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1、本科毕业论文（设计）论文题目：张掖市住宅楼采暖系统的设计ityUniver太阳能采暖系统是一种满足住户采暖需求的新型太阳能系统，是太阳能热利用技术的延申。其设计旨在减少使用传统能源的依赖，降低碳排放和能源成本。该系统是将太阳能集热器为中心，完全替代或部分替代以煤、石油、天然气等作为能源的采暖系统，太阳能集热器获取太阳能而转化为热量，通过散热器将热量送至室内进行采暖，过剩的热量存储在储热水箱中，当太阳能集热器收集到的热量小于供热所需要的负荷时，由存储的热量来补充，当存储的热量不足以满足供热需求时，由该系统中辅助能源提供。太阳能采暖系统利用太阳能转化为热能，通过集热设备采集太阳光的热量，再通过导热
2、设备将热量导入换热中心，然后将热水导入室内采暖。在设计住宅楼太阳能采暖系统时，需要考虑多个因素，例如建筑物的朝向和位置、可利用的太阳能资源、建筑的耗热量以及管道的水力计算等。合理的设计和操作可以有效地提高太阳能利用效率，降低能源成本和环境影响。关键词：太阳能；采暖系统；热负荷论文类型：工程设计AbstractSolarheatingsystemsforresidentialbuildingsrefertosystemsthatusesolarenergytoheattheairorwaterinsideabuilding.Itisdesignedtoreducedependenceontheu
3、seoftraditionalenergysources,reducingcarbonemissionsandenergycosts.Solarheatingsystemscanbedividedintotwocategories:activeandpassive.Activesystemsincludesolarwaterheatersandsolarphotovoltaicsystems.Solarwaterheatersusesolarenergytoheatwater,whichisthendeliveredtoradiatorsorunderfloorheatingsystemsin
4、sidebuildings.SolarPVsystemsconvertsolarenergyintoelectricity,whichisthenusedtopowerbuildingsorheatwater.Passivesolarheatingsystemsincludedirectventilationheatingsystemsandpassivesolarhouses.Directventilationheatingsystemsdrawhotairfromsolar-illuminatedroomsthroughthebuildingsventilationsystemanddel
5、iverittotheroomsthatneedtobeheated.Apassivesolarhouseisaspeciallydesignedhousewhosewalls,windows,androofaredesignedtomaximizetheuseofsolarenergy.Whendesigningasolarheatingsystemforaresidentialbuilding,severalfactorsneedtobeconsidered,suchastheorientationandlocationofthebuilding,availablesolarresourc
6、es,designandusagecosts,etc.Reasonabledesignandoperationcaneffectivelyimprovesolarenergyutilizationefficiency,reduceenergycostsandenvironmentalimpact.KeyWords:solarenergy;heatingsyste;heatloadTypeofthesis:EIIgiIIeeriIIgDesign目录摘要IAbstractII目录III1绪论51.1 课题背景51.2 国内外研究现状对本课题的启示51.3 本文研究的目标、内容和意义61.3.1
7、研究目标61.3.2 研究内容61.3.3 研究意义61.4 本章小结72太阳能采暖系统82.1 太阳能采暖系统的组成及工作原理82.1.1 储热水箱82.1.2 辅助能源92.1.3 循环泵92.2 太阳能集热器92.2.1 太阳能集热器的分类92.3 太阳能采暖系统的分类102.3.1 太阳能采暖系统的特点112.4 本章小结123采暖系统的计算133.1 建筑工况133.1.1 我国太阳能分布133.1.2 建筑概况133.2 热负荷计算153.3 集热器的确定163.3.1 集热器面积计算163.3.2 集热器的选型163.4 本章小结184太阳能采暖系统的安装194.1 太阳能集热器
8、安装194.1.1 太阳能集热器的安装方位和倾角194.2 集热器的布置204.3 末端装置的确定214.4 管道的水力计算及布置224.4.1 管道的布置224.4.2 水力计算244.5 储热水箱的选型264.6 辅助能源的选型274.7 泵的选型274.8 本章小结285总结295.1 环境效益295.2 展望30参考文献31致谢321绪论1.1 课题背景目前，我国总体资源充足，人均拥有的资源量却很少，其中处于较少量的石油、煤、天然气等资源分别占全世界水平的五分之一，一半和十五分之一。且，我国目前仍在发展中，各人消耗的能源较小，相对于发达国家还相差很大，对于资源的需求还有很大的上升空间。
9、随着中国社会经济的发展，能源消费和需求持续增长，解决能源需求已成为一个紧迫问题。长期以来，中国的能源结构主要基于煤炭、石油和天然气等化石燃料。数据表明，在2011年到2015年这四年里，煤的数量由38.7亿吨涨到43亿吨，增长率达10%。尽管这些能源有助于社会经济发展，极大地促进了人类生活，但它们也会造成严重的环境问题，严重温室效应是由这些化学能源燃烧产生的二氧化碳会造成。所以，当前社会提倡绿色环保的可再生能源，减少碳排放量、促进能源结构转型是改善人居环境和缩小贫富差距的重要措施之一。这就是为什么该国致力于努力发展清洁能源。发展绿色能源是解决目前环境发展以及能源危机的有效方法。当前中国城市化发
10、展规模在不断扩大，导致建筑上耗费能源较多，高耗能建筑占所有建筑的9成之多，每平方米的平均能耗比发达国家多三倍还不止。与此同时，在城镇建设中也存在严重的能源消耗问题，导致全国能源需求大幅增加。当前，绿色环保的新能源在城镇发展中有很大的推广，还没得到广泛的应用，数据显示，我国城镇人口较多，城镇用地面积也远大于农村住宅面积，城镇住宅用地占主要部分，所以我国城镇用地需要较大的能源消耗。研究表明，在所有的能耗构成中，采暖系统能耗占比接近一半，所以我们要从采暖系统入手研究，怎么保证采暖过程中热量的减少，提升采暖过程中热量的利用率是重点。1.2 国内外研究现状对本课题的启示综上所述，国内外学者在室内热环境和
11、太阳能采暖系统已经进行了大量研究，在目前的研究基础上，对比当前住宅内部舒适度和太阳能系统利用现状去分析，得出以下结论：(1)当前对室内环境研究不论国内还是国外基本采用现场测量法或通过问卷填写。很少将建筑个体作为研究对象单独研究室内环境，大多数把大城市的大型民用及公用建筑作为研究对象，借助新型软件模拟室内环境去进行分析比对，调成热舒适模式，从而达到指定的室内温度、评价室内实际环境及改善后室内环境的目标。目前，我国所研究室内热环境的对象主要利用实地检测的方法去分析不同地区居民用房的现状。由于西北地区作为单独研究的建筑较少，但随着城市化规模建设，以及西北地区本身拥有丰富的太阳能资源，再结合该地区独特
12、的气候特点，对研究室内环境舒适度的提升有非常有利的研究价值。(2)当今世界对于太阳能采暖系统进行了许多模拟实验和研究，研究出太阳能的收集效率、保险率和效益经济，分析太阳能的主动加热系统。由于被动加热器的温度控制困难，室内舒适性不能总是得到保证。对于主动加热系统而言，初期的投入是很高的，但是它带来的效果是显著的，大大提高了室内舒适度。综合考虑主被动方式带来的缺点还有目前室内环境的研究，部分研究者提出了一个新的理论，那就是以太阳能作为采暖系统的主要能源的新能源住宅。(3)太阳能利用技术作为未来发展的新型能源，将越来越受到人们的关注。国内外研究人员正在研究许多高层建筑中使用的太阳能供暖系统。由于住宅
13、太阳能供暖系统投资额低、加热系统简单以及热效率低，仅在一些特定地方使用，受到的关注很少。中国城镇人口数量较多，所以更多的需要在城镇实现太阳提供暖气的功能。1.3 本文研究的目标、内容和意义1.3.1 研究目标本文以甘肃省张掖市太阳供热系统作为住宅小区的主要研究对象。通过构建一个实验平台，使用相关仪器设备测试和处理实验数据，分析了太阳能采暖系统的优势。计算和分析了太阳能采暖系统的热负荷，制定了系统模型，并预测和分析优化太阳能采暖系统的经济效益。1.3.2 研究内容(1)本文以太阳能采暖系统为研究对象，计算并整理相关的试验数据，对采用太阳能采暖系统的住宅建筑进行了分析。(2)针对太阳能采暖系统，分
14、析其热量以及采暖过程中建筑物的热量消耗，计算和分析采暖过程所产生的热量。(3)分析太阳能集热器的热性能，分析优化后的太阳能采暖系统。1.3.3 研究意义本研究对甘肃省张掖市搭建的一套太阳能采暖体统采用了单体建筑形式，它的设计充分考虑了西北地区独特的地理特征，气候变化和当地居民的风俗习惯，实际调研深入并调查了当地太阳能采暖系统的使用状况，从理论上研究了其供热量和储热水箱，对它们的热消耗进行了研究，根据研究得到的结果制定相应的对策，本研究对新版的采暖系统进行了跟踪，预估其经济效益，跟人们更好的居住环境和更低的采暖能耗，给将来西北区域的太阳能采暖技术的优化和给居民更好的生活环境提供了更多的建议。同时
15、，也是响应了国家的号召，节能减排，发展低碳经济，保护我们大家共同的家园，不断的实践探索，总结出一套真正我国的太阳能采暖系统。1.4 本章小结(1)阐述了在能源危机以及大气污染的背景下，新能源发展的重要性，把新能源开发放在重要的位置，其中优先发展太阳能，带动全社会可持续发展，有效的化解资源贫乏的困境。(2)针对当前世界形势，结合各国太阳能应用发展现行的发展状况进行了探究，在此基础上，根据我国西北区域独特的自然环境，创建了符合当地特色的太阳能采暖系统,采用了测算的方式并对数据进行了分析，采用科学的方法，对分析结果进行总结。(3)确定本文的调研对象，将太阳能采暖系统作为主要目标，末端供暖可以为房屋消
16、耗热量提供能量支持，并提出方案。2太阳能采暖系统2.1 太阳能采暖系统的组成及工作原理太阳能采暖系统是指将分散的太阳能通过太阳能集热器把太阳能转换成热能，热能加热水体，然后通过将热水输送到发热末端来提供建筑供热需求的一种采暖系统。太阳能采暖系统一般由太阳能集热器、储热水箱、连接管路、辅助能源、散热部件及控制系统等组成，如图2.1所示。储水箱图2.1太阳能采暖系统示意图2.1.1 储热水箱储水箱是太阳能热水器的主要部件之一，是储存冷热水的装置，应具有良好的保温性能。水箱的融水量、保温性能、形状、结构和材料的选用将直接影响太阳能热水器的性能和运行。储热水箱是储存热水的容器，主要由外壳、内胆和保温层
17、组成。(1)外壳。水箱外壳材料一般选用厚度820.4mm的彩钢板(或不锈钢或镀铝锌板)，强度高，耐腐蚀。(2)水箱内胆。不锈钢和搪瓷是目前太阳能热水器制造企业广泛使用，并得到市场普遍认可的水箱内胆材料。由于具有不同的材料性质和优势，前者主要应用于家用非承压式太阳能热水器，后者则主要应用于承压式太阳能热水器。普通不锈钢内胆一般厚约0.5mmo(3)水箱保温层。为达到保温效果，在水箱内胆和外壳之间填充聚氨酯保温层，保温层采用聚氨酯整体发泡，厚度为57cm,保温层密度为3040kgm.储水箱有多种分类方法，按加工外形可分为方形水箱、圆柱形水箱、球形水箱；按水箱放置方法可分为立式水箱和卧式水箱；按水箱
18、是否保温可分为保温水箱和非保温水箱；按水压状态可分为承压水箱和非承压水箱。2. 1.2辅助能源辅助能源分系统是指利用常规能源来补尽太阳能采暖系统提供的输出的设备。它可与太阳能系统做成一体，也可完全分离，并有其单独的手段，向建筑物提供采暖。辅助能源一般用于夜间或阴雨天的采暖。辅助能源的作用是在太阳辐射不足或夜晚时启动，以保证发电系统的持续运行。当蓄热不足或在夜间时，辅助能源加入系统替代太阳能集热器开始工作，保证太阳能采暖系统的持续运行，在蓄热充分或白天辐射强度足够时，辅助能源自动切出系统依靠太阳能热发电。3. 1.3循环泵循环泵是指让水循环起来的水泵，是一种在设备当中可以进行输送、吸收、分离、吸
19、收液再生等过程的循环液用泵，它的扬程一般都比较低，被广泛用于克服循环系统中的压力下降问题。循环泵是采暖系统中的主要的升压设备。4. 2太阳能集热器太阳辐射的能流密度低，在利用太阳能时为了获得足够的能量，或者为了提高温度，必须采用一定的技术和装置，对太阳能进行采集。太阳能集热器的作用是吸收太阳辐射并将产生的热量传递到传热工质的一个装置。性能良好的太阳能集热器是太阳能采暖系统的关键设备之一，它的主要作用，就是把太阳光中的热能，收集起来，通过连通管路，传递给水箱，加热水箱中的冷水。太阳能是新能源与可再生能源中最引人注目的清洁能源，其有利于能源节约与环境保护，可以说未来全球能源的主流就是太阳能，太阳能
20、利用技术正得到越来越广泛的重视。太阳集热器是太阳能热利用中最重要的组成部分，其性能对整个系统成败起着决定性作用。5. 2.1太阳能集热器的分类(1)按传热工质类型分为液体集热器和空气集热器。1)液体集热器是指以液体作为传热工质的太阳集热器。2)空气集热器是指用空气作为传热工质的太阳集热器。(2)按进入采光口的太阳辐射是否改变方向分为聚光型集热器和非聚光型集热器。1）聚光型集热器是指利用反射镜、透镜或其他光学器件将进入采光口的太阳辐射改变方向并会聚到吸热体上的太阳集热器。2）非聚光型集热器是指进入采光口的太阳辐射不改变方向也不集中射到吸热体上的太阳集热器。（3）按集热器是否跟踪太阳分为跟踪集热器
21、和非跟踪集热器。1）跟踪集热器是指以绕单轴或双轴旋转的方式全天跟踪太阳运动的太阳集热器。2）非跟踪集热器是指全天都不跟踪太阳运动的太阳集热器。（4）按集热器内是否有真空空间分为平板型集热器和真空管集热器。1）平板型集热器是吸热体表面基本上为平板形状的非聚光型集热器。2）真空管集热器是采用透明管（通常为玻璃管）并在管壁和吸热体之间有真空空间的太阳集热器。2. 3太阳能采暖系统的分类主动式太阳能采暖系统可以从不同的角度进行分类，包括:按传热介质分类、按太阳能利用的方式、按使用散热部件的类型、按是否与其他系统综合利用等进行分类。按传热介质分类，可分为液体太阳能采暖系统和空气太阳能采暖系统。液体太阳能
22、采暖系统就是太阳能集热器中循环的热传导介质为液体;空气太阳能采暖系统就是太能集热器中循环的热传导介质为空气。按利用太阳能的方式分类，可分为直接太阳能采暖系统和间接太阳能采暖系统。直接利用太阳能是指由太阳能集热器加热的热水或空气直接用于采暖；间接利用太阳能是指由太阳能集热器加热的热水并不直接利用，而是用热泵将由太阳能加热的热水温度进一步提高，然后再将提高温度后的热水用于采暖，所以间接太阳能采暖系统也称为太阳能热泵采暖系统。按使用散热部件的类型，可分为地面辐射板采暖系统、空气太阳能采暖系统、液体太阳能采暖系统等。（1）液体太阳能采暖系统所谓液体太阳能采暖系统，就是用太阳能集热器收集太阳辐射能并转换
23、成热能，以液体（通常是水或一种防冻液）作为传热介质，以水作为储热介质，热量经由散热部件送至室内进行采暖。液体太阳能采暖系统一般由太阳能集热器、储热水箱、连接管路、辅助热源、散热部件及控制系统等组成。（2）空气太阳能采暖系统空气太阳能采暖系统就是利用太阳辐射能并通过集热器转换为热能，以空气作为集热器中循环的传热介质，以岩石堆积床作为介质，热空气经由风道送至室内进行采暖。空气太阳能采暖系统的优点是:结构简单，安装方便，制作及维修成本低，无需防冻措施等优点;其缺点是:所需用管道投资大，风机电力消耗大，储热体积大以及不易和吸收式制冷机配合使用等。空气太阳能采暖系统一般由太阳能空气集热器、岩石堆积床、辅
24、助加热器、管道、风机等几部分组成。(3)地面辐射板采暖系统地板辐射采暖是建筑采暖方式中的一种，它是在房屋地板的下面敷设塑料管，以热水作为采暖系统的热媒。所谓太阳能地板辐射采暖系统，就是由太阳能集热器提供地板辐射采暖所需要的热水。2.3.1太阳能采暖系统的特点太阳能采暖系统通常由太阳能集热器、贮水箱、分水器、集水器、循环水泵、辅助能源等部分组成。太阳能采暖系统与常规能源采暖系统相比，有如下几个特点：(1)系统运行温度低。由于太阳能集热器的效率随运行温度升高而降低，因此应尽可能降低集热器的运行温度，即尽可能降低采暖系统的热水温度。若采用地板辐射采暖或顶棚辐射板采暖系统，则集热器的运行温度在20。C
25、28。C之间就可以了，所以可使用平板集热器；而若采用普通散热器采暖系统，则集热器的运行温度必须达到50y60。C或以上，所以应使用真空管集热器。(2)有储存热量的设备。照射到地面的太阳辐射能受气候和时间的支配，不仅有季节之差，一天之内也有变化，因此太阳能不是连续、稳定的能源。要满足连续采暖的需求，系统中必须有储热设备。对于液体太阳能采暖系统，储热设备可用储热水箱；对于空气太阳能采暖系统，储热设备可用岩石堆积床。(3)与辅助热源搭配使用。当太阳能不能满足采暖需要的热量时，或者在气候变化大而储存热量又很有限时，特别在阴雨雪天和夜晚根本没有日照，因此太阳能不能成为独立的能源。要满足各种气候条件下采暖
26、的需求，辅助热源是不可缺少的。太阳能采暖系统的辅助热源可采用电力、燃煤、燃气、燃油和生物质能等。(4)适合在节能建筑中应用。由于地面上单位面积能够接收的太阳辐射能有限，因此要满足建筑物采暖的需求且达到一定的太阳能保证率，就必须安装足够多的太阳能集热器。如果建筑围护结构的保温水平低，门窗的气密性又差，那么在有限的建筑围护结构面积上不足以安装所需的太阳能集热器面积。(5)按集热器的工作温度范围分为低温集热器、中温集热器和高温集热器。1)低温集热器是工作温度在100以下的太阳集热器。2)中温集热器是工作温度在10(20(C的太阳集热器。3)高温集热器是工作温度在200以上的太阳集热器。2. 4本章小
27、结本章讲述了太阳能采暖系统组成部分以及其工作原理。介绍了储热水箱、辅助能源、循环泵等设备的组成以及工作原理。着重解释太阳能采暖系统中太阳能集热器的工作原理和太阳能集热器的分类。3采暖系统的计算2.1 建筑工况2.1.1 我国太阳能分布太阳能资源是一种清洁的、没有任何污染的、能够源源不断用使用的可再生能源。在中国，一年的日照时间超过2200h,我国有2/3的地区，太阳总辐射量每年都会大于5020MJ,太阳能资源非常丰裕。按照太阳辐射能量的大小，可以将我国区域的太阳能资源状况分成五类，如表3.1所示。由表中可是张掖市处于一类地区，所以在太阳能资源丰富、利用潜能大、研究价值高的张掖市作为研究对象。表
28、3.1我国太阳能资源分布图太阳能资源划分资源特点全年太阳辐射总量MJ/m2日辐射量kwhm2分布地点一类地区资源丰富带6680-84005.1-6.4宁夏、青海、甘肃新疆和西藏二类地区资源较丰富带5850-66804.5-5.1山西北部、西藏东南部与新疆等省三类地区资源亚丰富带5000-58503.8-4.5山东、新疆北部、辽宁、云南、广东、甘肃等省份四类地区资源欠丰富带4200-50003.2-3.8湖北、福建北部和浙江等省份四类地区资源少丰富带3350-42003.2-3.8四川、贵州两省2.1.2 建筑概况研究对象地点位于甘肃省张掖市，该地区海拔1385m,年平均气温在8.3,属于大陆性
29、干旱地带，气候特点是：冬季温度很低，昼夜温差大，而且很少下雨，日照时数4074ho所以该区域太阳能资源丰富，传统的采暖方式完全可以用太阳能供暖来替代，这样做一方面减少了建筑能耗，另一方面环境空气质量也得到了改善。整个建筑南北方向,总共有六层，一梯两户，建筑内部构造有两室两厅、卫生间厨房和书房。如图3.2、3.3所示。OUT-,TigQF !-OUST OQs bh(b(a二 r(D S 图3.2首层建筑平面图O (p (D-r-(BCCaCCCKCCaL300018003150 IBOO 2700 1800315018003000 M)O)。恳寓建露图色3. 2热负荷计算采暖系统的热负荷可用下
30、式计算Qh=QhA（3.D式中：以日平均采暖负荷，w；qH单位建筑面积建筑物的耗热量,Wm2;4一建筑面积，m2；由3.1.2节可知一层面积4为237m2；根据建筑节能设计标准（GB50189）的规定，根据全国供热热负荷指标标准，甘肃地区热负荷指标为55-65W11本设计热指标夕取62Wma;代入式（3.1）可得出每一房间的采暖热负荷，如表3.4、3.5所示,本建筑由于是一梯两户，所以左右两户面积一样，代入式（3.1）所得日平均采暖负荷。为12672.8W,二至六层面积一样，所得日平均采暖也一样，代入式（3.1）可得日平均采暖负荷。为60357Wo最后得出本建筑采暖总负荷为73029.8Wo表
31、3.4首层采暖负荷计算结果房间面积/m2热负荷指/W?采暖热负荷/W一层右侧卧室14.162874.2一层右侧客厅22.3621382.6一层右侧主卧室18.0621116一层右侧书房10.862669.6一层右侧卫生间9.062558一层右侧餐厅11362700.6一层右侧厨房7.062434一层入户门9.762601.4表3.5二至六层采暖负荷计算结果房间面积/m2热负荷指/W?采暖热负荷/W二层右侧卧室14.162874.2二层右侧客厅22.3621382.6二层右侧主卧室18.0621116二层右侧书房10.862669.6二层右侧卫生间9.062558二层右侧餐厅11362700.6
32、二层右侧厨房7.0624343. 3集热器的确定3.3.1 集热器面积计算采用直接太阳能采暖系统，集热器的大小取决于集热器的特点、周围环境的温度、采暖系统的运行状态以及采暖设备的使用寿命，集热器面积的计算可采用以下公式计算:(3.2)A=86400QHf/ECd(I-E)式中：儿太阳能采暖系统集热器总面积，m2；。一日平均采暖负荷，W；Jt-系统使用期在集热器平面上的日平均太阳能辐照量，Jm)太阳能保证率，可参考表3.4选取；小系统使用期的平均集热效率；%管道及储水箱热损失率，一般取值0.20.3；日平均采暖负荷。根据表3.6可知,取值为10713W,太阳能保证率根据表3.4,取值为30%,甘
33、肃省张掖市系统使用期的平均集热效率，取值为40%,该系统使用期在集热器平面上的日平均太阳能辐照量4取值为13.6xl(管道及储水箱热损失率区,取值为0.2,最后得出集热器总面积AC为103m，表3.6太阳能保证率取值太阳能资源等级太阳能保证率/%短期蓄热系统季节蓄热系统资源丰富区I5060资源较富区II30-504060资源一般区IIIIOS3020-40资源贫乏区IV5-10IoS203.3.2 集热器的选型目前，太阳能集热器常用的类型有三种，分别是平板集热器、真空管集热器、和热管集热器。(1)平板集热器平板集热器由吸热体、透明盖板、隔热体和壳体等组成，它是利用太阳能来加热水的部件，但它不能
34、独立工作，必须要与其他专用热水系统设备结合使用，通过集热器将热量传输到系统的储热箱，从而得到热水。其工作原理是当平板集热器工作时，太阳辐射穿过透明盖板后，投射在吸热板上，被吸热板吸收并转换成热能，然后将热量传递给吸热板内的传热工质，使传热工质的温度升高，作为集热器的有用能量输出；与此同时，温度升高后的吸热板不可避免地要通过传导、对流和辐射等方式向四周散热，成为集热器的热量损失。平板集热器适用于生活用水加热、游泳池加热、工业用水加热、建筑物采暖与空调等领域（2）真空管集热器真空管集热器由外玻璃管、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。真空管集热器的一端
35、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。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黏结一只金属保护帽，以保护抽真空后封闭的排气嘴。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。真空管集热器具有结构简单、性能优良、吸热性能高、抗低温能力强、生产工艺先进可靠、特别适合于大批量规模化生产，同时，还具有较高的抗击打能力的特点，所以自问世以来，在短短的几年中就得到了长足的发展。各种以玻璃为基材的新型真空管集热
36、器不断涌现，有力地推动了我国太阳能采暖行业的技术进步，使我国一跃成为当今世界太阳能热水器生产和应用的大国。（3） U型管集热器U形管集热器主要由吸气剂、弹簧卡子、红外反射层（铜）、吸收层（不锈钢氮化铝金属陶瓷）、减反层（氮化铝）等部分组成。当太阳光照射到真空管上，真空管吸收阳光，把阳光化为热量，并通过传热翅片将转化的热量传给U形管，从而加热U形管内部的导热介质，导热介质在U形管与水箱之间循环将热量传递给冷水，从而将冷水逐渐加热为热水。U形管集热器由于抗冲击性能差，存在炸管漏水问题；不承压，一般在开式系统中使用。（4）热管集热器热管式真空管集热器由真空集热管、导热块（或导热套管）、联集管、保温材
37、料、保温盒、尾托架等部分组成。热管集热器是太阳光照射到真空管上，光能被真空管上的选择型吸收涂层吸收转化为热能，并通过传热翅片将转化的热量传递给热管，使热管蒸发管段内的工质迅速汽化，工质蒸汽上升到热管冷凝端后凝结，释放出蒸发潜热，凝结后液态工质依靠自身重力流回蒸发段，反复此过程，将热量传递给集热器内的水，从而将水加热。由于热管集热器联集管内的传热工质与集热管冷凝段之间是不直接接触的，集热器联集管没有漏水隐患，可以承受较高的运行压力，个别集热管破损也不会影响整个集热器的运行，维护起来非常方便，因而特别使用于大中型采暖系统中。根据张掖市的环境湿度、实际的太阳能辐射量、冷水水温情况，同时结合真空管的质
38、量和工艺，从而确定真空管的集热器。用全玻璃真空管集热器与平板集热器作比较可以看出，全玻璃真空管的外管相当于平板集热器的透明玻璃盖板和外壳；内管和附着在内管外表面的选择性吸收涂层相当于平板集热器的吸热体；内外管之间的真空夹层相当于平板集热器的隔热材料（保温层）。进一步比较会发现，以国家标准GB/T17049-1997全玻璃真空太阳集热管为依据生产的全玻璃真空管具有更为优良的性能。保证了全玻璃真空管集热器较高的吸热性能，有效地避免了平板集热器的传导和对流热损失，并且提高了集热器的抗低温能力，同时，还具有较高的抗冰雹（击打）能力。通过上述比较可见，正是由于真空管集热器具有结构简单、性能优良、生产工艺
39、先进可靠、特别适合于大批量规模化生产的特点，所以本设计采用真空管集热器。具体如表3.7。表3.7正空管集热器参数产品型号特斯富-58x1800x50集热器件全玻璃真空管集热管规格数量58mm1800mm50支尺寸58mm1800mm集热器采光面积4.92m2额定工作压力0.06MPa集热功率7137W根据表3.7可知单台集热器采光面积为4.9211f,集热器的总面积为10311f,则需要特斯富-58x1800x50型号的集热器21台。3.4本章小结本章叙述了甘肃省张掖市某住宅楼的建筑概况，通过对太阳能资源分布情况的分析,确定本系统建筑的资源分布区域。重点计算该建筑的日平均热负荷总量，计算集热器
40、所需面积并对集热器选型。4太阳能采暖系统的安装4.1 太阳能集热器安装在赤道坐标系中，确定太阳能的位置与多个因素有关，不仅与太阳高度角、维度以及时角有关，同时还需要结合赤纬角、方位角的数据进行计算。在安装太阳能集热器时，确定其倾角的主要因素为所在地的维度，同时还需考虑到当地的气候特点，从而确定其安装位置和倾角，实现最大范围的吸收太阳辐射，确保其集热量保持最大值，以此实现较好的采暖效果。一般而言，在夏季，阳光充沛，可以吸收较强的日照辐射，从而满足采暖需求；但在冬季却无法采集充足的热量，再加上由于季节变化，集热器的倾斜角在安装方面也受到一定的影响。出于采光面积最大化的考虑,夏季安装会在当地维度的基
41、础上减10。来确定安装角度；而在冬季则会加10。来确定集热器的安装倾角。本文针对甘肃省张掖市，设计太阳能采暖系统，夏季采暖可以符合采热需求，但冬季供暖需要考虑多重因素。由于甘肃省张掖市的冬季时间较长，并且室外温度偏低。从而将该系统背景设计为冬季。4.1.1 太阳能集热器的安装方位和倾角根据4.1节所述内容，太阳的高度角与集热器安装的位置，遮盖要求的集热器安装最小的距离可按式(4.1)计算：S=Hcotzcos0(4.1)式中：S集热器满足不遮挡条件的最小安装距离，m；“一一前排集热器最高点与后排集热器最低点的垂直高差，m；h一一计算时刻的太阳高度角；y0一计算时刻太阳光线在地面面上的直射线与集
42、热器表面法线在地面的直射线之间的夹角；查表4.1：计算时刻的太阳能高度角九二24。071前排集热器最高点与后排集热器最低点的垂直高差”取值为25cm；0取值为18。431代入公式(4.1)得集热器满足不遮挡条件的最小安装距离S为1.25m。如图4.2所示。则集热器的表面法线偏离南方向时，应该要比较正午前后的两个计算时刻的夹角最小值。按式(4.2)计算：o=minabs(+/),abs(-/)(42)式中：计算时刻的太阳方位角，上午取负值；了集热器的方位角，即集热器表面法线在水平面的投影线与正南向夹角,偏东方向取负值；abs括号中计算结果的绝对值；min取括号中两值中的最小值；查表4.1：太阳能
43、方位角。二-30。10，；集热器方位角取值为7=10。；代入公式(4.2)得出集热器最小安装角丫二20。IOQ所以根据张掖市安装因素取集热器的安装角度为45oO如图4.2所示。表4.1甘肃主要城市的计算时刻的太阳能高度角和方位角城市太阳能高度角力太阳能方位角0春风8：00春风9：00冬至10:00春风8：00春风9：00冬至10:00酒泉2340，3435,2337,-7100,-59012,-3002,张掖23o5V34532407,-7115-5933-3010金昌21103042,1702-6813-55019，-2843,武威26056,395133028,-76016,-6704-3
44、3022,天水2544,3753,29。31-7402,-6338-31494.2集热器的布置结合4.1.1节中所述内容，可知集热器的前后排布置情况和安装倾角，为了实现吸收更多太阳能辐射的目标，必须对集热器的安装位置进行合理安装，尽可能每组集热器可以发挥最大效用，避免出现被阴影遮挡的情况，大多数为前排的位置不合理，导致后排集热器无法有效吸收，或者可能出现周边有高大建筑物，导致阳光照射被阻挡，不利于太阳能集热功效，甚至还可能增加用户投资，影响采暖系统的经济性。因此，在选择合适位置安装太阳能集热器时，必须对这样问题加以重视，减少周边建筑物的遮挡概率。太阳能集热器安装位置应根据建筑的类型、使用方法、
45、安装的条件等因素来确定。住宅楼的集热器大多数安装在顶部如图；则公式（3-4）计算的集热器面积。针对住宅楼工程实际用水特点，需要更可靠、更安全、操作简单的热水，在设计太阳能采暖系统时需要做相应的保障措施，主要措施如下：（1）系统防垢。当水温超过60C后，水中的钙、镁离子会受热析出，在设备管道内结垢，从而影响系统的集热效果，设计中采用强磁水处理器，实践证明强磁水处理器具有良好的防垢、溶垢、杀菌、灭藻、防腐蚀、防锈水的作用。（2）集热器防风。集热器支架采用国系统安装完成后，钢结构基础与建筑主体连接保证系统牢靠、固定。（3）防炸管措施：排气阀、安全阀。太阳能系统在持续的高温运行工况下，管路内会产生气体
46、，可通过排气阀排出；4.3末端装置的确定在太阳能采暖系统中常用的末端装置有地板辐射采暖装置和管道采暖装置两种。1、地板辐射采暖装置地板辐射采暖是通过低温热水地面辐射供暖，热水管道铺设在地板之下，然后进行加热，再将热量辐射到房间当中，是对房间温度进行调节的采暖系统，在散热的过程中，是通过地面从下往上进行传递的，室内各个角落的温度差异很小。符合人体健康的要求,热稳定性好，关掉还可以热很久，灰尘少，不会引起呼吸道发病。加厚楼层，减少噪音。不过水地暖也有一定的缺陷，比如降温慢，要调低室内温度时，难以及时地起到温控的作用，安装的要求比较严格，需要正规的工作人员才能完成，否则后期容易出现问题,预热的时间比较长，占用的层高快10厘米了，对层高有影响。2、管道采暖装置管道采暖是通过热水流动在水道中进行水辐射式散热，在靠近暖气片附近的空气会首先受热然后出现一个热空气上升的现象。因为气体是流动的，所以还未受热的冷空气会渐渐补充到暖气片周围上升热空气的位置，被加热后就会继续上升，之前遇热上升的空气
