学校太阳能空气能辅助热水工程设计方案
设计单位：上海宝第居安环境工程科技有限公司
2013年03月09日
目录
一、摘要
二、前言
二、背景介绍
三、工程各大亮点
1、控制系统
2、太阳能集热器
3、太阳能水箱
4、辅助加热设备-空气能
5、IC卡水控系统
6、开水器
四、效益分析
一、摘要
该太阳能项目旨在为全校学生解决洗浴生活热水问题,设计采用太阳能+空气源热泵联合供热水,太阳能+开水机联合供开水。既满足学校用水需求,又响应国家倡导的绿色环保政策的号召。
该方案由上海宝第居安环境工程科技有限公司设计，包括太阳能热水系统和太阳能开水系统两大项。该项目总投资110万元，计划于2014年5月30日竣工。
二、前言
该项目采用的是集中集热集中储热的模式，在学校太阳能案例中属于很典型的一种，中学太阳能项目将成为我公司的样板工程，具有代表性。
首先，本太阳能项目施工队伍配置人员皆是我公司具有多年大型工程安装经验，太阳能专业知识非常丰富，个人素质非常高，且都是我公司安装队伍的领班人物。从这一点出发，公司用心，学校放心。
第二,上海宝第居安环境工程科技有限公司,是专业承接太阳能中央热水系统,专业从事太阳能热水系统产品销售、安装、服务为一体的技术服务型企业。
1、用水情况：
该校是寄宿制学校，学生集中在宿舍洗浴间洗浴。故分别在南北宿舍楼各安装一套15T太阳能热水系统，以满足全校学生洗浴用热水。另外每栋宿舍楼分为男女两个浴室，每间浴室各安装IC卡淋浴喷头15套。本系统按春、夏、秋、冬四季均使用太阳能系统洗浴进行设计，用水方式为全时供水。
学校太阳能开水系统共四组，南北宿舍楼各有两组，每组各配置开水机两台，满足学校学生日用开水需求。
2、项目建设内容：
①太阳能热水系统安装集热器：南楼宿舍楼集热器数量为SJ47-1500-60型集热器32套，总计真空管1920支，集热面积198.4平方米；北楼宿舍楼集热器数量为SJ47-1500-60型集热器32套，总计真空管1920支，集热面积198.4平方米。
整套太阳能热水系统共计真空管3840支，总计集热面积396.8平方米。
②太阳能开水系统安装集热器：南楼宿舍楼集热器数量为SJ47-1500-60型集热器12套，总计真空管720支，集热面积74.4平方米；北楼宿舍楼集热器数量为SJ47-1500-60型集热器12套，总计真空管720支，集热面积74.4平方米。
整套太阳能开水系统共计真空管1440支，总计集热面积148.8平方米。
③安装空气源热泵：KFXRS-038型空气源热泵4台。
④安装水泵：水泵共计32台。其中热水系统8台,开水系统24台。
⑤安装IC卡淋浴喷头：共60套。男女浴室各两间，每间浴室各15套。
⑥安装水箱：容积15m³不锈钢储热水箱2台，尺寸：2.5m*3m *2m；
容积0。5T圆形不锈钢水箱8台,尺寸：890mm（直径）*1550mm（高度）,容积1m³圆形不锈钢储热水箱4台,尺寸：870mm*1800mm。
⑦安装除垢器：日处理水16吨2台,日处理水1吨4台。
⑧安装开水机：8台，规格为6KW。
三、工程各大亮点
1、控制系统
控制系统根据学校用水特点及要求,本项目太阳能控制系统具有以下特点：
(1)控制系统采用可编程智能控制、液晶屏显示,以实现系统全自动、智能化控制(太阳能定温放水、自动补水功能、温控自动防冻、系统安全运行自动保护、辅助加热系统的自动运行等),无需专人管理,保证控制系统稳定、可靠地运行；液晶屏显示界面友好,参数设置、修改方便,各种运行参数显示一目了然。
(2)控制程序将温度、水位、时间、流量等参数巧妙融合，实现充分和优先利用太阳能，将太阳能与辅助加热系统完美结合，最大限度地减少辅助加热系统的运行时间，降低电能的消耗。
(3)控制系统设有应急手动功能，保证在控制系统出现问题时，能实现手动控制，系统在应急状态下能正常运行，保证学生的正常洗浴。
(4)控制系统具有断电记忆功能，有记忆控制系统的设置数据和系统运行的各种参数，保证数据不丢失。
(5)系统具有很强的抗干扰性和屏蔽性能，不因其他系统的信号干扰本系统的正常工作，或本系统的信号干扰其它系统的正常工作。
(6)系统故障自诊断功能：能随时反应系统内设备和传感器的工作状态，能自动进行故障诊断。
(7)系统管理功能：为确保系统的正常运行，设置管理员登陆密码，需输入密码才能进入界面进行操作设备。
2、太阳能集热器
太阳能集热器是太阳能热水系统的核心元件，其性能的好坏直接决定了系统能否取得应有的效果。本项目太阳能热水系统中真空管采用四季沐歌三靶镀膜技术和旋转磁扫描结构，加入稀有金属成分，改善镀膜层分子结构，真空管(真空度高达5×10-3Pa)，对阳光有很高的吸收率(a＞96%)和极低的热发射率(β＜4%)，具有集热效率高、热损小、耐高温(空晒温度高达330度)、抗高寒(-40度)等特点，从而减少了真空管由于长期空晒而造成的膜层老化、变色、性能衰减等问题，使用寿命长。采用了三高全玻璃真空管集热器，每个模块有60支管子组成。与普通集热器相比，该款集热器具有真空管排列密集，单位长度集热管数量多，吸热快、效率高；保温层采用50mm环保型无氟聚氨酯发泡保温，保温性好，绿色环保；内胆采用304/2B食品级不锈钢内胆，卫生洁净，外皮采用仿不锈钢拉丝板，外观漂亮大方。
太阳能热水系统工程集热器分别位于南北宿舍楼顶以上，均以南北4套，东西8套阵列方式排列摆放。太阳能开水系统工程以南北3套，东西2套和南北2套，东西3套两种阵列方式排列摆放。有效的利用楼顶上的空间，与建筑相结合，与学校周围环境相辉映，犹如一道亮丽的风景线。
3、太阳能水箱
本项目太阳能水箱内胆材质304/2B食品级不锈钢，保温采用50mm聚氨酯现场发泡，外护材质0.5mm不锈钢。与其他类型水箱相比，不锈钢水箱具有以下特点：
(1)款式新颖,技术一流：由单元矩形成型板任意拼装焊接,具有漂亮的外观,对应配套,选择灵活。
(2)安全卫生,经久耐用：整个系统为封闭式,不锈钢材料表面光滑,不易附生藻类,水中沉淀物亦清晰冲刷。
(3)安装方便，任意组合：采用单元矩形不锈钢成型板拼装焊接组成，可依据设备设置场所，任意组合成多边形、阶梯形、L形等形态各异的水箱。
(4)选材优异 防蚀抗裂：选用性能优异的奥氏体、铁素体、超低碳不锈 钢板材拉伸压制，具有独特的耐腐蚀抗裂性能。
(5)制作精良，保温优良、外形美观：以精密的成型模具液压拉伸成型，单元矩形凹凸水箱板成型精度高，保温效果好，昼夜温差小于3℃。
太阳能热水系统工程热水箱采用两个容积为15T的方形水箱，外形尺寸为2.5*3*2（高度），均放置在屋顶。
太阳能开水系统工程热水箱采用4个容积为1T的圆形水箱，外形尺寸为：870mm（直径）*1800mm（高度），8个0.5T的圆形水箱，外形尺寸为：770mm（直径）*1425mm（高度）。
4、空气能辅助加热设备
设备采用四季沐歌空气能热泵机组
机组技术特点
低温风冷热泵机组克服了传统风冷热泵机组的运行温度限制，大大扩展了其温度应用范围，在-20℃的环境温度下依旧可以可靠稳定的运行；低温风冷热泵机组之所以能够如此高效、稳定的运行，是由于机组系统中采用了经济器系统，以实现补气增焓。
机组还具有如下特点：
低温制热功能卓越：低环温热泵机组可在-20℃的环境中正常供热、结构结凑，换热面积大，空气流动阻力小，换热效率高、泄漏率低、机组组合方便，选型灵活，互为备用，运行经济、高温出水，最高可达60℃、配件精良、换热效率高、智能除霜、全电脑控制、低噪声。
太阳能热水系统工程每个系统均采用2台KFXRS-038空气源热泵机组作为辅助能源,并联连接,按需启动,确保在阴雨天气条件下热水的供应。
5、IC卡水控系统
根据学校学生用水情况,南北宿舍楼各有两个浴室,在每间浴室各设有15个淋浴喷头,采用IC卡淋浴水控系统。学校通过智能IC卡控水收费系统,计时收费,科学的控制用水,可节约用水55%以上,避免了无谓的浪费；学生持卡洗澡,绝对的实行谁用水谁付费,多用多付费,少用少付的原则,合理公平得分配了用水,养成学生勤俭节约的习惯。
系统由管理中心、应用节点、用户卡片构成。有如下功能特点：
● 本产品采用智能IC卡一卡通技术；
● 以卡控制阀门开关，将卡放在卡槽的左侧自动扣费出水，滑到卡槽右侧自动断水，停止计费。使用更方便，设计更加人性化；
● 8位LED显示，可以显示卡中余额、费率、以及单位扣费的剩余时间等信息；
● 变人工收费为自助收费,实现收费自动统计,管理更科学,更现代；
● 全防水无接缝设计，保证产品具有更高稳定性、耐用性；
● 自动识别持卡人的合法性，根据卡内账户信息决定是否允许消费；
● 系统遇强磁干扰，非法开壳等恶意破坏行为时，控水器自动关断阀门；
● 市电停电后，电磁阀自动关阀，防止用水失控；
● 控水器与电磁阀均为12V(以下)电压，充分保证使用者安全；
● 使用电子钱包方式扣费,帐目更准确,数据更安全；
6、开水器
本项目选用国产优质开水器。
根据学校用水情况，设计每一套太阳能开水系统配置两台开水器。
①出水即开水，沸腾就一次
采用国际先进的步进水加热技术，逐层进水逐层加热，可连续提供100%纯开水并保证出水持续恒温，避免传统浮球阀开水器生熟水混合的“阴阳水”问题；完全实现冷热水分离，确保仅一次沸腾，避免一般沸腾式开水器靠蒸汽膨胀从加热箱内保温箱储水重复加热现象，解决了“千沸水”问题。
②三重防漏电保护,使用安全
可靠接地/漏电保护/漏电自动报警
每一台开水器都保证有优良的绝缘和接地设计，即使用电环境缺乏良好的接地措施，开水器配置的优质防漏电保护器也可以发生漏电的0.1秒内迅速切断电源，同时自动报警提示，确保使用安全。
③大出水量设计
逐层步进水加热,不间断供水。在供应开水同时可同步向开水箱内补充开水。连续供开水能力是同容积传统开水器的2至3倍,节约后厨宝贵空间和配电资源,降低运营成本。
④高可靠性
该产品,采用专用低单位功率加热管,较传统加热管延长寿命一倍以上。
⑤超级节能
采用逐层加热技术，环保防火保温层，可最大限度减少热量散失，整体较传统开水器省电最高可达40以上。
产品型号：GB-60E
外形尺寸(长×深×高)：420×330×760mm(不含底座)
额定功率：6KW
额定电流：9.1A
额定电压（AC）：380V
推荐电源：三相五线
容 积：60L
连续供开水量(5磅暖瓶)：37
四、效益分析
1、系统总能量
（一）太阳能热水系统
系统每天将30吨15℃的水升温到50℃，总共耗费的能量为：
＝4。2×30×103×（50－15）≈4。4×106KJ
式中：Q—该热水系统运行需要的能量（KJ）
Cp—水的定压热容（Cp=4.2KJ/(kg℃)
△T—水的温差（即热水温度与基础水温之差）
m—水的质量（kg）
若上述热量由燃油锅炉提供：
每天耗油量为：(4.4×106)/（46040×80％）≈120（Kg）
每天燃烧柴油费用：120×9.5元/ Kg≈1140（元）
若上述热量由燃气锅炉提供:
每天耗气量为：(4.4×106)/（16742×85％）≈310（m3）
每天燃气费用：310×2。2=682（元）
若上述热量由电锅炉提供:
每天耗电量为：(4.4×106)/（3600×95％）≈1286（Kwh）
每天电费：1286（工业用电)＝1286（元）
若上述热量由空气源热泵提供:
每天耗电量为：(4.4×106)/（3600×95％）≈1286（Kwh）
空气源热泵的全年COP为3，每天消耗的电量为1286/3=428
每天电费：428（工业用电)＝428（元）
若上述热量由燃煤锅炉提供:
每天耗煤量为：(4。4×106)/（13536×55％）≈592（Kg）
每天燃煤费用：592×0。80≈473。6（元）
表一
类别 耗量/天 单价（元） 费用总价（元/天）
燃煤锅炉 592kg 0.8 473.6
燃油锅炉 120kg 9.5 1140
燃气锅炉 310m3 2。2 682
电锅炉 1286kwh 1 1286
空气源热泵 428kwh 1 428
（二）太阳能开水系统
系统每天将4吨15℃的水升温到90℃，总共耗费的能量为：
＝4.2×4×103×（90－15）≈1.26×106KJ
若上述热量由燃油锅炉提供：
每天耗油量为：(1。26×106)/（46040×80％）≈34（Kg）
每天燃烧柴油费用：34×9.5元/ Kg≈323（元）
若上述热量由燃气锅炉提供:
每天耗气量为：(1.26×106)/（16742×85％）≈88（m3）
每天燃气费用：88×2.2≈193（元）
若上述热量由电锅炉提供:
每天耗电量为：(1。26×106)/（3600×95％）≈368（Kwh）
每天电费：368（工业用电)＝368（元）
若上述热量由燃煤锅炉提供:
每天耗煤量为：(1.26×106)/（13536×55％）≈169（Kg）
每天燃煤费用：169×0.80≈135.2（元）
表二
类别 耗量/天 单价（元） 费用总价（元/天）
燃煤锅炉 169kg 0.8 135.2
燃油锅炉 34kg 9。5 323
燃气锅炉 88m3 2。2 193。6
电锅炉 368kwh 1 368
故太阳能热水系统和开水系统一天所需能源费用如下：
表三
类别 耗量/天 单价（元） 费用总价（元/天）
燃煤锅炉 761kg 0.8 608.8
燃油锅炉 154kg 9.5 1463
燃气锅炉 398m3 2.2 875.6
电锅炉 1654kwh 1 1654
空气源热泵 428kwh 1 428
2、其它能源及设备的参数
能源当量热值
类别 单位 当量热值（KJ） 折算热值
KJ Kg标准煤
电能 Kwh 3599。5 11925 0。407
蒸汽（低压） Kg 2687.7～2762.4 3976 0.136
汽油 Kg 43116 47422 1。619
柴油 46040 50639 1.729
煤油 43111 47422 1。619
重油 41855 46040 1。571
渣油 37670 41436 1.414
燃料油 41310 45455 1.551
焦炭 Kg 28416 33484 1.143
城市燃气 16742 32228 1。1
焦炉气 17998 21179 0.723
炼厂气 m3 43948 48343 1.65
液化石油气 m3 50226 55249 1。886
注：1、烟煤Ⅰ类的当量热值为13536KJ/Kg。
2、锅炉效率及能源费用
类别 燃煤锅炉 燃油锅炉 燃气锅炉 电锅炉
效率 55% 80% 85% 95%
能源费用 烟煤Ⅰ类800.0元/t 柴油9.5元/Kg 燃气：2.2元/m3 用电：1.0元/KWh
各种能源效益分析对比：
项目 太阳能热水系统+开水系统 燃煤锅炉 燃油锅炉 燃气锅炉 电
系统每天需提供热量 5.66×106KJ
设备投资（元） 1001587 50000 50000 50000 50000
装置使用寿命 15 5 8 8 15
15年设备总投资(元) 1001587 150000 100000 100000 50000
每年使用天数 80 365 365 365 365
每天燃料/电费（元） 428 608.8 1463 875.6 1654
每年燃料/电费（元） 34240 222212 533995 319594 603710
15年能源费用（元） 513600 3333180 8009925 4793910 9055650
15年人工费用（元） 0 300000 300000 300000 0
15年运行总费用（元） 1515187 3783180 8409925 5193910 9105650
太阳能与之相比节约（元） 0 2267993 6894738 3678723 7590463
注：1、以上各个系统投资均未考虑银行利率。
2、燃油锅炉系统价格包括锅炉本体、油箱、抽油泵、锅炉房、管道管件保温材料等。
3、燃气锅炉系统价格包括燃气锅炉、水箱、锅炉房、管道管件保温材料、入户费等。
4、在运行的过程中，考虑阴雨天气等气候条件，此处按全年有80天使用电能来加热。
5、以上太阳能热水系统的投资经济性分析是建立在廊坊辐射资源和廊坊地区热水需求的条件下进行的分析。
6、太阳能热水系统的推广还应考虑减排温室气体和减少污染物排放带来的社会效益，不应局限于其经济性的的分析。
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