集中式太阳能热水系统精细化设计

张志尧，褚 赛，林 桐，朱永强，李明周

(北京市勘察设计研究院有限公司,北京 100038)

0 引言

太阳能热水系统是利用集热器采集太阳热量,通过循环泵将采集到的热量传输至大型储水保温水箱中,并匹配当量的电力、燃气、燃油等能源,把水箱中的水加热并成为比较稳定的定量能源的技术。相较于分户独立系统,集中式太阳能热水系统以其集成化程度高、与建筑结合性好、运行维护简便、户间用水相互平衡、易实现即开即热等优点,逐渐成为太阳能热水系统主流形式[1]。国内外许多学者对集中式太阳能热水系统的设计及模拟进行了研究:一方面,依托实际项目,阐述设计思路,以期为同类工程设计提供参考[2-5];另一方面,采用模拟手段,研究影响因素,指导系统以更优化的策略运行[6-8]。

本文依托北京市某园区内科研办公楼集中式太阳能热水系统为例,制定了系统运行控制策略,详细介绍了系统精细化设计思路及过程,分析了该系统的经济效益及环保效益,以期为将来集中式太阳能热水系统的深化设计及应用发展提供参考。

1 系统组成及运行

本项目位于北京市,主要建筑功能为科研办公楼,配套有招待培训中心等附属功能。建设太阳能热水系统满足招待培训中心(设单独卫生间、公用洗衣室)生活热水需求:采用集中集热-集中预热-分散供热系统,热源为太阳能集热器,辅助热源为燃气热水锅炉;热水供水温度60 ℃,用水计算单位人数约680人;太阳能集热器布置于招待培训楼屋顶,换热设备及循环泵置于B1层生活热水机房内。

1.1 系统组成

如图1所示,系统采用强制循环、间接换热方式,由太阳能集热器、集热水箱、供热水箱、风冷散热器、热媒膨胀罐、循环水泵等主要设备,阀门附件、循环管道及控制系统组成,贮热水箱及供热水箱均为导流型容积式换热器。

1.2 运行策略

1)太阳能集热温差循环:当集热器顶部温度T1与集热用容积式换热器壳程内介质温度T2的温差不小于7 ℃(可设定)时,太阳能集热循环泵P1打开,集热器内经太阳能加热后的高温换能液在P1的作用下流经集热用容积式换热器内换热管,与换热器壳程内冷水换热,温度降低后流回集热器吸热,完成下一个集热循环;当T1-T2≤3 ℃(可设定)时,P1关闭,停止循环。

2)高温散热循环:当集热器顶部温度T1>70 ℃(可设定)或集热用容积式换热器壳程内介质温度T2>60 ℃(可设定)时,关闭电动阀M1并开启风冷散热器,防止集热器温度过高,进行系统保护性热循环,高温太阳能换能液流经风冷散热器散失部分热量后,再进入集热用容积式换热器内换热;当T1<65 ℃(可设定)或T2<58 ℃(可设定)时,开启M1并关闭风冷散热器。

3)热水换热循环:当集热用容积式换热器壳程内介质温度T2不小于供热用容积式换热器壳程内介质温度T3时,开启电动阀M3并关闭电动阀M4,以最大限度利用太阳能热量,热水回水与冷水混合后进集热用容积式换热器换热;当集热用容积式换热器壳程内介质温度T2小于供热用容积式换热器壳程内介质温度T3时,关闭电动阀M3并开启电动阀M4。

4)辅助加热循环:当供热用容积式换热器壳程内介质温度T3≤45 ℃(可设定)时,开启燃气锅炉及电动阀M5,经集热用容积式换热器预热后的热水再经供热用容积式换热器管程内燃气锅炉热水再热至设计热水供应温度,供至末端;当T3≥55 ℃(可设定)时,关闭燃气锅炉及电动阀M5。

5)管路末端即开即热循环:当生活热水回水管水温T4≤40 ℃(可设定)时,开启热水循环泵P3,使热水流回容积式换热器中加热后再供至末端,保证末端供水达到即开即热效果;当T4≥50 ℃(可设定)时,关闭热水循环泵P3。

6)自动补液:当系统压力YP1<0.10 MPa时,补液循环泵P2打开,向系统内补液,实现系统稳压运行,避免换能液损失;当YP1≥0.15 MPa时,补液循环泵P2关闭。

7)过压保护:当系统压力YP1≥0.25 MPa时,电动阀M2打开,向补液箱内泄液泄压;当YP1≤0.2 MPa时,M2关闭。

2 设计分析

2.1 设计小时耗热量

根据GB 50015—2019建筑给水排水设计标准[9],本项目招待培训中心全日集中热水供应系统的设计小时耗热量计算公式为:

(1)

其中，Qh为设计小时耗热量,kJ/h;m为用水计算单位数,人;qr为热水用水定额,L/(人·d);tr为热水温度,℃;C为水的比热,kJ/(kg·℃);tl为冷水温度,℃;ρr为热水密度,kg/L;T为每日使用时间,h;Cr为热水供应系统的热损失系数,取1.10～1.15;Kh为小时变化系数,根据用水定额高低及使用人数多少采用内插法求得。

本项目用水计算单位数为680人,最高日用水定额为100 L/(人·d),热水温度60 ℃,冷水温度取北京市地面水温度4 ℃。经计算,设计小时耗热量Qh为2 461 987.70 kJ/h(684 kW)。

2.2 集热器设计分析

2.2.1 平均日耗热量

平均日耗热量计算公式为:

(2)

2.2.2 直接系统集热面积

本项目为间接式系统,需先求得直接式系统集热面积,再由此推导间接式系统集热面积。直接系统集热面积计算公式为:

(3)

其中，Ajz为直接太阳能热水系统集热器总面积,m2;Qmd为平均日耗热量,kJ/d;f为太阳能保证率,%;bj为集热器面积补偿系数,%;Jt为集热器总面积的平均日太阳辐照量,kJ/(m2·d);ηj为集热器总面积的年平均集热效率,%;η1为集热系统的热损失,%。

本项目集热器拟布于招待培训楼屋顶,南向15°角安装,面积补偿系数取bj=97%;根据集热器检测报告,取集热器总面积的年平均集热效率ηj=40%;热损失取η1=20%。经计算,直接系统集热器总面积413.11 m2。

2.2.3 间接系统集热面积

间接系统集热器总面积计算公式为:

(4)

其中，Ajj为间接太阳能热水系统集热器总面积,m2;UL为集热器热损失系数,kJ/(m2·℃·h);K为水加热传热系数,kJ/(m2·℃·h);Fjr为水加热器加热面积,m2。

根据集热器检测报告,取集热器热损失系数UL=5.0 kJ/(m2·℃·h);本项目水加热器为导流型容积式换热器,取其传热系数K=5 400 kJ/(m2·℃·h);根据热媒及被加热水温度并考虑一定的污垢热阻,算得Fjr=42.8 m2。经计算,间接系统集热器总面积为418.42 m2。

2.2.4 集热器性能对比

太阳能集热器通常分为平板集热器及真空管集热器两类,真空管集热器又包含全玻璃真空管集热器和热管/U型管式真空管集热器,各类集热器运行原理、使用场合及特点不尽相同。平板集热器是利用透明盖板内涂有吸收涂层的吸热板将太阳辐射能转化为热能,吸热板流道内工质将热能带走;全玻璃真空管集热器类似拉长的保温瓶胆,利用镀有选择性涂层的内管外壁将太阳能转变成热能,并传给内管中的工质;热管/U型管式真空管集热器是在全玻璃真空管集热器内装配热管或U型铜管,对集热器进行空晒,通过循环在U型铜管中的工质将热量带出。表1为各类集热器优缺点对比,本项目经技术经济比较,选用U型管式真空管集热器。

表1 集热器优缺点对比

2.3 辅助设备设计分析

2.3.1 容积式换热器

1)集热用容积式换热器。

集热用容积式换热器换热量即为设计小时耗热量,换热面积即为式(4)中水加热器面积,其有效容积计算公式如下:

Vrx=qrjdAjj

(5)

其中，Vrx为罐体有效容积,L;qrjd为集热器单位轮廓面积平均日产60 ℃热水量,L/(m2·d)。

根据集热器检测报告,取集热器单位轮廓面积平均日产60 ℃热水量qrjd=45 L/(m2·d)。经计算,有效容积为18 829 L。

2)供热用容积式换热器。

供热用容积式换热器换热量亦为设计小时耗热量,换热面积计算公式为:

(6)

(7)

其中，ε为水垢和热媒分布不均匀影响传热效率的系数,%;Δtj为热媒与被加热水的计算温差,℃;tmc，tmz分别为热媒的初温和终温,℃;tc,tz分别为被加热水的初温和终温,℃。

本项目取水垢和热媒分布不均匀影响传热效率的系数ε=85%;热媒为燃气锅炉热水,初温终温分别为95 ℃/70 ℃;被加热水初温终温为4 ℃/60 ℃。经计算,供热用容积式换热器换热面积为10.62 m2。

贮水容积计算公式为:

(8)

参照GB 50015—2019建筑给水排水设计标准,取导流型容积式换热器贮热时间为40 min。经计算,贮水容积为7 120 L。

2.3.2 风冷散热器

本项目在集热系统中设置风冷散热器,解决夏季辐射较强的运行工况下,系统产生大量热量无法消耗或储存的问题,避免系统产生过热现象,运行状态不稳,危害人身安全等情况。风冷散热器功率需大于集热器的吸热功率,太阳能系统吸热功率在环境温度高、阳光资源好时最大,故散热器一般按夏季中午前后的工况设计,计算公式为:

(9)

其中，ηcd为集热器夏季高温时(80 ℃～90 ℃)的集热效率,%;kt为太阳辐照度时变化系数,一般为1.5～1.8;Sr为夏季日照小时数,h。

根据集热器检测报告,取集热器高温集热效率ηcd=50%;夏季日照小时数Sr=7.55。经计算,风冷散热器散热功率为199.42 kW。

2.3.3 热媒膨胀罐

本项目在集热系统中设置膨胀罐,避免换能液加热膨胀后从安全阀泄露并汽化,膨胀罐的设计参数包含有效容积及额定容积,计算公式如下:

Vu=(V下×e+V板+V上)×k

(10)

(11)

其中，Vu为膨胀罐有效容积,L;V下为低于集热器上出口的集热循环管道液体量,L;e为液体膨胀系数,%;V板为集热板液体量,L;V上为高出集热器上出口或与集热器上出口平齐的集热循环管道液体量,L;k为安全系数,一般为1.1;Vn为膨胀罐额定容积,L;Pf为最高压力,bar;Pi为起始压力,bar。

经计算,在屋顶上及机房内分设两个热媒膨胀罐,分别承担屋顶集热器及循环管路膨胀量、机房设备及管路膨胀量;屋顶膨胀罐有效容积950 L,额定容积1 400 L;机房膨胀罐有效容积200 L,额定容积900 L。

2.3.4 集热循环泵

集热循环泵为集热循环提供动力,其流量等同集热系统循环流量,扬程为闭式系统循环水泵扬程,计算公式为:

qx=qgzAjj

(12)

Hb=hjx+he+hj+hf

(13)

其中，qx为集热系统循环流量,L/s;qgz为单位轮廓面积集热系统对应的工质流量,L/(m2·s);Hb为循环水泵扬程,m;hjx为集热系统循环流量通过循环管道的沿程与局部阻力损失,m;he为循环流量通过换热器的阻力损失,m;hj为循环流量通过集热器的阻力损失,m;hf为附加压力损失,一般取2 m～5 m。

根据集热器检测报告,取工质流量qgz=0.015 L/m2·s;计算得集热循环泵流量为23.0 m3/h。对循环管路进行水力计算,得集热循环泵扬程为20.0 m。

3 效益分析

3.1 经济效益

综合考虑集热器年平均集热效率及管路热损失等,计算太阳能全年可提供能量:

(14)

经计算,太阳能全年可提供能量为841 423.24 MJ,若采用常规能源(燃气、电力),提供相同能量条件下其经济性如表2所示,由表2可知,采用免费的太阳能作为生活热水热源较燃气锅炉节省168.42万元燃气费用,较电制热水节省480.79万元电费。

表2 经济性分析

3.2 环保效益

太阳能热水系统的环保效益主要体现在因未使用常规能源而减少烟尘及CO2，SO2等温室气体排放。经计算,相较于燃气热水系统,本项目每年节约标煤35.06 kgce,烟尘减排量1 696.91 t,CO2减排量92.91 t,SO2减排量6.24 t,NOx减排量3.07 t;相较于电锅炉热水系统,本项目每年节约标煤93.98 kgce,烟尘减排量4 548.87 t,CO2减排量249.05 t,SO2减排量16.72 t,NOx减排量8.24 t;节能环保效果显著。

4 结论

集中式太阳能热水系统具有运行安全稳定、控制灵活智能、使用舒适节能等诸多优点,可以减少传统化石燃料的消耗,实现清洁环保。在实际工程应用中,应综合考虑项目所在地全年日照情况、气候环境特点、服务建筑功能等多重因素,制定符合系统实际使用需求的运行控制策略,并从设计角度进行精细化的热水耗热量计算、集热系统计算和设备选型计算,达到高效、实用,充分发挥这一技术的节能潜力。