淺析太陽能熱水在實際工程中的應用

鄭 鵬

（天津中發機電工程有限公司 天津 300384）

淺析太陽能熱水在實際工程中的應用

鄭 鵬

（天津中發機電工程有限公司 天津 300384）

針對原蒸汽鍋爐系統熱效率低，危險性大，結垢等因素，通過改造增加一套太陽能熱水系統，經循環泵強制液體傳熱來提高熱效率，既降低了投資成本，又節約了能源。

太陽能熱水；集熱效率；節能環保

太陽能是全球最豐富的可再生能源，在發電、空調、取暖、供水到各種各樣太陽能動力裝置得到廣泛應用。本文主要介紹U型管式真空集熱器在實際工程中的應用。U型管式真空管集熱器具有比較高的集熱效率，以金屬作為吸熱體，可以承壓運行，還有防漏、防垢、耐久、安全可靠、維護簡便等特點。

1 改造背景

1.1 改造對象

天津南開大學附屬中學宿舍樓生活熱水系統。

1.2 改造增加設備

本次改造核心內容是為學校宿舍樓增加一套太陽能熱水系統，主要有集熱器、熱水循環泵、集熱循環泵、蓄熱水箱等。

1.3 改造前情況及改造原因

宿舍樓原生活熱水由蒸汽鍋爐系統提供，蒸汽鍋爐危險性大、耗煤量大、做功慢、需二次換熱、受熱面積小、鍋爐表皮溫度高、煙囪排煙溫度較高、鍋筒及煙管易結洉、煙管內積灰等幾個因素造成熱效率降低。通過改造取消原蒸汽鍋爐，增加一套太陽能熱水系統，利用太陽能集熱裝置得到熱水，供住宿學生使用。

2 改造

2.1 熱水設計及參數

天津南大附中太陽能生活熱水工程，為300人供應生活熱水，按公共浴室（淋浴）熱水用水定額取60L/每人每次，使用時間12小時，熱水溫度為60℃，總熱水量為18m3/d，供40個淋浴噴頭，小時最大用水量為21.6m3/h綜合考慮現場實際情況。

太陽能集熱板設置于食堂頂層，充分采集太陽能資源，箱間設置于一層原鍋爐水箱間位置，保留原有20噸水箱作為生活水箱，新增一臺15噸蓄熱水箱。

2.2 相關計算

2.2.1 太陽能保證率，管路及儲熱水箱熱損失率

太陽能保證率是衡量當地太陽能資源的一個重要參數，太陽能保證率越大表示當地太陽能越豐富。太陽能保證率是確定所需集熱總面積的一個關鍵因素，也是影響太陽能熱水系統經濟性能的重要參數。在國內前人的研究與實際工程實踐中，太陽能保證率通常根據經驗取得，一般取=70%，太陽能集熱系統的集熱器管路，換熱器及水箱等主要部件均在室外，相對于在室內的情況，環境溫度較低，取=20%。

2.2.2太陽能集熱器年平均集熱效率

U型管真空管集熱器的效率為：

式中：

ηa——集熱器瞬時效率

ti——集熱器進口工質溫度，℃

ta——年平均日室外溫度，℃，經計算得12℃

G——年平均日射輻照度，W/m2

SY:年平均日均日照時數,JT:年平均集熱器傾角表面日照輻量歸一化溫差X:

計算出U型管真空管集熱器集熱效率為ηcd≈0.7

2.2.3 U型管真空管太陽能集熱器的集熱總面積

參照國家相關標準，朝正南向直接式太陽能熱水系統集熱器面積按下式計算：

式中：

AC—直接系統集熱器面積，m2

QW—日均用水量；

CW—水的定壓比熱容，4.187kJ/（kg·℃）；

tL——冷水設計溫度或水的初始溫度（自來水上水年平均溫度），15℃；

tend——熱水設計溫度（儲水箱終止溫度），60℃；

ρ—水的密度，1kg/L；

f— 太陽能保證率，50%；

JT—當地集熱器采光面上的年平均日太陽輻照量；按不同的月份計算出全年平均日太陽輻照量為16345KJ/m2；ηcd—集熱器的年平均集熱效率,50%；

ηL—儲水箱和管道的熱損失率，取15%；

經計算得出，所需集熱器面積=245m2。

以上計算所得集熱器面積為集熱器吸熱體面積，食堂頂層屋面滿鋪可以擺放152組u型真空管集熱器，有效吸熱體面積可達246.24m2，基本滿足熱水的設計量（18m3/d），由于太陽能是蓄熱形式，學校學生的用水量不好控制，水溫不可以高于40℃，因此需要在一樓設備間內增加一個15m3的蓄熱水箱，同原熱水箱之間換熱。

3 改造結果

3.1 改造后變化

此次改造于2013年8月開工，2013年9月完成并投入調試，2013年10月正式投產運行。改造后系統不結垢，即使長期使用也不會影響其集熱的效率，而且循環泵強制液體傳熱的循環效率高，運行穩定，使用安全，最重要的是綠色環保。

3.2 改造后節能量計算

按蓄熱水箱60℃熱水考慮：

直接系統的年節能量為：

式中：ΔQsave——太陽能熱水系統的年節能量，MJ；

AC——系統的太陽能集熱器面積，m2；

JT——太陽能集熱器采光面上的年總太陽輻照量，取JT=17MJ/m2；

ηcd——太陽能集熱器的年平均集熱效率，取ηcd=70%；

ηL——管路、水泵、水箱的熱損失率，取ηL=15%；

本系統的ΔQsave=904533.875MJ

4 節能經濟效益分析

本次太陽能熱水系統改造項目投資為68萬元，包括水、電、部分土建裝修及設備費用。運行產生的費用主要為人工費、電費。天津市2012年電價為1.1元/kw·h，折算電價為0.31元MJ，每年約節能28萬元。

通過使用改造后的太陽能熱水系統，有效地達到了節約能源，降低投資成本的目的。系統改造后，運行穩定，使用安全，維護方便，節能環保。