太阳能光热供水节能减排系统的研究

汪 琦 张慧芬 俞红啸 汪育佑

上海热油炉设计开发中心

0 前言

太阳能是清洁能源，使用太阳能可生产陶瓷型太阳能集热器而且没有环境污染。在纺织印染工艺中有很多环节需要用到热水。因此，热水供应对于印染企业有着至关重要的作用。目前大部分印染企业都用蒸汽把冷水加热成热水，由于蒸汽消耗量过大、能源成本上涨过快，在一定程度上降低了印染企业的盈利。太阳能光热供水节能减排系统是利用太阳能光热技术[1]制取低温热水的节能减排方法，首先是将冷水输送到太阳能集热器中进行加热，然后通过供水管道系统将热水输送到保温热水池内，最后通过水泵将热水供给染洗水洗设备使用。因此，在纺织印染水洗工艺中采用太阳能光热供水则可以降低能源消耗、减少环境污染，同时还具有清洁和安全运行的优点。

1 太阳能光热供水技术

太阳能光热供水技术是将太阳辐射能转化为热能。太阳能光热供水系统有四个主要环节：集热、换热、控制和储热，其关键技术在于集热和保温储热[2]，太阳能集热器的功能是最大限度将热能用于加热冷水。太阳能光热供水节能减排系统中经常采用的几种集热器有：平板型太阳能集热器、真空管太阳能集热器和陶瓷型太阳能集热器。

1.1 平板型太阳能集热器

平板型太阳能集热器是由集热板芯、透明玻璃盖板、保温层、边框外壳四大部分组成。其核心是集热板芯，它是由铜铝复合金属材料制成的板管式结构，其黑色的吸热翅片由铝合金制成，其表面由一层经阳极氧化工艺制成的选择型吸热层，该吸热层不易褪色和脱落，吸收率达95%，翅片中间有一条铜管流道，冷水在铜管内流动时被加热，铜管耐腐蚀，其寿命大于15年。平板型太阳能集热器具有结构简单、承压能力强、吸热性能好、制造成本较低等特点，有利于实现平板型太阳能集热器安装布置在纺织印染车间的楼房顶上，从而可节省土地面积。

1.2 真空管太阳能集热器

真空管太阳能集热器是将吸热体和透明盖层之间的空间抽成真空。太阳能集热器真空管可分为两种类型：一类是玻璃吸热体真空管，另一类是金属吸热体真空管。其特点是防冻结、不易结垢，保温性能好、耐热冲击，安装简单方便、运行安全可靠。

1.3 陶瓷型太阳能集热器

陶瓷型太阳能集热器是由太阳能板、透明盖、保温层、外壳等几部分组成，陶瓷太阳能板的整体材质为陶瓷材料，其特点是：防渗水、强度高、不易腐蚀、不易老化、无毒、无害，且吸收太阳能的效率不会随着时间变化而发生衰减，具有长期、高效的光热转换效率。

太阳能光热供水节能减排系统是通过太阳能集热器对冷水进行加热，然后将加热好的热水放入储水罐内，当热水温度达到了生产工艺设定温度时，热水进入恒温储水箱中供生产用户使用。而当热水的温度低于生产工艺设定温度或阴雨天及夜晚没有阳光时，应立即启动辅助加热系统，经辅助加热装置对低温的冷水进行加热后，达到了生产工艺设定温度的热水则可进入恒温储水箱内储存供生产用户使用。

2 太阳能光热供水在纺织印染水洗工艺中的应用

2.1 太阳能光热供水节能减排系统

太阳能光热供水节能减排系统主要由以下四个部分组成：

1)太阳能集热器

太阳能集热器是用来吸收太阳能，并把光能转化为热能的装置[3]，从而可以把冷水加热成为热水。

2)热水池与清水池

恒温热水池是用来储存已经被加热的热水，保温清水池则是用来储存冷水，保温废热水池是用来储存印染水洗后的废水。

3)余热回收装置

余热回收装置是用来吸收印染水洗后废水中的余热，并将干净的冷水通过板式热交换器换热后变为热水的节能减排装置。

4)供水管道系统

如果水温在95℃以下使用时，供水管道系统可采用太阳能光热专用塑料管道，其优点是防腐蚀、防锈蚀、保温性能较好。但如果水温在95℃以上使用时，供水管道系统可以采用金属碳钢管或者镀锌铁管，其优点是强度好、刚度高、耐压性能好、且耐高温；缺点是金属管道易生锈腐蚀、污染管道内的水流体，而且金属管道的散热速度快、不容易保温，冬季建筑物室外安装的金属管道容易冻裂损坏，因此需要采用保温措施。如果水温在95℃以下使用时，供水管道系统也可以全部采用金属碳钢管或者镀锌铁管。

2.2 太阳能光热供水节能减排系统在纺织印染水洗工艺中的应用

天气晴朗时当太阳能把平板型太阳能集热器内的冷水加热至60℃时(此工艺温度是可以进行设置的)，冷水管上的电磁阀自动打开，冷水由自来水的压力送入太阳能集热板内，并把太阳能集热板内被加热好的热水挤压到热水池中储存待用，当冷水到达太阳能集热板出口处的温度探测器位置时，如果探测水温低于60℃，电磁阀门就会立刻关闭，冷水则会停留在太阳能集热板内被太阳能继续加热，1～3min之后，水温会升到60℃，这时电磁门会再次打开，太阳能集热器内的热水又被挤压进入热水池中，按此规律运行，则会一次又一次产生热水、进入热水池中。热水池内的热水逐渐增加直到热水池内的热水装满为止。

当热水池内的热水装满之后，平板型太阳能集热器停止进入冷水，如果此时天空中还有太阳光线，为了充分利用太阳能，循环热水泵就会自动开启运转，将热水池内储存的60℃热水抽出来进入太阳能集热器内，继续经过太阳能集热器的循环加热，从而使热水的温度进一步升高，并将其储存在热水池内。

在纺织印染水洗过程中使用热水时，热水会从热水池中输送至印染水洗设备内，同时冷水管和辅助加热的蒸汽水管会向印染水洗设备内分别输入常温冷水和蒸汽水(温度达到90℃左右)，以此用来调节印染水洗设备内的热水温度。而经过印染水洗设备的热水用于染洗之后就会变为废热水。印染废热水有较高的温度和余热，因此，为了充分利用印染废热水中的热能，废热水将会通过污水管道输入到板式热交换器内，通过板式热交换器回收印染废水中的余热，从而将干净的冷水加热变成为干净的热水，而被加热后的干净热水则会输送至热水池中。同时将降温后的印染废水通过排水管道排出，进入污水处理系统内进行后续环保处理。

2.3 太阳能光热供水节能减排系统的智能化控制

智能化控制可以实现太阳能光热供水节能减排系统与辅助加热系统的无缝组合。纺织印染水洗中的辅助加热系统可以选择是蒸汽(或热水锅炉)，通过一根浸泡在保温热水池底部的金属碳钢盘管，浸泡钢管内输入蒸汽间接加热保温热水池中的水。根据天气的光照情况，智能化控制启动或关闭太阳能光热供水节能减排系统[4]；同时根据生产实际使用热水的情况，智能化控制启动或关闭辅助加热系统中的蒸汽输入量，并实现两者的无缝对接组合。此外，智能化控制能够实现太阳能光热的定温出水、太阳能集热器和保温热水池的温差循环、分时段补水、自动和定时启动辅助加热系统、定温或定时回水、定时供水、最低水位保护等功能。综上所述，在纺织印染水洗工艺中采用太阳能光热供水节能减排系统具有如下优点：

1)增加产量

利用平板型太阳能集热器对冷水进行加热，温度为60℃左右的热水可以直接进入染缸，从而大幅度缩短了蒸汽加热的升温时间，最终可达到增加产量的目的。

2)建筑物楼顶隔热

印染车间建筑物楼顶的日照时间较长，故会导致车间室内的温度较高，由于平板型太阳能集热器可以直接放在建筑物楼顶上，挡住并吸收了太阳光线，故利用平板型太阳能集热器可以有效地进行车间楼顶隔热，从而降低了车间室内的生产环境温度。

3)安全生产

太阳能光热供水产生的热水温度一般低于70℃以下，故无任何生产安全隐患。

3 太阳能专用塑料供水管道

太阳能供水管道通常安装在建筑物外，长期承受热水烫、寒潮冻、烈日晒的恶劣环境。太阳能专用塑料供水管道必须同时具备长期抗烫、抗冻、抗晒的功能。太阳能专用塑料供水管道采用防冻抗晒交联管，通过先进生产技术，将聚乙烯的线型分子结构改变成三维网状分子状态，其具备耐高温、抗冻性能、抗晒性能、机械强度高、使用寿命长、清洁卫生等优良性能。

3.1 耐高温、寿命长

由于具有不同于一般塑料的三维网状分子结构，太阳能专用塑料供水管道是典型的高温型管道，具有优越的耐高温性能，主要表现在以下两方面：

1)高温条件下的高强度

静液压强度是表明塑料管道在恒定温度下耐恒定内水压的性能，对于内压水流体的输送所采用塑料管道，其静液压强度要能全面反映塑料管道的性能[5]；且静液压强度也是塑料管道系统进行寿命预测的主要手段之一。

无压环的刚度是表明塑料管材质量的关键性能指标，通过无压环刚度大小可以确定塑料管材能否长期埋于地下，当受到外力作用下其形状是否不发生较大变形。

太阳能专用塑料供水管道的短期使用温度可达到110℃水温，在95℃水温时其爆破压力为2.0MPa；而一般塑料管道在70℃水温时已完全失去强度。

2）在高温下使用寿命长

太阳能专用塑料供水管道在70℃以下水温使用时，使用寿命可达到50年；如在95℃以下水温使用时，其使用寿命为30年。而一般塑料管道均为冷水型管道，只能在30℃以下水温使用，如在较高的水温条件下使用，很快因热老化而变脆损坏。

3.2 抗冻性能

纵向回缩率是表明塑料管材处于温度的影响下，沿纵向的收缩变化及其稳定性能[6]。纵向回缩率的大小反映了塑料管材使用过程中对日照、气温等环境变化的承受能力。由于太阳能专用塑料供水管道具有特殊的三维网状分子结构，从而使该塑料管道具有低温不脆化及记忆特性，即是在外力作用下发生变形、在外力消失后能恢复原来形状的特性。所以，太阳能专用塑料供水管道能够历经严寒而不会冻裂，其机理是由于该太阳能专用塑料管道在低温条件下具有良好的弹性和记忆特性。当太阳能专用塑料管道内结冰膨胀时，专用塑料管道靠弹性微量变粗，以吸收结冰时的胀力。当升温化冻时，太阳能专用塑料管道靠记忆特性恢复原状。如此反复数百次而不会发生破裂损坏。

其它类型塑料管道、特别是铝塑管不具备这种特性。当铝塑管道内结冰膨胀时，低温弹性差的铝塑管道，由于不能靠弹性变粗，无法吸收管内结冰膨胀时的胀力作用而会发生一次冻裂损坏。即使低温弹性好的塑料管道，虽然在管内结冰膨胀时塑料管道能靠弹性微量变粗，但当升温解冻时，塑料管道则不能恢复原来形状；当管内再次发生结冰时，塑料管道在原来被胀大的基础上，会再次被胀大；当连续发生几次管内结冰之后，即连续发生几次寒流冰冻之后，便会超出塑料管道延伸极限而发生破裂损坏。

3.3 抗晒性能

普通交联管道虽然具有抗烫、抗冻的优良性能，但也有明显的缺陷，即：怕晒。如果裸露于太阳光之下，不到一年时间，普通交联管道便会因为龟裂而脆化，所以，普通交联管道是属于室内使用的塑料管道。

太阳能专用塑料供水管道采用先进的抗紫外线配方和共挤复合工艺，在交联管外面复合上抗紫外线保护层，从而屏蔽了紫外线，由此在室外使用太阳能专用塑料供水管道如同与在室内使用的情况相似。因此，当太阳能专用塑料供水管道裸露在阳光之下，其使用寿命是普通交联管的5倍以上，从而使太阳能专用塑料供水管道同时具备了长期耐烫、抗冻、抗晒的三大功能。

3.4 机械强度高

太阳能专用塑料供水管道的机械强度是普通塑料管道的3倍以上。

3.5 使用寿命长

太阳能专用塑料供水管道的损坏、失效主要取决于以下因素：太阳能专用塑料管道输送的水流体压力、泵送水流体和水流体自身由于落差而产生的水柱，均会在太阳能专用塑料供水管道中产生可能引发系统损坏、失效的压力。影响太阳能专用塑料供水管道的实际使用寿命有如下几个主要因素：

1）原材料因素

包括树脂的自身特点、原材料的成分和比重、添加剂及其加工助剂和改性助剂、加工工艺及流程等引起太阳能专用塑料管道性能变化的各种因素[7]。

2）使用条件因素

包括太阳能专用塑料管道输送的水流体温度影响因素，使用环境中温度、氧化、微生物的破坏作用。

3）载荷因素

太阳能专用塑料供水管道系统的运行压力及其压力变化、承受的外部荷载、水流体输送压力及动态内向载荷等因素，太阳能专用塑料供水管道的切口划伤等影响因素[8]。

3.6 清洁卫生

太阳能专用塑料供水管道采用双层复合结构，外层为抗紫外线层，内层采用食品级的塑料原材料，故太阳能专用塑料供水管道不仅可抗紫外线而且清洁卫生。

4 结语

太阳能是可再生的能源，且资源丰富、绿色环保。因此，在纺织印染行业中采用太阳能光热供水节能减排系统，可以在印染车间楼顶上安装使用平板型太阳能集热器，可以利用太阳能把冷水加热变成为热水，并贮存在保温热水池内。使用太阳能专用塑料供水管道向印染车间中的印染水洗设备供应热水，还可进行污水的余热回收利用，从而可大幅度节约能源费用，减少环境污染。采用太阳能光热供水节能减排系统是纺织印染行业中实现节能减排、降低运行成本的一项非常有效的实用方法。