太阳能泳池恒温系统设计方案

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太阳能泳池恒温系统设计方案
    利用太阳能加热泳池水,是一项技术成熟的项目。有资料介绍,在美国70%的太阳能热水系统应用在泳池水加热,目的是延长游泳池的使用时间。国内也有这方面的尝试和工程。

游泳池的所需热负荷主要是池水加热和淋浴。池水加热主要是解决每天池水的温降,与洗浴用水是不一样的,热水不需排掉,可循环使用,只要解决每天温降几摄氏度即可。

游泳池的水量较大,从几十吨至几百吨,所以需要足够的采光面积安装太阳能集热器。还要考虑现场建筑的现有条件,与建筑的连接结构,承重,整体感观,抗风等一系列因素。

由于采光面积较大,集热器数量多,所以还要优选集热器种类,根据游泳池的当地环境和加热实际负荷,选择其性能价格比最佳的集热器品种。在系统运行方面,大的太阳能系统都采用强迫循环方式,集热系统如要采用全玻璃真空管,就要解决承压运行问题。由于太阳光照的不稳定性及昼夜间断性,如果要求保证每天的加热负荷,还必须考虑辅助热源。

最后整个系统的自动运行控制及辅助加热与太阳能系统的自动转换都需要设计合理、安全可靠。
     游泳池是一种大型的水体系统,在自然条件下,特别是在冬季,为延长游泳池的使用时间并保持适宜的池水温度,需要对池水进行加热,因此游泳池也是一个耗能大户。游泳池的加热系统一般采用锅炉(电
锅炉、燃油锅炉或燃气锅炉),但是运行费用太高,而且对环境造成了严重的污染。如果利用清洁的可再生能源——太阳能对游泳池进行加热,不仅运行费用低,而且不会对环境产生破坏作用。所以,在常规能
源日趋紧张、环境日益恶化的今天,使用太阳能对游泳池水进行加热具有重要的经济效益和环保效益。
    游泳池的所需热负荷主要是池水加热和淋浴。池水加热主要是解决每天池水的温降。与洗浴用水不一样,热水不需排掉,可循环使用,只要解决每天温降几摄氏度即可。
游泳池的水量较大,从几十吨至几百吨,所以需要足够的采光面积安装太阳能集热器。还要考虑现场建筑的现有条件,与建筑的连接结构,整体感观,承重,抗风等一系列因素。由于采光面积较大,
集热器数量多,所以还要优选集热器种类,根据游泳池的当地环境和加热实际负荷,选择其性能价格比最佳的集热器品种。在系统运行方面,大的太阳能系统都采用强迫循环方式,
集热系统如要采用全玻璃真空管,就要解决承压运行问题。由于太阳光照的不稳定性及昼夜间断性,如果要求保证每天的加热负荷,还必须考虑辅助热源。
最后整个系统的自动运行控制及辅助加热与太阳能系统的自动转换都需要设计合理、安全可靠。
泳池太阳能加热系统,设计过程注意要点:
  一、泳池设计要求
  游泳池尺寸12.5m×30m,分为3段,每段的水深分别为1.4米、1.6米、1.8米,总容水量约为600m3。泳池室内环境空气温度约为24~26℃。建筑尺寸为50米×18米,朝向为正南。
  用水要求
  游泳池要求24小时保证水水温保持在25~27℃;只考虑泳池的热损及每天补充水的热量。
  当地气象资料
  1、冷水计算温度:本方案在设计时冷水计算温度取10℃。
  2、根据国家气象中心提供的《中国气象辐射资料年册》(2001年),长春(区站号:54161;东经125o13′;北纬43o54′;观测点海拔高度236.8米)的月日均及年总辐射数据(单位MJ/m2)如下:

  二、泳池加热系统原理
  运行原理说明
  系统均采用双水箱结构,联集管集热器和其中的A水箱通过管路、水泵连接成回路组成集热循环系统。控制系统通过检测集热器和A水箱的温度差值来控制水泵的启动与停止,当集热器探测点的温度和水箱内的温度差达到设定的数值(温差循环启动温度)时,水泵启动,将A水箱中的水送入集热器,同时集热器中的相对高温水流入A水箱,结果导致集热器探测点的温度逐渐降低,A水箱的温度逐渐升高,二者的差值降低到设定数值(温差循环停止温度)时,水泵停止运行,集热器中的水在太阳的辐射下温度又开始升高,当升高到一定值时,又开始下一个循环过程。热水系统就是通过这种强制循环的方式把集热器吸收的太阳能储存到水箱中的。
  另外B水箱(假定为)为恒温控制水箱,B水箱和A水箱直接连通,B水箱通过辅助锅炉把水箱中的水控制在一定的范围之内,形成一定量的热水储备从而保证随时提供热水,从B水箱中取水使用。
A水箱和B水箱之间还进行温差循环,B水箱中的水通过板式换热器与泳池中的水进行循环换热。
  三、重要项目校核计算及说明
  游泳池能耗计算
  (1)游泳池尺寸12.5m×30m,游泳池总水量约600m3,要求水温保持在25~27℃左右;
  (2)根据贵方提供的资料,游泳池室内环境空气温度约为25℃。
  1、游泳池的补充水量选定
  一般按下表选取:(《游泳池和水上游乐池给水排水设计规程》CECS14:2002规定)

  根据泳池性质结合上述标准,设计补充水量为总容积的5%~10%,本方案设计取5%。
  游泳池水容量为600m3;
  每天补充水量为30m3。
  2、游泳池池水设计温度

  水池温度与环境温度有关,如室内游泳池因有完善的采暖空调设施,池水温度25℃左右即可;如果气温较低,池水温度以27℃以上为宜。根据用户的使用要求,选取池水温度为26℃。
  3、热量计算
  游泳池水加热所需热量,应为下列各项耗热量的总和:(《游泳池和水上游乐池给水排水设计规程》CECS14:2002规定)
  a、水表面蒸发和传导损失的热量;
  b、池壁和池底传导损失的热量;
  c、管道的净化水设备损失的热量;
  d、补充水加热需要的热量。
  详细热量计算过程如下:
  (1)水表面蒸发损失热量:

将数值代入计算的:
  (2)游泳池的水表面、池底、池壁、管道和设备等传导所损失的热量,应按游泳池水表面蒸发损失热量的15%计算确定,即:
  Q=247880.8×15%=37182(kJ/h)
  (3)游泳池补充水加热所需的热量,按下式计算:太阳能集热器每天需提供的热量为:8847909kJ直接采光面积计算

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张培哲 | 2013-2-28 14:18:02 | 显示全部楼层
泳池太阳能加热系统工程概况
该工程为XXX 别墅楼太阳能温水游泳池,游泳池表面积240 ㎡(30m×8m),游泳池总水量按300m3 计。
泳池建在钢结构玻璃窗建筑室内,室内有暖气供应。根据需要,太阳能集热系统仅供室内游泳池水的加热,
池水温度保持在(27±1)℃,室内温度25℃;游泳池四季全天候开放,采用“太阳能+辅助加热设备”的
形式联合供热。
2、基本计算
2.1 加热系统热负荷的计算
2.1.1 水面蒸发损失的热量
计算公式: 1
760
4.187 (0.0174 0.0229)( ) f b q Q P P S
P
= g u + -
其中:g -- 与池水温相等时,水的蒸发汽化潜热,kcal/kg;
f u
-- 池水面的风速,m/s,室内游泳池,取0.2~0.5m/s;
b P -- 与池水温度相等的饱和空气的水蒸汽分压力,Pa;
q P
-- 游泳池的室内环境空气的水蒸汽分压力,Pa;
S -- 游泳池水面面积,㎡;
P -- 当地的大气压力,Pa。
这里取:g =581.9kcal/kg, f
u
=0.3m/s, b P =3.55×103Pa, q P
=1.73×103Pa, P =1.01×105Pa。
计算得: 1 Q =255186kJ/h。
2.1.2 水面传导损失的热量
·2· XXX 新能源股份有限公司技术中心 2010 年9 月
计算公式: 2 Q = 4.187aF(ts - tq )
其中: a -- 水面传热系数,近似采用8kcal/㎡·h·℃;
s t -- 池水温度,℃;
q t
-- 游泳池室内的空气温度,℃;
计算得: 2 Q =16078.08kJ/h。
2.1.3 池底和池壁传导损失的热量
计算公式: 3 4.187 ( ) s t Q = KF t - t
其中: K -- 池底和池壁的传热系数,与土壤接触时取K=1kcal/㎡·h·℃;
s t -- 池水温度,℃;
t t -- 土壤或空气的温度,取t t =18℃;
计算得: 3 Q =12623.81kJ/h。
2.1.4 管道和设备的热损失
管道和设备的热损失按以上3 项和的15%计算,则: 4 Q =38083.19kJ/h。
设计每天开放8h,总散热量为: 0 1 2 3 4 Q = (Q +Q +Q +Q ) ·8 =2335769kJ。
2.1.5 未开放时的热损
在未开放的16h 内,用薄膜覆盖池面,所以不存在水面蒸发损失热量,水表面传导损失热量重新计
算得(室内温度为15℃): 2 Q ' =96468.48kJ/h。
池底和池壁传导损失的热量同白天3 Q '=12623.81kJ/h。
管道和设备损失的热量按以上2 项和的15%计算,则: 4 Q ' =16363.84kJ/h。
在游泳池未开放的16h 内总散热量: 0 2 3 4 Q ' = (Q '+Q '+Q ') ·16 =2007298.08kJ。
2.1.6 每天补充新水所需热量
每天按补充5%的新水(初温为10℃)计算,则补充新水加热所需热量为:
b Q = mcDt =300×4.187×1000×5%×(27-10)=1067685kJ
2.1.7 每天总耗热量
0 0 ' b Q = Q +Q +Q =5410.8MJ
·3· XXX 新能源股份有限公司技术中心 2010 年9 月
游泳池每天开放时所需的保温能量为: Q' = Q0 +Qb / 3 =2691.7MJ
开放时的保温功率为:P = Q'/(8·3600) =93.5KW
2.2 集热面积
游泳池太阳能恒温系统配备了辅助热源,为了有效地利用集热器,降低投资,太阳能集热器的集热
能力按保定地区春秋季晴天平均太阳能辐射量I 设计。按前所述,每天24h 所需要的能量,保定地区春
秋季晴天平均太阳能辐射量I (朝南,当地纬度39.1°斜面)约为23MJ/(㎡·d),则所需的太阳能热

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张培哲 | 2013-2-28 14:18:44 | 显示全部楼层

水系统集热面积按下式计算:
直接太阳能加热时,计算公式: 1 (1 ) j L
Qf
S
I h h
=
· -
其中:Q— 热负荷,kJ; f — 太阳能保证率,保定属Ⅱ资源较富区,取f =55%; j
h — 集热器全
日集热效率,取0.55; L h — 管路及储水箱热损失率,取0.2。计算得: 1 S =294.07 ㎡
间接太阳能加热,采用板式热交换器的面积计算公式: (1.1 ~ 1.2) h
h
j
Q
S
e K t
=
D
其中: h Q — 热交换负荷,W,取93.5KW;e — 结垢影响系数,0.6~0.8,取0.7, K — 换热器传
热系数,取5500W/(㎡·℃); j Dt — 传热温差,宜取5~10℃,取10。计算得: h S =2.91 ㎡
间接系统太阳能集热器的面积,计算公式: 1
2 1 (1 L )
h
U S
S S
K S
= · + ·
·
其中: L U — 集热器总热损系数,W/(㎡·℃),取5 W/(㎡·℃);计算得: 2 S =321.08 ㎡
注:实际计划安装平板太阳能集热器面积为336 ㎡。
3、系统设计
3.1 系统形式
系统采用“太阳能+辅助加热设备”的形式联合加热游泳池水,采用定温控制与温差循环相结合的
控制方式(见图1)。系统设置4t 储热水箱1 只,主要起缓冲作用,保持系统稳定运行,同时储蓄当天
白天多余的太阳能能量。太阳能热水通过板式换热器和池水循环泵对池水进行加热,其中加热循环和游
泳池水处理系统并联运行。当太阳能收集较少或温度过低时,使用辅助加热设备补充加热池水,通过板
式换热器提供补充能量。
·4· XXX 新能源股份有限公司技术中心 2010 年9 月
3.2 太阳能集热器的选择及连接方式
本系统选择的集热器为平板集热器,具有集热快、承压高、耐热冲击性能好等特点,连接方式为铜
卡套配件连接方式,集热器防冻介质采用乙二醇,由板式换热器与储热水箱进行二次换热循环。
3.3 缓冲蓄能水箱
本系统中设置一个水箱,该水箱主要用来起缓冲和储蓄当天多余的太阳能能量的作用,采用纯水循
环,因此设计该水箱的有效容积为4m3。
3.4 配套的辅助热源
太阳能系统的运行不可避免地要受到气候条件的影响,当太阳能收集较少或温度较低时,必须使用
辅助热源加热。本系统要求辅助热源的制热能力应8h 不小于2691.7MJ,小时制热功率93.5KW。
3.5 板式热交换器
“太阳能+辅助加热设备”加热系统通过板式热交换器加热游泳池水。考虑到游泳池对设备的腐蚀
作用,板式热交换器材质为316L 不锈钢。热交换功率为150kW,以保证初始加温在48h 内将游泳池水加
热到设定温度。
3.6 自动控制
3.6.1 集热循环
当集热器出水温度与水箱温度之差>温差参数(正常模式10℃)时,集热循环泵打开,直至集热器
出水口温度与水箱温度之差≤温度参数(正常模式5℃)时,集热器循环泵自动关闭。
3.6.2 游泳池加热循环
当池水温度<设定温度(正常模式26℃)时,泳池循环泵与热交换循环泵同时打开,通过池水加热
板换对池水进行加热,当池水温度≥设定温度(正常模式27℃)时,两泵自动关闭。
3.6.3 辅助加热
辅助热源供热管上安装电磁阀,当水箱温度<设定温度(正常模式45℃)时,电磁阀与热交换循环
·5· XXX 新能源股份有限公司技术中心 2010 年9 月
泵启动,通过辅助加热板换对从池水加热板换出来的水箱水进行加热。当水箱水温度≥设定温度(正常
模式55℃)时,电磁阀和热交换泵自动关闭。
3.6.4 水箱的补水
水箱补水为恒水位控制。当水箱水位低于设定值时,补水电磁阀自动打开,对水箱进行补水,当水
箱水位高于设定值时,电磁阀自动关闭。
4、系统的投资费用及设备清单
4.1、游泳池太阳能恒温系统工程投资费用:
大写:RMB 叁拾玖万捌仟贰佰元整
小写:¥398200.00 元
4.2、游泳池太阳能恒温系统工程设备清单

序号 设备或材料名称 规格型号 数量 单价 金额
1 太阳能集热器 2000×1000 168 块 1750 294000
2 钢结构三连排支架 型钢制作 1 项 28000 28000
3 智能控制柜 全自动智能控制柜 1 套 3500 3500
4 储热水箱 4T 1 只 8900 8900
5 板式换热器 3 ㎡ 材质316L 3 套 12500 37500
6 防冻液 乙二醇 1 项 6500 6500
7 循环泵 4KW/380V 4 台 1200 4800
8 管道保温材料 1批 5000 5000
9 电磁阀 2只 250 500
10 管路及配件 1批 6500 6500
11 信号线及电工材料 1 批 3000 3000
12 合计 人民币:叁拾玖万捌仟贰佰元整(RMB:398200.00 元)
注:1、以上报价不含材料价格变更价;
2、以上报价不含人工费用等;
·6· XXX 新能源股份有限公司技术中心 2010 年9 月
附图:太阳能集热器屋面布置图
游泳池
屋顶太阳能集热器
S
说明:本工程系统的太阳能集热器安装在别墅前的小区楼5层天面,太阳能热水箱、循环水泵及板式热交
换器与游泳池的循环水处理系统设备安装在楼下的设备间内!
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