60℃。4.3.1集热系统高温保护及温差循环控制：当T1-T2大于等于8℃且水箱内温度≤75℃时，集热循环泵P1启动温差循环；当T1-T2小于等于3℃或水箱内温度＞75℃时，集热循环泵P1关闭。4.3.2燃气炉启停控制：当水箱水位大于等于防干烧设定水位且水箱温度T3小于55℃时，燃气炉及循环泵P3开启；当水箱水位小于等于水箱防干烧设定水位或T3大于60℃时，燃气炉及循环泵P3关闭。4.3.3水箱补水控制：当水箱水位小于补水水位时，补水电磁阀2开启；当水箱水位大于等于水箱补水水位时，补水电磁阀2关闭。4.3.4生活热水控制：当管道温度T4小于55℃时，电磁阀3开启；当管道温度T4大于60℃时，电磁阀3关闭。增压泵P2采用变频控制，维持水泵出口压力恒定。4.3.5防冻控制：当温度T5小于等于5℃时，循环泵P1启动；当T5大于等于10℃时，循环泵P1关闭。当温度T5小于等于4℃时，电伴热启动；当T5大于等于9℃时，电伴热关闭。
图3 控制原理图
6.1本方案：燃气炉成本10000元 水箱：3000元 集热器成本:20*1500=30000元 循环泵3000元 安装费用2000元 日燃气费用1.37m3/h(燃气热值)*24h*2.7元=88.78元/d
供暖季燃气费用88.78元/d*120d=10654元
按修正系数后燃气费用10654*0.7（太阳能不保证率）*0.7（使用时间）=5219元 供暖季，泵运行费用：1*24*0.55*120*0.7*0.7=776元6.2 集中供热：供暖季供热费用26.7*300=8010元
燃气热水器（供生活热水）6000元
按5年考虑总费用： 5年集中供热:5*8010+6000=46050元5年本方案：10000+30000+3000+2000+5219*5+776=71871 元经计算需要18年才能回收。
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