某機場供熱站太陽能集熱系統改造工程分析

劉 赟

(中國民航工程咨詢公司，北京 100621)

1 概述

某機場所處的場址由于太陽能資源豐富，供暖采用太陽能加地熱的復合熱源的方式。目前太陽能集熱系統存在著全年循環工質消耗量大的問題，增加了系統運行成本。鑒于以上情況，該機場委托設計部門對太陽能集熱系統提出改造方案，并進行經濟效益分析。

2 供暖系統現狀和存在的問題

機場總供熱面積約14 000 m2，熱源工藝系統設置于供熱站內，系統由太陽能集熱系統、土壤源熱泵系統組成。太陽能集熱系統是供暖優先采用的熱源，而供暖所需熱量的剩余部分由土壤源熱泵系統補充。太陽能集熱系統由太陽能集熱器、容積式換熱器、循環泵、管道和控制系統等組成。太陽能集熱器布置在機場辦公樓、供熱站、變電站屋面。連接太陽能集熱器的管道通過熱力地溝敷設至供熱站。

為了防止供暖季管道凍裂，太陽能集熱系統內的循環工質為乙二醇溶液。目前系統時有跑、冒、滴、漏發生，乙二醇溶液消耗量大，維護成本比較高。基于季節蓄熱［1］的原因，太陽能集熱系統在非供暖季同樣需要運行，不斷將熱量儲存于土壤中。如果此段時間內采用水替代乙二醇溶液作為循環工質，將大大減少泄漏損失和維護成本。

然而，現有系統進行循環工質的轉換，困難較大，效率較低，原因有以下三點:1)若要對管道進行放空，需要人為放置儲存容器、操作放空閥。并且由于系統內工質體積較大，需人為運轉工質多次，效率較低。2)系統最低點為敷設于室外地溝內的管道，只在機房內對管道放空，不能使管道完全放空。這部分管道較多，會有大量工質得不到回收。3)屋面水平管道未設坡度，不能迅速排空管道。

3 改造方案

3.1 乙二醇溶液收納系統設計

為了方便系統進行循環工質轉換，在原系統的基礎上增設一套乙二醇溶液收納系統，其流程圖如圖1所示，具體設備組成如下:

1)乙二醇溶液收納箱。

根據系統的容量，計算出乙二醇溶液的體積，以此確定乙二醇溶液收納箱的有效容積。根據計算［2］，本系統的乙二醇溶液體積為17.5 m3。而供熱站現有一個尺寸為1 800 mm×1 500 mm×1 500 mm的乙二醇溶液配置箱，有效容積約3.51 m3，遠小于所需容積，因此拆除現有乙二醇溶液配置箱，重新設置一個乙二醇溶液收納箱，尺寸為3 100 mm×2 800 mm×2 100 mm，容積為18.23 m3。

圖1 乙二醇溶液收納系統流程圖

2)補水箱。

增設一個補水箱，尺寸為1 000 mm×1 000 mm×1 000 mm。補水箱進水分別接自來水管和乙二醇收納箱，出水管接定壓補水裝置。供暖季補水箱內為乙二醇溶液，非供暖季為水。

3)排空閥。

乙二醇溶液收納箱上空的系統供回水管上設置兩組放空管。一組放空管接至乙二醇溶液收納箱，管上設電動蝶閥，在供暖季向非供暖季過渡時，用來放空該管道標高以上的乙二醇溶液;另一組放空管接至機房排水溝，在非供暖季向供暖季過渡時，用以排空該管道標高以上的水。

4)乙二醇收集箱。

由于系統一部分管道敷設于室外地溝內，為保證系統內所有的乙二醇溶液均能收集于乙二醇溶液收納箱，在室外系統最低點附近設置檢查井，井內設一個尺寸為800 mm×1 000 mm的乙二醇溶液收集箱，箱內設置潛水泵，潛水泵出水管接至供熱站內的乙二醇溶液收納箱和排水溝。室外供回主管最低位置上設置放空管，放空管坡向乙二醇溶液收集箱并與之連接，管上設排空閥。

另外，由于現狀屋面太陽能集熱系統管道未設坡度，無法利用重力進行排空。因此重新安裝水平干管使其具有4‰的坡度，坡向主立管。水平干管末端最高點設快速排氣閥，保證系統充水時快速排氣及系統排空時吸氣。

3.2 收納系統運行模式

1)供暖季。

系統循環工質為乙二醇溶液。乙二醇溶液收納箱和補水箱之間管道的閥門F9和F12為開啟狀態，其他閥門呈關閉狀態，定壓補水裝置向系統補充乙二醇溶液。

2)供暖季向非供暖季交替時。

系統循環工質由乙二醇溶液更換為水。停止定壓補水裝置，開啟系統放空管上的電動閥F1，F2，高位管道內的溶液排空至乙二醇溶液收納箱后，開啟系統最低點的供回水管上的閥門F7，F8，F3，溶液排往乙二醇收集箱，經潛水泵加壓，輸送至乙二醇溶液收納箱內。待管道內乙二醇溶液排空后，開啟補水箱上自來水補水管閥門F10和F12，關閉其他閥門，開啟定壓補水裝置，向系統充注水。

3)非供暖季。

系統循環工質為水。補水箱上自來水補水管閥門F10和F12為開啟狀態，其他閥門呈關閉狀態，定壓補水裝置向系統補水。

4)非供暖季向供暖季交替時。

系統循環工質由水更換為乙二醇溶液。停止定壓補水裝置，開啟系統放空管上的閥門F5，F6，高位管道內的水排空至排水溝。開啟閥門F7，F8，F4，低位管道內的水排往乙二醇溶液收集箱，經潛水泵加壓，排至排水溝。系統排空后，開啟乙二醇收納箱和補水箱之間的閥門F9和F12，關閉其他閥門，開啟定壓補水裝置，向系統充注乙二醇溶液。

4 經濟效益分析

4.1 系統補給量計算方法

每天補充的乙二醇溶液量M為:

其中，M為每天的補給量，m3/d;V為系統水容量，m3;a為系數，補給量按系統水容量的1%計算［3］;h為系統運行時間，h，太陽能集熱系統不運行時，工質泄漏量很少，因此非運行狀態下系統的泄漏量在此計算中忽略。

每天補充的乙二醇量M1為:

其中，M1為每天的乙二醇補給量，t/d;η為乙二醇溶液體積濃度，%;ρ為乙二醇的密度，t/m3。

一年中供暖季乙二醇補給量為:

其中，M2為一年中供暖季乙二醇補給量，t;D1為供暖季太陽能集熱系統運行天數，d。

一年中非供暖季乙二醇補給量為(采用乙二醇溶液收納系統后此項為0):

其中，M3為一年中非供暖季乙二醇補給量，t;D2為非供暖季太陽能集熱系統運行天數，d。

系統一年所需乙二醇補給量為:

其中，M4為一年所需乙二醇補給量，t。

4.2 改造前后乙二醇的用量計算

1)系統一次充注量計算。

太陽能集熱系統的水容量約為17.5 m3，循環工質采用體積濃度25%的乙二醇溶液，一次乙二醇的充注量為4.375 m3，液態下乙二醇的密度為1.11 t/m3，則一次乙二醇的充注量為4.86 t。

2)系統運行補給量計算。

根據過去3年能源管理系統采集的數據，一個供暖季為6個月，由于天氣原因平均每個月太陽能集熱系統運行的天數約為22 d，平均每天太陽能集熱系統運行時間為5 h。非供暖季時間為6個月，系統平均運行天數約為95 d。則改造前后乙二醇的用量和費用對比如表1所示。

表1 改造前和改造后乙二醇的用量和費用對比表

從表1可以看出，經過系統改造，大幅度減少了乙二醇的消耗量，減少了乙二醇的采購費用，每年節約費用20.9萬元。根據乙二醇溶液收納系統的設備采購、安裝費用約60萬元，預計3年可回收投資成本，經濟效益較好。

5 結語

本文介紹了某機場供熱站太陽能集熱系統改造設計方案。通過改造減少了全年系統內乙二醇溶液的泄漏量，節約了乙二醇和水，降低了系統運行成本和人力成本，帶來較好的經濟效益。