節能服務

嚴寒地區高校集中太陽能熱水系統

作者:合肥順昌企業日期:2016-01-13來源:www.cnjsc.com

 太陽能是可再生綠色能源,取之不盡用之不竭,光熱和光電是太陽能利用的兩種直接形式。無論是光熱還是光電,如今都已經得到了大規模的推廣使用,2015年上半年全國新增光伏容量達到773萬千瓦,預計到2015年底全國累計裝機容量達到4600萬千瓦;上世紀90年代真空管誕生以后,太陽能光熱取得迅速發展,截止2014年底,全國太陽能集熱器保有量累計4億平方米,占全球規模的70%。
就經濟性而言,太陽能光伏造價較高,如沒有政策性價格補貼,在使用壽命期內難以收回投資;而太陽能光熱早已顯示出顯著的經濟性,造價相對低,能源替代性強,大約3~5年即可收回投入。國家正在轉變以往重光伏而輕光熱的政策,在宏觀層面提升太陽能光熱的地位,因此太陽能光熱將會得到進一步的發展,特別是各地正在陸續強制推廣太陽能-建筑節能一體化設計,將建筑節能與太陽能的利用直接關聯,無疑會極大推動太陽能熱水的應用。
我國幅員遼闊、氣候差異大,在不同地區實施的太陽能光熱,需根據當地氣候選擇不同形式的太陽能集熱器和系統技術,以確保系統高效和可靠的運行,尤其是在嚴寒和寒冷地區所實施的太陽能熱水工程,要經受嚴寒氣溫對運行可靠性的考驗。不少太陽能集中熱水項目,由于在設計及施工過程中認識不足,導致系統凍脹等意外情況的發生或者系統處于負效率的運行,給使用單位帶來運行、管理維護、開支等多方面的負面影響。
早期高校集中熱水洗浴收費都采取固定票價,即洗澡一次多少錢,而這種收費方式早已被證明是不可取的,大量的熱水被浪費,學校每年都要在生活熱水上投入相當一部分補貼。現在越來越多的學校實行學生洗浴刷卡、按時間或熱量計費,收費與熱水用量掛鉤促進了學生的節約意識,實現了衛生熱水的收支平衡。為適應刷卡收費要求,洗浴熱水系統大多設計為單管,同時為減少管理工作量并降低洗浴能耗,浴室一般每天定時開放。
高校太陽能集中熱水系統,它有自身的一些特征,如:定時開放、單管恒溫供水、刷卡收費、洗浴高峰時段人數集中、峰值用水量大但人均熱水用量少、寒暑假及小長假期間停用等。太陽能熱水系統設計需充分考慮學校的實際,盲從標準設計和配置設備會導致系統與實際使用產生較大出入,使造價增加、運行浪費或不能較好滿足需求。
合肥順昌公司在多年的太陽能熱水工程實踐中,借鑒國內外成熟經驗,準確把握用戶需求,以太陽能最大化利用為核心,以保證系統長期可靠運行為關鍵,以智能化控制為手段,探索出在嚴寒地區行之有效的、經濟而又合理的太陽能熱水系統,在多地的實際運行中,得到用戶的高度認可。我們也愿意與各地高校后勤管理工作者和技術同行共同交流、相互學習,促進太陽能熱水技術的不斷提高,讓太陽能熱水更好地服務于學校、服務于社會。

一、集熱器選型

常見的太陽能集熱器分為全玻璃真空管集熱器(俗稱“三高管”)、平板式太陽能集熱器、熱管式真空管集熱器,熱管式又分為金屬熱管和全玻璃雙真空熱管。集熱器選型對太陽能系統能否高效可靠運行有著至關重要的影響,尤其是嚴寒地區,選型不合理可能會造成高投入、低產出,或者系統不能正常運轉,維修維護頻繁。

從集熱效果來看,全玻璃真空管得熱量最多,是我國南方地區主流的集熱器,除了陽臺壁掛等場合需要考慮與建筑一體化美觀等因素,屋面布置的太陽能基本都是該型式集熱器,但在北方只能作為季節性使用;平板太陽能集熱器及熱管式真空管集熱器的熱吸收能力與之相比要低一些。

從熱量的轉移方式來看,全玻璃真空管和平板都是太陽直接加熱集熱器內的介質,而熱管式真空管則是加熱集熱管內部的真空介質,真空介質再通過相變間接傳熱給聯箱內的熱水或熱媒介質。

從熱水的制備方式來看,三者都可以直接制備熱水而不需要進行外部的換熱,但通常平板太陽能集熱器更多采用了配方溶液,因此一般采取外部換熱方式。

從承壓來看,全玻璃真空管只能承受0.1MPa以內的壓力,否則集熱管會從聯箱脹開而出現漏水;平板、熱管式真空管都能夠承受0.6MPa甚至更高的壓力。

從系統可靠性及維護量來看,全玻璃真空管的集熱管子內部與聯箱相通且采取插入方式連接,任何管子破損或脹開都會導致系統無法正常工作,因此全玻璃真空管可靠性較差,維修維護量相對較高。而平板、熱管式真空管可靠性高,像熱管式真空管,任何集熱管的破損都不會影響系統正常工作,維修維護量較少。

從造價來看,金屬熱管式真空管集熱器造價最高、其次為平板式集熱器、再次為全玻璃雙真空熱管式集熱器、而全玻璃真空管集熱器造價最低。平板式集熱器采用防凍液時,如將防凍液介質成本計算在內,平板式集熱器造價更高。

從對水質的要求來看,如直接用水作為工作介質,平板要求最高、其次為全玻璃真空管集熱器,熱管式真空管管子內部為相變介質,即使水硬度很高,只需要對上下水管道進行除垢,相對來說較為容易并且除垢徹底。

從滿足防凍性要求看,平板式集熱器除非使用配方抗凍溶液,使用水作為介質基本不可能;全玻璃真空管,不管是豎插管還是橫插管,管子內都充滿水,即使是管道排空,除橫插管子內水可部分流出外,豎插管水無法排出,防凍性差;熱管式真空管集熱器,集熱管內無水,防凍性最好。

綜合分析起來,全玻璃真空管集熱器盡管造價低、得熱效果好,但難以滿足嚴寒地區的抗凍要求、無法實現排空、冬季得熱量低、運行維護工作量大、水質要求高、不能承壓,因此不太適合嚴寒地區常年使用;平板式集熱器可以保證系統可靠運行,但造價高、熱效率低,尤其是冬季熱水制備能力差,運行效益低、經濟性最低;金屬熱管式集熱管造價高、使用過程衰減快,金屬端蓋與玻璃管熱壓封接合處由于材料的熱脹冷縮系數不同,容易漏氣、工程壽命短,經濟性和持久性不強。

雙真空熱管式真空管集熱器造價較低、衰減緩慢、可保持較為持久的集熱效率、管子內無水存在,適合冬季排空及抗凍要求,系統維護量小,無論是造價還是運行經濟性都具有較為顯著的優勢。因此,在嚴寒地區太陽能熱水系統,最合理的集熱器選型是雙真空熱管式全玻璃集熱器。

二、太陽能安裝面積

太陽能熱水系統的設計,首先要測算熱水用量,以確定合理的太陽能面積、水箱容量和輔助熱源的配備。在《建筑給水排水設計規范》GB50015-003009)中沒有明確高校學生洗浴熱水設計定額,特別是在實行刷卡制時,因此熱水用量可根據本學校歷史熱水消耗統計、該公共浴室擬解決的洗浴學生數量而定。在缺少歷史數據情況下,可從本地招生為主還是全國性招生大體確定,根據我們長期從事高校熱水系統工程經驗,如8000在校生,在嚴寒地區熱水用量可參考為:學校本地招生為主時每人每周1次,每人次50~60升,其中熱水溫度是實際水溫而不是規范中所注明的60℃,日洗浴用水量大約在6070噸之間;如全國性招生時,每人每4~51次,每人次50~60升,日洗浴用水量大約在80100噸之間。新建學校的食堂與浴室往往設計在一個建筑內或相鄰處,考慮到食堂一般不宜提供更多的人就餐,其設計規模大都在5000~10000人之間,集中洗浴建設規模基本與之匹配。自來水年平均溫度按10℃選取、洗浴平均水溫按42℃(夏季39~40℃、冬季42~43℃),集熱效率50%、管路及水箱熱損失按照20%,太陽能保證率按06SS128《太陽能集中熱水系統選用與安裝》中的推薦值選取,再根據傾斜表面月平均日太陽輻照總量計算所需鋪設的太陽能集熱面積。考慮檢修通道、相互遮擋等因素,太陽能集熱系統占地約為太陽能有效鋪設面積的1.5倍。事實上往往學校與其解決學生就餐及洗浴人數所對應的屋面沒有足夠的場地安裝太陽能集熱器,太陽能保證率難以達到06SS128《太陽能集中熱水系統選用與安裝》中的推薦值,更多情況下都是按照屋面最大化布置太陽能。

三、水箱配備

水箱的有效容量要綜合考慮在洗浴開放之前太陽能系統可以制備的熱水量、洗浴熱水實際需求量、輔助熱源的形式及熱功率而定。無論是24小時連續熱水供應還是分時段熱水供應,太陽能集熱與熱水使用之間都存在時間上的差異性,為提高太陽能的利用效率,水箱總容量一般要求能夠完全儲存當天太陽能的熱水制備量,同時滿足峰值熱水使用需求,即水箱熱水存水與輔助熱源在線補充量應保證高峰期熱水需要量,另外也要保證洗浴時段總熱水需求。從理論上說采取頂水制備熱水和溫差強制循環制備方式都可行,考慮整個系統在嚴寒地區的安全可靠運行,采用溫差強制集熱循環為最佳方式,這里牽涉到非日照時段的排空以及洗浴管道末端低溫回水的存儲問題,較經濟合理的水箱配備分為集熱水箱及恒溫水箱各一臺,其各自容量根據實際情況確定,比如太陽能保證率較低而輔助熱源加熱功率小,那么配備較小的集熱水箱和較大的恒溫水箱,而在太陽能保證率較高且輔助加熱熱源功率較大情況下,兩個水箱的容積趨于接近。正常情況下集熱水箱容水處于較低水位,日照時段采取強制溫差循環集熱,集熱水箱水溫達到設定的使用溫度時轉移到恒溫水箱,再向集熱水箱補入冷水繼續制備,在恒溫水箱滿水情況下,通過自動增加集熱水箱液位高度的方法獲得太陽能的熱量。

四、輔助熱源

鑒于太陽能與空氣源的趨同性而不是互補性,即夏季氣溫高時太陽能和空氣源效果都較好、而冬季太陽能和空氣源運行效果都不理想,因此在嚴寒地區配備單一輔助熱源情形下,空氣源不是合適的選擇,天然氣通達地區,最穩定、經濟的熱源應為燃氣生活鍋爐,或者選擇雙熱源,即氣溫較高季節采用空氣源加熱、氣溫較低季節采取燃氣生活鍋爐加熱,但這會增加系統造價和維護量,需要在進一步經濟技術分析后進行優化選擇。大部分情況下如選擇蒸汽或者電輔助加熱,都不會有好的經濟性,除非蒸汽來源是燃料成本較低的燃煤鍋爐,或者采用谷電,就目前來說,一方面是嚴格限制燃煤鍋爐,另一方面是學校自身需要創造良好的學習生活環境,高校使用燃煤鍋爐的幾乎寥寥無幾;另外谷電蓄熱在夜間,與熱水使用存在很大的時間差異,蓄熱水箱長時間的散熱會造成其經濟性下降,經濟性也需要更好地驗證。

輔助熱源配備功率大小與太陽能集熱系統安裝面積無關,與熱水使用總量、峰值用量及恒溫水箱容量等有關,當熱源功率超過峰值熱水需要的負荷時,可實現在線熱水制備;否則應提前制備,并設計足夠的恒溫水箱容量以供熱水儲存。輔助熱源應有備用或應急措施,通常輔助熱源配備功率約在1/4~1/3熱水總需求的熱負荷附近,即是說,當天氣不好太陽能無法提供熱水時,輔助熱源提前3小時左右,再加上洗浴開放時段輔助熱源動態制備的熱水,完全滿足全部熱水需要。

五、抗凍方式

GB/T18713-2002太陽熱水系統設計、安裝及工程驗收技術規范》及06SS128《太陽能集中熱水系統選用與安裝》中,推薦了幾種抗凍方式,即排空、電伴熱、間接系統充注抗凍介質。

間接系統采用抗凍介質可解決系統的抗凍問題,但由此而帶來集熱效率下降、冬季熱水制備能力差等問題,并且系統復雜、造價較高,管道腐蝕較重等,不是嚴寒地區合適的抗凍方式。電伴熱帶抗凍在實際使用中存在諸多問題:削弱了管道保溫效果,耗電量大甚至入不敷出,環境溫度低再加上系統保溫效果不好,使伴熱帶長時間在高負載下工作,最終導致伴熱帶燒損并引起管道凍裂、系統停用,嚴重者引起火災。即使電伴熱帶能夠滿足抗凍要求,鑒于其使用壽命一般只有3~5年,使用數年后還得更換伴熱帶,增加了維護工作量和維護費用。因此伴熱帶解決系統抗凍問題,既不經濟、隱患也多,除非迫不得已,否則盡量避免采取電伴熱帶抗凍。

無論從經濟還是技術角度,排空是太陽能系統最佳抗凍方式,很多太陽能工程企業宣稱其系統先進、可最大化利用太陽能,倘若設計和運行控制沒有采取排空方式,就談不上太陽能利用的最大化。我們提出一個概念,排空不僅僅是為了冬季抗凍,更是為了最大限度減少太陽能收集以后熱量的損失,從而提高太陽能系統的收益。因此排空并不只限于冬季、也不僅僅是夜間,而是全年,只要沒有一定的光照強度,系統將會排空,避免管道和集熱器散熱引起熱量的丟失,只有在光照達到一定強度情況下,才會向集熱系統泵水。這也是我們在嚴寒地區太陽能集中熱水系統設計中排除平板集熱器的重要原因之一。

采用排空設計時,集熱水箱低于集熱器安裝高度,集熱器及管道內的存水通過自重回流到集熱水箱,集熱系統運行中,預留集熱水箱空間以便容納集熱系統排空水量。為減少水箱散熱和防止設備凍結,一般將水箱和循環系統動力設備及儀表閥門等放置于室內。

六、運行控制

太陽能集中熱水系統以PLC加觸摸屏控制方式,實現智能化運行。主要包括以下方面:

1、自動上水與排空

無論氣溫和時間,只要檢測到室外光照強度達到設定值,集熱循環泵開始啟動從集熱水箱向集熱系統泵水直至系統滿水;反之,當室外光照強度低于設定值并持續一段時間,自動打開排空閥,將集熱系統存水回流到集熱水箱。

2、太陽能溫差循環加熱

檢測集熱器上端水溫高出集熱水箱水溫若干度時,集熱循環泵啟動進行溫差循環,直到兩者溫差小于另一更小的設定值時停止。

3、定溫制水

當集熱水箱水溫達到設定的使用溫度時,將熱水通過水泵轉移至恒溫水箱儲存備用,同時上水電磁閥打開向集熱水箱補充冷水,進行再次制備。

4、輔助加熱

在洗浴開放時段之前,檢測恒溫水箱液位的液位和水溫,根據系統配置和洗浴用水量,提前啟動輔助熱源預制熱水以保證足夠的恒溫水箱存水高度,滿足洗浴總用水供應量和峰值用水,在此過程PC通過計算自動適當調高預制熱水溫度,通過與水箱存水的摻混,將水溫調整在設定的洗浴溫度;同時,恒溫水箱預留一定的空間以便容納從集熱水箱轉移來的符合要求的熱水。輔助加熱設備的水源來自于集熱水箱,即使集熱水箱水溫不滿足使用要求,但由于通過太陽能集熱系統循環加熱而提高了基礎水溫,節省了后續加熱設備的能源消耗,從而充分利用了太陽能。

5、洗浴管道末端低溫回水

洗浴開始及運行過程中,通過檢測熱水管道末端水溫,將管道內不適合洗浴的低溫水回到集熱水箱,保證洗浴過程中任何時候打開任何水龍頭即可迅速獲得熱水,避免無謂的熱量和水資源的浪費、適應刷卡洗浴的水溫要求。

6、變頻供水

根據洗浴龍頭數量和管道系統布局,選擇合適的水泵,其流量和壓頭滿足峰值用水要求,鑒于洗浴人數處于動態變化中,采取變頻恒壓供水,保證洗浴水流穩定,同時減少不必要的耗電。

7、恒溫水箱變液位控制

總體上,恒溫水箱液位控制隨著洗浴時間的延長而逐漸降低,一般在峰值用水之后直至洗浴結束處于低水位,以保證水箱剩余水盡可能少,減少隔夜散熱損失,并方便次日有足夠空間接收來自太陽能集熱系統的熱水。

七、實例分析

北方某地高校,在校生近10000人,本地招生為主。浴室和食堂分別為獨立建筑,浴室一層、食堂為二層,兩者相距8米,浴室和食堂之間場地建有熱水設備間,原安裝20噸熱水箱,通過學校的燃煤蒸汽鍋爐提供的蒸汽加熱學生洗浴熱水。為響應本地環保要求,同時本地太陽能資源較好,因此采取 “熱管式太陽能集熱器+生活燃氣熱水機組”組合補償模式進行改造,滿足在校學生的洗浴熱水需求。 

根據本地生活習慣,設計按平均約每周每人洗澡一次,每次約50~60升,每天洗浴熱水60噸(單管制恒溫供水),刷卡收費,收費標準0.25/分鐘。

 從上表可以看出,本地年均氣溫較低只有3.3℃、1月份平均氣溫接近—20℃、極端最低氣溫在—40℃以下,但年水平面太陽輻照量達到6167MJ/㎡,年日照時間3316小時,屬于Ⅱ類太陽能資源較豐富地區,考慮學校的太陽能為全年使用,集熱器設計采用傾斜安裝。12月份輻照量最低,其輻照量是最高的3月份的77%,即是說,無論季節月份,從理論上都可以較好地全年利用。造成冬季與夏季太陽能集熱效果差異迥然的主要原因,除了冬天太陽能輻照量較小外,還因為環境溫度造成管道散熱不同,因此系統設計至關重要,如集熱器型式、集熱方式、管道保溫做法、抗凍措施等都對運行效果有直接影響。

兩棟樓屋面的可布置太陽能面積不到900㎡,根據現場實際,設計方案在浴室和食堂屋面最大化分別安裝兩個片區雙真空熱管型太陽能集熱器52組和100組,單組集熱器集熱面積3.75㎡,合計太陽能集熱器有效面積570㎡,安裝φ58×1800-20雙真空管3040支,由于太陽輻照強度較高,太陽能保證率約為0.51,符合06SS128中太陽能保證率0.50.6的推薦值區間。

設計將原有20噸熱水箱改為集熱水箱,自來水接入集熱水箱,增加一臺60噸恒溫水箱。太陽能分為兩個片區進行溫差集熱循環,各自配備集熱循環泵,水泵進出口之間加裝自動排空閥,每個片區太陽能陣列末端為最高點,設有大氣連通管,管道從高點分別坡向上水管和回水管。管道保溫采用聚氨酯瓦殼,外護鋁板。

設備間另外安裝輔助熱源,20.35MW燃氣生活鍋爐,熱效率≥94%,正常情況下11備,極端情況同時啟動制備熱水;安裝2臺變頻水泵,恒壓供水;洗浴管道末端安裝有低溫回水電動閥。所有的水泵及配電控制系統均安裝于設備間。

該系統運行邏輯如下:

集熱水箱上水到較低液位,檢測到光照時,分別向兩片集熱系統泵水,當集熱器聯箱與集熱水箱水溫差達到7℃時,啟動溫差循環泵,當溫差小于2℃時,集熱停止;當集熱水箱溫度達到使用要求時,泵送至恒溫水箱儲存待供,同時向集熱水箱補入冷水繼續溫差循環加熱。浴室開放前約2小時,檢測恒溫水箱水位及溫度,啟動燃氣生活鍋爐,由集熱水箱泵水加熱將恒溫水箱水位增加到合適高度,燃氣生活鍋爐出水溫度由PLC根據當前水箱液位及溫度自動計算確定。浴室開放前若干分鐘,啟動變頻供水泵,將管道存留冷水通過末端回流至集熱水箱后進入正常熱水供應狀態,直至洗浴開放時間結束,在此過程中,動態控制恒溫水箱液位并逐步降低、洗浴管道末端回水閥根據檢測水溫自動開閉、太陽光照不足時,自動打開排空閥放水至集熱水箱。

該系統于秋季開學時投入使用,日洗浴人數從600~1100人不等,周末人數較少,平均約850人/天,日洗浴水量33~60噸,平均每天約49噸,每人次平均用水量大約55由于水從集熱水箱向恒溫水箱及生活熱水鍋爐轉移時,未安裝熱量計,因此太陽能對熱水的貢獻率難以清晰界定。從運行情況看,9月份天氣較好且洗浴人數較少時,輔助熱源基本無需啟動;10月天氣較好且洗浴人數較少時,洗浴后期水量不足,需要燃氣生活鍋爐制備部分熱水補充;11月份在同樣情況下,約有1/3熱水來自燃氣生活鍋爐補充。分析來看,本地9月、10的光照輻照量較高,而11月份相比減少了20%以上;氣溫下降會造成管道及水箱散熱損失增加;自來水溫度隨著冬季的到來也逐月下降,如9月自來水溫度可以達到10℃,而11月份只有5℃,需要更多的熱量將水加熱到需要的溫度;同樣由于氣溫的下降,熱水供水溫度從9月的40℃增加到11月份的43℃,也使得單位熱水耗能增加。

11月份下旬開始,該地的最低氣溫都在-25℃以下,極端最低氣溫超過-30℃,即便如此,太陽能系統仍然發揮了良好作用,主要表現在,一是無須通過伴熱帶伴熱實現抗凍,節省了大量電力,其集熱效率值為正值,而不像有些太陽能系統所獲得的熱量還抵償不了伴熱帶的電力消耗;其次也不像一些間接換熱系統,每天介質從很低的接近室外溫度開始升溫,日出之后需要相當長時間將介質溫度上升到可以利用的溫度,很快由于光照不足只能停止換熱,冬季熱水制備量少的可憐。雙真空熱管式集熱系統以水為介質直接加熱和制備,符合使用要求的水直接轉移到恒溫水箱供使用,即使是達不到使用溫度的水由于太陽能提升了水初始溫度,減少了輔助熱源的消耗;并且只有在日照時段集熱系統才會泵入水工作,非日照時段自動排空減少了系統水在夜間及陰雨雪天氣的反向散熱。因此與其它太陽能熱水系統相比,本系統的效益大幅度提升。

測算9~11月份平均每天太陽能有效獲取的熱量為4510MJ,本地天然氣為管道LNG,熱值大約37.7MJ/Nm³,燃氣價格3.9/m³,太陽能日均節省燃氣131m³、節省費用511元。鑒于學校每年寒、暑假期太陽能系統停用,再扣除小長假,年實際有效使用天數約275天,年可節省燃氣36025m³、節約燃料費用14萬元。由于無論是否安裝太陽能,燃氣生活鍋爐及恒溫水箱、供水泵均是滿足洗浴必不可少的設備,因此太陽能集熱系統的實際造價50萬元多一點,運行四年即可收回系統投資,具有很好的社會經濟效益。

八、結束語 

如今,太陽能集中熱水系統在許多公共建筑中得到推廣使用,其經濟性也毋庸置疑,但在不同地區、不同條件下系統的方案,應區別對待、因地制宜、深入論證、合理規劃,特別是在嚴寒地區實施的太陽能熱水工程,要從實際出發,從設計、施工到后期管理,嚴格遵守相關標準和規范,盲目設計和施工,都將給系統可靠運行帶來負面影響。順昌公司在嚴寒地區實施的太陽能集中熱水工程運行實踐證明,合理的設計方案和規范的施工是能否長期穩妥、高效、可靠運行的關鍵,只有這樣才能使整個系統充分利用太陽能資源,獲得良好的運行經濟性,實現節能減排目標。

咨詢電話0551-63846307  4008877862  13645698226  朱經理

浙江20选5走势图定位