戴沛江 柴傳政

某工程太陽能應用與分析

戴沛江 柴傳政

太陽能是新能源中取之不盡、用之不竭的清潔能源，但太陽能集熱設備占地面積較大，布置受到一定的限制，同時受季節(jié)、天氣、地理位置等因素影響較大，不能連續(xù)穩(wěn)定運行，需要設置儲熱和輔助加熱裝置，整個系統(tǒng)較為復雜，如何科學地設計太陽能系統(tǒng)，更為高效的利用太陽能是設計中需要關注的重點問題。本文結(jié)合工程實例對太陽能集中供熱系統(tǒng)進行了分析和研究。

太陽能；生活熱水系統(tǒng)；設計要點；節(jié)能效益分析

隨著能源消費的不斷增長，新能源已經(jīng)越來越受到人們的重視。本文結(jié)合工程實例，對太陽能集中供熱系統(tǒng)進行了分析和研究，并對其節(jié)能效益和CO2減排量進行了初步分析，現(xiàn)將設計中的一些心得加以總結(jié)，與諸位同行共同探討。

1.項目概況

本工程位于甘肅省蘭州市，地上12層，地下1層，建筑面積約22638 m2，其中裙樓1～4層為商場、餐廳等，5～12層為商務賓館，共有16個套間，134個標準間，共計約300張床位，賓館客房設有24小時集中熱水供水系統(tǒng)。熱水使用特點是用水量大、時間長( 24小時)、供水安全性要求高。

據(jù)調(diào)查，蘭州市賓館入住率在3～10月較高，冬季較低。本工程太陽能集熱系統(tǒng)設計保證3～10月熱水供應，兼顧全年使用，太陽能集熱面積743m2。由于冬季入住率低，補充熱量少，且蘭州供暖季為11月至次年3月，這5個月采用市政熱力管網(wǎng)作為生活熱水的輔助熱源，其他季節(jié)采用電輔助加熱。

太陽能設備包括太陽能集熱器（劃分為兩個集熱分區(qū)）、太陽能蓄能換熱水箱1個、集熱循環(huán)泵4臺；供熱水箱1個、儲熱水箱1個、電子水處理儀1臺、換熱循環(huán)泵2臺；變頻供熱水設備1套；電動（電磁）閥等閥門儀表、軟水器以及系統(tǒng)智能控制柜一套。

2.室外氣象參數(shù)

蘭州的地理坐標為北緯36°03′，東經(jīng)103°53′，海拔1517.2m，太陽能設計氣象參數(shù)見表1。

從表1分析可知：蘭州在傾斜面上的年太陽總輻照量為5756 MJ/(m2·a)，年總?cè)照招r數(shù)為2508小時，屬太陽能資源較富區(qū)域。蘭州全年平均氣溫9.1℃，傾斜面年平均日太陽輻照量為15.77 MJ/(m2·d)。

3.設計參數(shù)計算

據(jù)調(diào)查，蘭州市賓館入住率在3～10月較高，冬季較低。因此，本工程太陽能集熱系統(tǒng)設計保證3～10月的使用，取10月太陽能氣象參數(shù)作為設計參數(shù)，10月傾斜面平均日太陽輻照量15.21 MJ/(m2·d)，平均日日照小時數(shù)6.4小時。

蘭州市太陽能氣象參數(shù)表

3.1 設計日用熱水量

賓館客房床位數(shù)為300張，系統(tǒng)設計日用熱水量取《建筑給水排水設計規(guī)范》GB50015-2003中熱水用水定額下限值為設計用水定額，即120 L/(人· d)，設計日熱水用量為：

qrd=qr×m= 120×300=36000(L)

3.2 設計日耗熱量

Qs= qrd×c×(tr-tl)×ρ

=36000×4.187×(60-10)×0.983

=7408478(kJ)

C——水的比熱，c=4.187 kJ/(kg·℃)；

tr——熱水用水溫度；

tl——冷水溫度；

ρ——熱水密度，60℃時0.983kg/L。

3.3 直接式太陽能集熱系統(tǒng)集熱面積

Ad=Qs×f/[JT×ηcd×(1-ηL)]

= 7408478×0.6/[15207×0.5×(1-0.2)]

=731（m2）

Qs——設計日供熱量（kJ）；

f——太陽保證率，經(jīng)驗0.5～0.6，蘭州晴朗天氣較多取0.6；

JT——傾斜面設計月平均日太陽輻照量（kJ/ m2）；

ηcd——集熱器設計月平均集熱效率，無測試數(shù)據(jù)經(jīng)驗值0.4～0.5，取0.5；

ηL——管路及儲水箱熱損失率，經(jīng)驗0.1～0.2，取0.2。

3.4 間接式太陽能集熱系統(tǒng)換熱量

Qz= Kt×f×qrd×c×ρ×(tr-tl)×1000/ (3600×SY)

=1.5×0.6×36000×4.187×0.983×(60-10)×1000/（3600×6.4）

=289394(W)

Kt——太陽輻照度時變化系數(shù)，經(jīng)驗值1.5～1.8，取1.5；

C——水的比熱，c=4.187 kJ/(kg·℃)；

tr——熱水用水溫度；

tl——冷水溫度；

ρ——熱水密度，60℃時0.983kg/L。

SY——設計月平均日日照小時數(shù)，取6.4。

3.5 間接式太陽能集熱系統(tǒng)換熱器面積

F=Cr× Qz/(ε×K×Δtj)

= 1.1×289394/(0.7×410×7)

=158.5（m2）

Cr——熱損失系數(shù)，經(jīng)驗值1.1～1.2，取1.1；

ε——結(jié)垢影響系數(shù)，經(jīng)驗值0.6～0.8，取0.7；

Δtj——計算溫差，根據(jù)設備廠家資料取7℃；

K——換熱設備傳熱系數(shù)，根據(jù)設備廠家資料取410W/(m2·℃)。

3.6 間接式太陽能集熱系統(tǒng)集熱面積

Ain=Ad×[1+(U×Ad)/(K×F)]

= 731×[1+(1.5×731)/(410×158.5)]

=743（m2）

U——真空管集熱器熱損失系數(shù)，經(jīng)驗值1～2w/(m2·℃)，取1.5 W/(m2·℃)；

K——容積式水加熱器傳熱系數(shù)；

F——換熱器換熱面積（m2）。

根據(jù)蘭州10月太陽能氣象參數(shù)計算，間接式太陽能系統(tǒng)集熱面積743m2，同時按照冬季使用太陽能保證生活熱水供應，對太陽能集熱系統(tǒng)設計進行對比，按照12月太陽能氣象參數(shù)計算，太陽能集熱面積為1060m2，較按10月參數(shù)計算的集熱器增加面積43%，投資增加約80萬元。同時本建筑屋頂面積860 m2，受此限制，確定本工程太陽能集熱系統(tǒng)按照保證3～10月份的生活熱水使用設計。

太陽能集熱系統(tǒng)圖

4.系統(tǒng)設計及運行控制

太陽能集中供熱系統(tǒng)為強制循環(huán)間接式集熱系統(tǒng)，分為太陽能集熱系統(tǒng)、換熱系統(tǒng)、熱水供水系統(tǒng)、遠程監(jiān)控四個子系統(tǒng)。主要由太陽能集熱器、蓄換熱水箱、儲熱水箱、供熱水箱、集熱循環(huán)泵、換熱循環(huán)泵以及控制系統(tǒng)等組成。太陽能集熱器布置于屋面，太陽能蓄能換熱設備、供熱水泵機組以及控制設備等布置于屋頂設備間。

4.1 太陽能集熱系統(tǒng)

本工程采用間接式集熱系統(tǒng)，在太陽能蓄能換熱水箱內(nèi)置換熱器，將太陽能傳熱工質(zhì)與生活熱水分開，防止生活熱水水質(zhì)污染。熱媒采用軟化水，在集熱過程中不易結(jié)水垢，保持較高的換熱效率，延長集熱設備的使用壽命。

太陽能集熱系統(tǒng)由太陽能蓄換熱水箱、集熱循環(huán)泵、太陽能集熱器、軟水器及相關儀表閥門等組成。由于熱媒溫度越高，溫差越小，集熱器吸收太陽熱能效率越低，為最大效率的吸收太陽熱能，根據(jù)太陽能集熱器面積，將集熱器劃分為兩個集熱分區(qū)，集熱循環(huán)泵在溫差控制下，保證每個集熱區(qū)熱媒溫度不要太高，高效利用及存儲熱能。集熱系統(tǒng)示意圖如下：

太陽能集熱系統(tǒng)運行由自控設備監(jiān)測集熱器出水口和蓄能換熱水箱溫度，通過溫差控制太陽能循環(huán)泵，當兩者溫差△T≥△TJ（系統(tǒng)設定的溫差值，一般取7℃）時，集熱循環(huán)泵開始運行，將水箱內(nèi)低溫水和集熱器中高溫水進行換熱；當△T＜△TJ時，集熱循環(huán)泵停止，集熱器中的水在太陽輻照下溫度升高后開始下一輪循環(huán)。為了便于太陽能熱量統(tǒng)計分析，在集熱水泵出口管路上安裝一套熱量表，通過進回水溫差等參數(shù)計算集熱區(qū)的熱量，并通過顯控屏顯示集熱量，將太陽能集熱量化。

由于太陽能集熱器和大部分管路都置于室外，北方地區(qū)冬季環(huán)境溫度較低，集熱器、管路有可能結(jié)凍膨脹造成設備損害，影響整個熱水系統(tǒng)的正常運行。太陽能系統(tǒng)的防凍通常采用以下兩種方式：一、循環(huán)防凍，二、用防凍劑作為循環(huán)介質(zhì)。采用循環(huán)防凍方法在實際工程中，由于蘭州冬季夜晚溫度較低，時有再結(jié)凍現(xiàn)象。采用防凍劑作為循環(huán)介質(zhì)具有不結(jié)凍、不結(jié)垢等特點， 但是每升防凍劑的成本在8～10元，且防凍液5～6年需更換，使用成本較高。本次設計在集熱循環(huán)泵出口處設置電磁閥，當集熱器內(nèi)水溫低于設定的防凍溫度時，電磁閥開啟，將系統(tǒng)管路中的水排入換熱水箱，管路排空防凍，確保冬天系統(tǒng)運行安全。

4.2 換熱及輔助加熱系統(tǒng)

太陽能換熱系統(tǒng)通過溫度、時間、溫差等參數(shù)，控制換熱泵及相關調(diào)節(jié)閥聯(lián)動，優(yōu)先將供熱水箱內(nèi)的自來水換熱到設定供水溫度后，再將儲熱水箱內(nèi)的自來水換熱，充分利用太陽能。同時通過溫度控制，最大限度的吸收和利用太陽能，天氣晴好、太陽能高的日子，盡量將儲熱水箱水溫升高，多儲存熱能；太陽能低的日子，優(yōu)先加熱供熱水箱中的水，保證生活熱水。

系統(tǒng)組成：太陽能蓄能換熱水箱及內(nèi)置換熱器、換熱泵、電動調(diào)節(jié)閥、供熱水箱及輔助加熱設備、儲熱水箱、電子水處理儀、相關閥門儀表等。輔助加熱設備供暖季（11月至次年3月）采用市政熱力管網(wǎng)作為生活熱水的輔助熱源，其他季節(jié)采用電輔助加熱。

換熱及輔助加熱系統(tǒng)圖

4.2.1 系統(tǒng)加熱循環(huán)控制

當供熱水箱水溫＜60℃，且太陽能蓄能換熱水箱水溫與供熱水箱水溫之間溫差△T≥△TH（換熱泵起動溫差，一般取7℃）時，換熱循環(huán)泵起動，開啟通往供熱水箱的電動調(diào)節(jié)閥，優(yōu)先加熱供熱水箱溫水。

當供熱水箱水溫≥60℃，且太陽能蓄換熱水箱水溫與儲熱水箱水溫之間溫差△T≥△TH時，換熱循環(huán)泵起動，打開通往儲熱水箱的電動調(diào)節(jié)閥，加熱儲熱水箱溫水。

4.2.2 生活熱水的補水

當供熱水箱水溫≥60℃，開啟通往供熱水箱自來水管上的電動閥，直接向供熱水箱補充自來水。當供熱水箱水溫＜60℃時，關閉供熱水箱自來水管上的電動閥，開啟儲熱水箱自來水管上的電動閥，向儲熱水箱補充自來水，同時將兩水箱間的低位連通管上的電動閥打開，儲熱水箱內(nèi)的高溫熱水通過連通管進入供熱水箱。

4.2.3 高溫調(diào)節(jié)

當幾天內(nèi)太陽能很好，而用水量較小時，可能出現(xiàn)儲熱水箱水溫過高，這時要進行高溫控制與調(diào)節(jié)。當儲熱水箱水溫高于其設定的最高水溫值時，系統(tǒng)自動按設定溫度值（如5～10℃）調(diào)高供熱水箱供水溫度，從而提高整個太陽能系統(tǒng)的儲熱能力。

4.2.4 輔助加熱

當遇到季節(jié)及天氣原因，供熱水箱水溫低于生活熱水供水溫度時，同時供熱水箱、儲熱水箱與蓄能換熱水箱之間溫差低于換熱循環(huán)泵啟動溫差時，輔助加熱啟動。輔助加熱方式：供暖季節(jié)通過熱媒管上的電動溫控閥與供熱水箱水溫傳感器聯(lián)動，控制供熱水箱水溫。其他季節(jié)采用電輔助加熱，分4組15KW電熱管加熱，啟動方式為梯式加載。

4.3 生活熱水供水系統(tǒng)

生活熱水采用變頻穩(wěn)壓供水設備，保證生活熱水供水壓力恒定。在回水總管上設的溫度傳感器，當回水溫度低于設定的最低回水溫度（如38℃）時，回水管上的電磁溫控閥開啟，管內(nèi)低溫水回到供熱水箱重新加熱。

4.4 系統(tǒng)自動控制系統(tǒng)

太陽能控制設備主要包括：觸摸屏、變頻器、智能儀表、各種傳感器、SIEMENS PLC以及智能采集模塊等。觸摸屏實時顯示系統(tǒng)運行的工況與參數(shù)，管理人員通過觸摸屏控制設備啟停和設置修改系統(tǒng)運行參數(shù)。具有控制功能強、操作簡便和可靠性高等特點，同時為方便太陽能熱水系統(tǒng)的控制和管理，自控設備可隨時進行手、自動切換運行，保證控制系統(tǒng)操作的靈活性以及安全可控性。

5.效益分析

5.1 太陽能集熱系統(tǒng)節(jié)能量

本工程側(cè)重于保證3～10月熱水供應，按照3～10月使用太陽能計算年節(jié)能量。集熱系統(tǒng)采用熱管式真空管型太陽能集熱器，太陽能集熱面積為743m2，考慮到管道及換熱損失，設計月平均集熱效率取50%，設計月的傾斜表面月平均日太陽總輻照量為15.21 MJ/(m2·d)，年節(jié)能量ΔQ1為：

ΔQ1=743×15.21×30×8×50%

=2712052 (MJ)

按太陽能設備使用壽命期15年計算，總節(jié)能量ΔQ2為：

ΔQ2=ΔQ1×15= 40680782（MJ）

5.2 常規(guī)能源用量及CO2減排量

5.2.1 與燃煤對比，節(jié)煤量及CO2的減排量。

5.2.1.1 年節(jié)煤量：

當太陽能熱水系統(tǒng)所節(jié)約的能量由燃煤鍋爐來提供，則每年節(jié)約的標準煤為：

Qm=ΔQ1/(Wm×Effm)

=2712052/(29.308×0.65)

=142.4噸

Qm——節(jié)煤量(標準煤)，單位：噸；

Wm——標準煤熱值，29.308MJ/Kg；

Effm——標準煤熱值轉(zhuǎn)換率，取65%。

5.2.1.2 年CO2減排量：

QCO2=ΔQ1/(Wm×Effm)×FCO2×44/12

=2712052/(29.308×0.65)×0.726×44/12

=379噸

FCO2——煤的碳排放因子值0.726。

5.2.1.3 按照太陽能設備使用壽命期15年計算，總節(jié)煤量為2135噸，CO2的減排量為5685噸。

5.2.2 與用燃氣對比，節(jié)天然氣量及CO2的減排量。

5.2.2.1 年節(jié)天然氣量

當太陽能熱水系統(tǒng)所節(jié)約的能量由天然氣鍋爐來提供，則每年的節(jié)氣量為：

QT=ΔQ1/(WT×EffT)

=2712052/(35.58×0.80)=95280 m3

QT——節(jié)氣量（m3）；

WT——天然氣熱值35.58MJ/ m3；

EffT——天然氣熱值轉(zhuǎn)換率，取80%。

5.2.2.2 年CO2減排量

QCO2=ΔQ1/(Wm×EffT)×FCO2×44/12

=1977592.4/(29.308×0.80)

×0.404×44/12

=171.3噸

FCO2：天然氣的碳排放因子值0.404。

5.2.2.3 使用壽命期15年的總節(jié)氣量為1429201m3，CO2的減排量為2570噸。

5.2.3 與用電對比，節(jié)電量及CO2的減排量。

5.2.3.1 年節(jié)電量：

當太陽能熱水系統(tǒng)所節(jié)約的能量由電鍋爐來提供，則每年的節(jié)電量：

QD=ΔQ1/(WD×EffD)

=2712052/(3.6×0.98)=792997.7 kW.h

QD——節(jié)電量，（kW.h）；

WD——電熱值3.6MJ/kW.h；

EffD——電能熱值轉(zhuǎn)換率，取98%。

5.2.3.2 年CO2減排量：

QCO2=ΔQ1/(Wm×EffD)×FCO2×44/12

=2712052/(29.308×0.98)×0.866×44/12

=299.8噸

FCO2——電的碳排放因子值，0.866。

5.2.3.3 使用壽命期15年的總節(jié)電量為11530834度，CO2的減排量為4497噸。

5.3 經(jīng)濟效益分析

按照標準煤價700元/t、燃氣價格1.85元/m3、電價0.6元/kW.h，分別計算使用燃煤、燃氣、電能每年所能節(jié)約的經(jīng)費以及投資回收年限，具體數(shù)據(jù)見下表：太陽能節(jié)能效益綜合分析表

從上表數(shù)據(jù)分析，使用煤炭供熱成本最低，使用電能供熱成本最高。使用常規(guī)能源供熱費用與太陽能設備投資相比較，與使用煤炭相比較，收回太陽能投資需19年，與使用電能相比較，收回太陽能投資需4年，與使用燃氣相比較，收回太陽能投資需11年。

6.結(jié)語

蘭州市已逐步取締燃煤鍋爐供熱，根據(jù)初步的經(jīng)濟效益分析，使用太陽能集熱設備供應生活熱水，較使用燃氣和電能更為經(jīng)濟。使用太陽能集熱設備不排放導致“溫室效應”的CO2及其它廢氣，更為綠色環(huán)保。同時根據(jù)建筑太陽能安裝條件及太陽能設備成本，通過計算分析對比，確定本工程太陽能集熱系統(tǒng)按保證3～10月生活熱水供應設計。供暖季采用市政熱力管網(wǎng)作為生活熱水的輔助熱源，其他季節(jié)采用電輔助加熱。

通過分析和研究既有太陽能集熱系統(tǒng)，解決了現(xiàn)有系統(tǒng)存在的一些問題，本工程太陽能系統(tǒng)具有如下特點：

6.1 采用間接式集熱換熱系統(tǒng)，通過增設蓄熱換熱水箱，將集熱系統(tǒng)的傳熱介質(zhì)與生活熱水分開，防止生活熱水水質(zhì)二次污染。

6.2 采用軟化水做傳熱介質(zhì)，解決了集熱系統(tǒng)結(jié)垢問題，防垢效果好，較其它熱媒介質(zhì)成本低、環(huán)保，延長了集熱設備的使用壽命。

6.3 采用冬季防凍自控排空裝置，解決系統(tǒng)冬天集熱系統(tǒng)防凍問題。

6.4 采用儲熱熱能自控調(diào)節(jié)設備，合理分配集熱系統(tǒng)熱能至供熱水箱與蓄熱水箱，最大效率的利用太陽能，減少輔助能源的使用。

6.5 太陽能系統(tǒng)采用綜合智能控制設備，自控程度高，采用可編程觸摸屏控制，設置遠程監(jiān)控接口，方便用戶維護管理。

以太陽能為熱源的集中熱水供應系統(tǒng)的例子較多，但尚無更多在系統(tǒng)中使用儲熱蓄能設備及自控調(diào)節(jié)裝置的實例借鑒，希望諸位同行多提寶貴意見，使太陽能供熱系統(tǒng)得到進一步的優(yōu)化，以推動太陽能技術在行業(yè)中的應用。

[1]民用建筑太陽能熱水系統(tǒng)應用技術規(guī)范（GB 50364—2005）

[2]太陽能熱水系統(tǒng)設計、安裝及工程驗收技術規(guī)范（GB/T 18713—2002）

（作者單位：蘭州軍區(qū)空軍勘察設計院）

（《水務世界》供稿）

TU231

A

1671-3362（2015）02-0073-04