太阳能加热二次回水技术在集中供热系统中的应用

2019-03-14孙家丽

中国资源综合利用 2019年2期

孙家丽

（天津市津能滨海热电有限公司，天津 300450）

随着社会的不断发展，人与自然的矛盾愈来愈突出，环境恶化和能源短缺是目前人们面临的棘手问题。在我国，煤炭依然是供热的主要燃料之一，燃煤供热造成空气的严重污染，因此发展新能源，开发与传统能源互补的集中供热技术将是解决供热问题的有效方法之一[1]。太阳能取之不尽，用之不竭，具有长久性、再生性、无污染等特点，是一种可利用的理想能源。将太阳能应用于集中供热系统中，有助于减少化石燃料的污染物排放量，减轻大气污染，保护生态环境[2-4]。

集中供热系统包括一次供热系统和二次供热系统两部分，其中，一次供热系统输送供热区域的全部热量，而二次供热系统仅输送对应小区或建筑所需热量。因此，一次供热系统规模较二次供热系统大，若利用有限空间将太阳能应用于一次供热系统，效果不易于计量与分析，故将太阳能应用于二次供热系统中，更易于分析太阳能的应用效果。

按照我国太阳能资源分布，天津太阳能区划为二类地区，全年日照时数大于3000 h，2001年太阳总辐射年平均值为14.53 MJ/m2。天津各区县中滨海新区常年平均实照时数最多，太阳能资源十分丰富，具备太阳能利用条件[5-7]。因此，本文以天津市滨海新区的华建里换热站改造为例，对太阳能在集中供热二次系统中的应用加以探讨。

1 太阳能在集中供热二次系统中应用的方案比较

为了在冬季将太阳能应用于集中供热二次系统，本研究设计了三种方案，分别为：利用太阳能直接加热补水箱中自来水、利用太阳能加热二次回水、利用太阳能进行跨季节蓄热。下面对三种方案进行对比分析。

1.1 太阳能直接加热补水箱中自来水

该方案通过太阳能集热系统加热补水水箱内的自来水，将热能储存于水箱中，随二次网补水过程，将热水注入小区二次网系统中，以达到利用太阳能的过程。该方案需要对换热站原有补水箱进行保温改造。同时，该方案的有效应用是建立在供热小区日补水量较大的前提下。

1.2 太阳能加热二次回水

该方案中，太阳能集热系统与供热小区二次网系统并联，部分二次网回水通过并联管路进入集热器中，吸收太阳能之后，重新与原有二次回水混合，进入板式换热器再次加热，达到设定二次供温，对外供热。

1.3 跨季节蓄热系统方案

该方案在非采暖季通过太阳能集热系统加热蓄热池内的热媒至一定温度，待采暖季开始时将该部分热量转移至二次网系统中，达到节能目的。目前，常见的蓄热形式主要有显热蓄热、潜热蓄热、化学蓄热[8-9]。

表1 方案对比分析

综上所述，方案2更具备可操作性，故选取太阳能加热二次回水方案研究太阳能在集中供热二次系统中的应用效果。

2 太阳能加热二次回水系统基本原理

在换热站中二次回水管道选取适当接点，并联接入太阳能换热系统。采暖季期间，太阳能光热系统收集太阳能转化为热量补充至二次供热系统中，从而节约集中供热系统能源消耗。另外，考虑夏季等非采暖季期间太阳能光照资源更加丰富，故考虑在非采暖季供热系统无用热需求时，进一步将改造后的换热站补水箱与太阳能光热系统相连，充分利用太阳能光热系统制造生活热水储存至水箱中，为周边公建用户提供热水资源，实现全年太阳能的充分利用[10-13]。

3 应用案例

3.1 换热站基本特点

本文选取天津滨海新区华建里换热站作为太阳能加热二次回水系统改造对象。该换热站为地上换热站，周围建筑物高度小，利于采集太阳能，故于该站屋顶安装太阳能集热器。该屋顶尺寸长×宽为14.0 m×12.5 m，考虑检修通道等空间预留，可安装太阳能集热面积96.25 m2。另外，华建里换热站站内空间充足，具备将屋顶太阳能集热系统水路与站内二次回水系统相接的改造条件，并且具备非采暖季生活热水储存水箱放置条件。

3.2 成本分析

参照《民用建筑太阳能热水系统工程技术手册》附录1资料，天津市太阳能总辐射月平均日辐射量（MJ/m2）如表2所示。

表2 天津市太阳能总辐射月平均日辐射量

太阳能集热器每月产热量计算公式为：太阳能集热器每月产热量（MJ/月）=日均辐射量（MJ/m2）×集热面积（m2）×集热器效率（%）×每月天数。

太阳能集热器每月产生生活热水计算公式为：太阳能集热器每月产生生活热水量（t）=太阳能集热器每月产热量（MJ/月）÷[4.187×（出水温度（℃）-自来水温度（℃））]。

太阳能集热器效率为75%，非采暖季制生活热水出水温度为85℃，自来水温度为10℃，则计算得到的采暖季产热量及非采暖季生产生活热水量如表3所示。

表3 采暖季产热量及非采暖季产生活热水量计算结果

由表3所知，11月至次年3月为采暖季，共计5个月，太阳能集热系统产热量合计为110.32 GJ，而4-10月共计7个月为非采暖季，此套太阳能集热装置可提供85℃热水860 t。

华建里2016-2017年采暖季单位面积用热量为0.27 GJ/（m2·a），按照收取采暖费标准25元/m2计算，每年采暖季可回收采暖费10214.8元；非采暖季期间生产生活热水按照热水价格25元/t计算，购买自来水价格为7.9元/t计算，则每年非采暖季期间可回收热水费用为14706元。因此，全年可收回费用合计为24920.8元/a，按照总投资26万元计算，此套系统粗略计算回收期为10.4 a。