某工程太阳能应用与分析

戴沛江 柴传政

某工程太阳能应用与分析

戴沛江 柴传政

太阳能是新能源中取之不尽、用之不竭的清洁能源，但太阳能集热设备占地面积较大，布置受到一定的限制，同时受季节、天气、地理位置等因素影响较大，不能连续稳定运行，需要设置储热和辅助加热装置，整个系统较为复杂，如何科学地设计太阳能系统，更为高效的利用太阳能是设计中需要关注的重点问题。本文结合工程实例对太阳能集中供热系统进行了分析和研究。

太阳能；生活热水系统；设计要点；节能效益分析

随着能源消费的不断增长，新能源已经越来越受到人们的重视。本文结合工程实例，对太阳能集中供热系统进行了分析和研究，并对其节能效益和CO2减排量进行了初步分析，现将设计中的一些心得加以总结，与诸位同行共同探讨。

1.项目概况

本工程位于甘肃省兰州市，地上12层，地下1层，建筑面积约22638 m2，其中裙楼1～4层为商场、餐厅等，5～12层为商务宾馆，共有16个套间，134个标准间，共计约300张床位，宾馆客房设有24小时集中热水供水系统。热水使用特点是用水量大、时间长( 24小时)、供水安全性要求高。

据调查，兰州市宾馆入住率在3～10月较高，冬季较低。本工程太阳能集热系统设计保证3～10月热水供应，兼顾全年使用，太阳能集热面积743m2。由于冬季入住率低，补充热量少，且兰州供暖季为11月至次年3月，这5个月采用市政热力管网作为生活热水的辅助热源，其他季节采用电辅助加热。

太阳能设备包括太阳能集热器（划分为两个集热分区）、太阳能蓄能换热水箱1个、集热循环泵4台；供热水箱1个、储热水箱1个、电子水处理仪1台、换热循环泵2台；变频供热水设备1套；电动（电磁）阀等阀门仪表、软水器以及系统智能控制柜一套。

2.室外气象参数

兰州的地理坐标为北纬36°03′，东经103°53′，海拔1517.2m，太阳能设计气象参数见表1。

从表1分析可知：兰州在倾斜面上的年太阳总辐照量为5756 MJ/(m2·a)，年总日照小时数为2508小时，属太阳能资源较富区域。兰州全年平均气温9.1℃，倾斜面年平均日太阳辐照量为15.77 MJ/(m2·d)。

3.设计参数计算

据调查，兰州市宾馆入住率在3～10月较高，冬季较低。因此，本工程太阳能集热系统设计保证3～10月的使用，取10月太阳能气象参数作为设计参数，10月倾斜面平均日太阳辐照量15.21 MJ/(m2·d)，平均日日照小时数6.4小时。

兰州市太阳能气象参数表

3.1 设计日用热水量

宾馆客房床位数为300张，系统设计日用热水量取《建筑给水排水设计规范》GB50015-2003中热水用水定额下限值为设计用水定额，即120 L/(人· d)，设计日热水用量为：

qrd=qr×m= 120×300=36000(L)

3.2 设计日耗热量

Qs= qrd×c×(tr-tl)×ρ

=36000×4.187×(60-10)×0.983

=7408478(kJ)

C——水的比热，c=4.187 kJ/(kg·℃)；

tr——热水用水温度；

tl——冷水温度；

ρ——热水密度，60℃时0.983kg/L。

3.3 直接式太阳能集热系统集热面积

Ad=Qs×f/[JT×ηcd×(1-ηL)]

= 7408478×0.6/[15207×0.5×(1-0.2)]

=731（m2）

Qs——设计日供热量（kJ）；

f——太阳保证率，经验0.5～0.6，兰州晴朗天气较多取0.6；

JT——倾斜面设计月平均日太阳辐照量（kJ/ m2）；

ηcd——集热器设计月平均集热效率，无测试数据经验值0.4～0.5，取0.5；

ηL——管路及储水箱热损失率，经验0.1～0.2，取0.2。

3.4 间接式太阳能集热系统换热量

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——太阳辐照度时变化系数，经验值1.5～1.8，取1.5；

C——水的比热，c=4.187 kJ/(kg·℃)；

tr——热水用水温度；

tl——冷水温度；

ρ——热水密度，60℃时0.983kg/L。

SY——设计月平均日日照小时数，取6.4。

3.5 间接式太阳能集热系统换热器面积

F=Cr× Qz/(ε×K×Δtj)

= 1.1×289394/(0.7×410×7)

=158.5（m2）

Cr——热损失系数，经验值1.1～1.2，取1.1；

ε——结垢影响系数，经验值0.6～0.8，取0.7；

Δtj——计算温差，根据设备厂家资料取7℃；

K——换热设备传热系数，根据设备厂家资料取410W/(m2·℃)。

3.6 间接式太阳能集热系统集热面积

Ain=Ad×[1+(U×Ad)/(K×F)]

= 731×[1+(1.5×731)/(410×158.5)]

=743（m2）

U——真空管集热器热损失系数，经验值1～2w/(m2·℃)，取1.5 W/(m2·℃)；

K——容积式水加热器传热系数；

F——换热器换热面积（m2）。

根据兰州10月太阳能气象参数计算，间接式太阳能系统集热面积743m2，同时按照冬季使用太阳能保证生活热水供应，对太阳能集热系统设计进行对比，按照12月太阳能气象参数计算，太阳能集热面积为1060m2，较按10月参数计算的集热器增加面积43%，投资增加约80万元。同时本建筑屋顶面积860 m2，受此限制，确定本工程太阳能集热系统按照保证3～10月份的生活热水使用设计。

太阳能集热系统图

4.系统设计及运行控制

太阳能集中供热系统为强制循环间接式集热系统，分为太阳能集热系统、换热系统、热水供水系统、远程监控四个子系统。主要由太阳能集热器、蓄换热水箱、储热水箱、供热水箱、集热循环泵、换热循环泵以及控制系统等组成。太阳能集热器布置于屋面，太阳能蓄能换热设备、供热水泵机组以及控制设备等布置于屋顶设备间。

4.1 太阳能集热系统

本工程采用间接式集热系统，在太阳能蓄能换热水箱内置换热器，将太阳能传热工质与生活热水分开，防止生活热水水质污染。热媒采用软化水，在集热过程中不易结水垢，保持较高的换热效率，延长集热设备的使用寿命。

太阳能集热系统由太阳能蓄换热水箱、集热循环泵、太阳能集热器、软水器及相关仪表阀门等组成。由于热媒温度越高，温差越小，集热器吸收太阳热能效率越低，为最大效率的吸收太阳热能，根据太阳能集热器面积，将集热器划分为两个集热分区，集热循环泵在温差控制下，保证每个集热区热媒温度不要太高，高效利用及存储热能。集热系统示意图如下：

太阳能集热系统运行由自控设备监测集热器出水口和蓄能换热水箱温度，通过温差控制太阳能循环泵，当两者温差△T≥△TJ（系统设定的温差值，一般取7℃）时，集热循环泵开始运行，将水箱内低温水和集热器中高温水进行换热；当△T＜△TJ时，集热循环泵停止，集热器中的水在太阳辐照下温度升高后开始下一轮循环。为了便于太阳能热量统计分析，在集热水泵出口管路上安装一套热量表，通过进回水温差等参数计算集热区的热量，并通过显控屏显示集热量，将太阳能集热量化。

由于太阳能集热器和大部分管路都置于室外，北方地区冬季环境温度较低，集热器、管路有可能结冻膨胀造成设备损害，影响整个热水系统的正常运行。太阳能系统的防冻通常采用以下两种方式：一、循环防冻，二、用防冻剂作为循环介质。采用循环防冻方法在实际工程中，由于兰州冬季夜晚温度较低，时有再结冻现象。采用防冻剂作为循环介质具有不结冻、不结垢等特点， 但是每升防冻剂的成本在8～10元，且防冻液5～6年需更换，使用成本较高。本次设计在集热循环泵出口处设置电磁阀，当集热器内水温低于设定的防冻温度时，电磁阀开启，将系统管路中的水排入换热水箱，管路排空防冻，确保冬天系统运行安全。

4.2 换热及辅助加热系统

太阳能换热系统通过温度、时间、温差等参数，控制换热泵及相关调节阀联动，优先将供热水箱内的自来水换热到设定供水温度后，再将储热水箱内的自来水换热，充分利用太阳能。同时通过温度控制，最大限度的吸收和利用太阳能，天气晴好、太阳能高的日子，尽量将储热水箱水温升高，多储存热能；太阳能低的日子，优先加热供热水箱中的水，保证生活热水。

系统组成：太阳能蓄能换热水箱及内置换热器、换热泵、电动调节阀、供热水箱及辅助加热设备、储热水箱、电子水处理仪、相关阀门仪表等。辅助加热设备供暖季（11月至次年3月）采用市政热力管网作为生活热水的辅助热源，其他季节采用电辅助加热。

换热及辅助加热系统图

4.2.1 系统加热循环控制

当供热水箱水温＜60℃，且太阳能蓄能换热水箱水温与供热水箱水温之间温差△T≥△TH（换热泵起动温差，一般取7℃）时，换热循环泵起动，开启通往供热水箱的电动调节阀，优先加热供热水箱温水。

当供热水箱水温≥60℃，且太阳能蓄换热水箱水温与储热水箱水温之间温差△T≥△TH时，换热循环泵起动，打开通往储热水箱的电动调节阀，加热储热水箱温水。

4.2.2 生活热水的补水

当供热水箱水温≥60℃，开启通往供热水箱自来水管上的电动阀，直接向供热水箱补充自来水。当供热水箱水温＜60℃时，关闭供热水箱自来水管上的电动阀，开启储热水箱自来水管上的电动阀，向储热水箱补充自来水，同时将两水箱间的低位连通管上的电动阀打开，储热水箱内的高温热水通过连通管进入供热水箱。

4.2.3 高温调节

当几天内太阳能很好，而用水量较小时，可能出现储热水箱水温过高，这时要进行高温控制与调节。当储热水箱水温高于其设定的最高水温值时，系统自动按设定温度值（如5～10℃）调高供热水箱供水温度，从而提高整个太阳能系统的储热能力。

4.2.4 辅助加热

当遇到季节及天气原因，供热水箱水温低于生活热水供水温度时，同时供热水箱、储热水箱与蓄能换热水箱之间温差低于换热循环泵启动温差时，辅助加热启动。辅助加热方式：供暖季节通过热媒管上的电动温控阀与供热水箱水温传感器联动，控制供热水箱水温。其他季节采用电辅助加热，分4组15KW电热管加热，启动方式为梯式加载。

4.3 生活热水供水系统

生活热水采用变频稳压供水设备，保证生活热水供水压力恒定。在回水总管上设的温度传感器，当回水温度低于设定的最低回水温度（如38℃）时，回水管上的电磁温控阀开启，管内低温水回到供热水箱重新加热。

4.4 系统自动控制系统

太阳能控制设备主要包括：触摸屏、变频器、智能仪表、各种传感器、SIEMENS PLC以及智能采集模块等。触摸屏实时显示系统运行的工况与参数，管理人员通过触摸屏控制设备启停和设置修改系统运行参数。具有控制功能强、操作简便和可靠性高等特点，同时为方便太阳能热水系统的控制和管理，自控设备可随时进行手、自动切换运行，保证控制系统操作的灵活性以及安全可控性。

5.效益分析

5.1 太阳能集热系统节能量

本工程侧重于保证3～10月热水供应，按照3～10月使用太阳能计算年节能量。集热系统采用热管式真空管型太阳能集热器，太阳能集热面积为743m2，考虑到管道及换热损失，设计月平均集热效率取50%，设计月的倾斜表面月平均日太阳总辐照量为15.21 MJ/(m2·d)，年节能量ΔQ1为：

ΔQ1=743×15.21×30×8×50%

=2712052 (MJ)

按太阳能设备使用寿命期15年计算，总节能量ΔQ2为：

ΔQ2=ΔQ1×15= 40680782（MJ）

5.2 常规能源用量及CO2减排量

5.2.1 与燃煤对比，节煤量及CO2的减排量。

5.2.1.1 年节煤量：

当太阳能热水系统所节约的能量由燃煤锅炉来提供，则每年节约的标准煤为：

Qm=ΔQ1/(Wm×Effm)

=2712052/(29.308×0.65)

=142.4吨

Qm——节煤量(标准煤)，单位：吨；

Wm——标准煤热值，29.308MJ/Kg；

Effm——标准煤热值转换率，取65%。

5.2.1.2 年CO2减排量：

QCO2=ΔQ1/(Wm×Effm)×FCO2×44/12

=2712052/(29.308×0.65)×0.726×44/12

=379吨

FCO2——煤的碳排放因子值0.726。

5.2.1.3 按照太阳能设备使用寿命期15年计算，总节煤量为2135吨，CO2的减排量为5685吨。

5.2.2 与用燃气对比，节天然气量及CO2的减排量。

5.2.2.1 年节天然气量

当太阳能热水系统所节约的能量由天然气锅炉来提供，则每年的节气量为：

QT=ΔQ1/(WT×EffT)

=2712052/(35.58×0.80)=95280 m3

QT——节气量（m3）；

WT——天然气热值35.58MJ/ m3；

EffT——天然气热值转换率，取80%。

5.2.2.2 年CO2减排量

QCO2=ΔQ1/(Wm×EffT)×FCO2×44/12

=1977592.4/(29.308×0.80)

×0.404×44/12

=171.3吨

FCO2：天然气的碳排放因子值0.404。

5.2.2.3 使用寿命期15年的总节气量为1429201m3，CO2的减排量为2570吨。

5.2.3 与用电对比，节电量及CO2的减排量。

5.2.3.1 年节电量：

当太阳能热水系统所节约的能量由电锅炉来提供，则每年的节电量：

QD=ΔQ1/(WD×EffD)

=2712052/(3.6×0.98)=792997.7 kW.h

QD——节电量，（kW.h）；

WD——电热值3.6MJ/kW.h；

EffD——电能热值转换率，取98%。

5.2.3.2 年CO2减排量：

QCO2=ΔQ1/(Wm×EffD)×FCO2×44/12

=2712052/(29.308×0.98)×0.866×44/12

=299.8吨

FCO2——电的碳排放因子值，0.866。

5.2.3.3 使用寿命期15年的总节电量为11530834度，CO2的减排量为4497吨。

5.3 经济效益分析

按照标准煤价700元/t、燃气价格1.85元/m3、电价0.6元/kW.h，分别计算使用燃煤、燃气、电能每年所能节约的经费以及投资回收年限，具体数据见下表：太阳能节能效益综合分析表

从上表数据分析，使用煤炭供热成本最低，使用电能供热成本最高。使用常规能源供热费用与太阳能设备投资相比较，与使用煤炭相比较，收回太阳能投资需19年，与使用电能相比较，收回太阳能投资需4年，与使用燃气相比较，收回太阳能投资需11年。

6.结语

兰州市已逐步取缔燃煤锅炉供热，根据初步的经济效益分析，使用太阳能集热设备供应生活热水，较使用燃气和电能更为经济。使用太阳能集热设备不排放导致“温室效应”的CO2及其它废气，更为绿色环保。同时根据建筑太阳能安装条件及太阳能设备成本，通过计算分析对比，确定本工程太阳能集热系统按保证3～10月生活热水供应设计。供暖季采用市政热力管网作为生活热水的辅助热源，其他季节采用电辅助加热。

通过分析和研究既有太阳能集热系统，解决了现有系统存在的一些问题，本工程太阳能系统具有如下特点：

6.1 采用间接式集热换热系统，通过增设蓄热换热水箱，将集热系统的传热介质与生活热水分开，防止生活热水水质二次污染。

6.2 采用软化水做传热介质，解决了集热系统结垢问题，防垢效果好，较其它热媒介质成本低、环保，延长了集热设备的使用寿命。

6.3 采用冬季防冻自控排空装置，解决系统冬天集热系统防冻问题。

6.4 采用储热热能自控调节设备，合理分配集热系统热能至供热水箱与蓄热水箱，最大效率的利用太阳能，减少辅助能源的使用。

6.5 太阳能系统采用综合智能控制设备，自控程度高，采用可编程触摸屏控制，设置远程监控接口，方便用户维护管理。

以太阳能为热源的集中热水供应系统的例子较多，但尚无更多在系统中使用储热蓄能设备及自控调节装置的实例借鉴，希望诸位同行多提宝贵意见，使太阳能供热系统得到进一步的优化，以推动太阳能技术在行业中的应用。

[1]民用建筑太阳能热水系统应用技术规范（GB 50364—2005）

[2]太阳能热水系统设计、安装及工程验收技术规范（GB/T 18713—2002）

（作者单位：兰州军区空军勘察设计院）

（《水务世界》供稿）

TU231

A

1671-3362（2015）02-0073-04