太陽能加熱二次回水技術在集中供熱系統中的應用

孫家麗

（天津市津能濱海熱電有限公司，天津 300450）

隨著社會的不斷發展，人與自然的矛盾愈來愈突出，環境惡化和能源短缺是目前人們面臨的棘手問題。在我國，煤炭依然是供熱的主要燃料之一，燃煤供熱造成空氣的嚴重污染，因此發展新能源，開發與傳統能源互補的集中供熱技術將是解決供熱問題的有效方法之一[1]。太陽能取之不盡，用之不竭，具有長久性、再生性、無污染等特點，是一種可利用的理想能源。將太陽能應用于集中供熱系統中，有助于減少化石燃料的污染物排放量，減輕大氣污染，保護生態環境[2-4]。

集中供熱系統包括一次供熱系統和二次供熱系統兩部分，其中，一次供熱系統輸送供熱區域的全部熱量，而二次供熱系統僅輸送對應小區或建筑所需熱量。因此，一次供熱系統規模較二次供熱系統大，若利用有限空間將太陽能應用于一次供熱系統，效果不易于計量與分析，故將太陽能應用于二次供熱系統中，更易于分析太陽能的應用效果。

按照我國太陽能資源分布，天津太陽能區劃為二類地區，全年日照時數大于3000 h，2001年太陽總輻射年平均值為14.53 MJ/m2。天津各區縣中濱海新區常年平均實照時數最多，太陽能資源十分豐富，具備太陽能利用條件[5-7]。因此，本文以天津市濱海新區的華建里換熱站改造為例，對太陽能在集中供熱二次系統中的應用加以探討。

1 太陽能在集中供熱二次系統中應用的方案比較

為了在冬季將太陽能應用于集中供熱二次系統，本研究設計了三種方案，分別為：利用太陽能直接加熱補水箱中自來水、利用太陽能加熱二次回水、利用太陽能進行跨季節蓄熱。下面對三種方案進行對比分析。

1.1 太陽能直接加熱補水箱中自來水

該方案通過太陽能集熱系統加熱補水水箱內的自來水，將熱能儲存于水箱中，隨二次網補水過程，將熱水注入小區二次網系統中，以達到利用太陽能的過程。該方案需要對換熱站原有補水箱進行保溫改造。同時，該方案的有效應用是建立在供熱小區日補水量較大的前提下。

1.2 太陽能加熱二次回水

該方案中，太陽能集熱系統與供熱小區二次網系統并聯，部分二次網回水通過并聯管路進入集熱器中，吸收太陽能之后，重新與原有二次回水混合，進入板式換熱器再次加熱，達到設定二次供溫，對外供熱。

1.3 跨季節蓄熱系統方案

該方案在非采暖季通過太陽能集熱系統加熱蓄熱池內的熱媒至一定溫度，待采暖季開始時將該部分熱量轉移至二次網系統中，達到節能目的。目前，常見的蓄熱形式主要有顯熱蓄熱、潛熱蓄熱、化學蓄熱[8-9]。

表1 方案對比分析

綜上所述，方案2更具備可操作性，故選取太陽能加熱二次回水方案研究太陽能在集中供熱二次系統中的應用效果。

2 太陽能加熱二次回水系統基本原理

在換熱站中二次回水管道選取適當接點，并聯接入太陽能換熱系統。采暖季期間，太陽能光熱系統收集太陽能轉化為熱量補充至二次供熱系統中，從而節約集中供熱系統能源消耗。另外，考慮夏季等非采暖季期間太陽能光照資源更加豐富，故考慮在非采暖季供熱系統無用熱需求時，進一步將改造后的換熱站補水箱與太陽能光熱系統相連，充分利用太陽能光熱系統制造生活熱水儲存至水箱中，為周邊公建用戶提供熱水資源，實現全年太陽能的充分利用[10-13]。

3 應用案例

3.1 換熱站基本特點

本文選取天津濱海新區華建里換熱站作為太陽能加熱二次回水系統改造對象。該換熱站為地上換熱站，周圍建筑物高度小，利于采集太陽能，故于該站屋頂安裝太陽能集熱器。該屋頂尺寸長×寬為14.0 m×12.5 m，考慮檢修通道等空間預留，可安裝太陽能集熱面積96.25 m2。另外，華建里換熱站站內空間充足，具備將屋頂太陽能集熱系統水路與站內二次回水系統相接的改造條件，并且具備非采暖季生活熱水儲存水箱放置條件。

3.2 成本分析

參照《民用建筑太陽能熱水系統工程技術手冊》附錄1資料，天津市太陽能總輻射月平均日輻射量（MJ/m2）如表2所示。

表2 天津市太陽能總輻射月平均日輻射量

太陽能集熱器每月產熱量計算公式為：太陽能集熱器每月產熱量（MJ/月）=日均輻射量（MJ/m2）×集熱面積（m2）×集熱器效率（%）×每月天數。

太陽能集熱器每月產生生活熱水計算公式為：太陽能集熱器每月產生生活熱水量（t）=太陽能集熱器每月產熱量（MJ/月）÷[4.187×（出水溫度（℃）-自來水溫度（℃））]。

太陽能集熱器效率為75%，非采暖季制生活熱水出水溫度為85℃，自來水溫度為10℃，則計算得到的采暖季產熱量及非采暖季生產生活熱水量如表3所示。

表3 采暖季產熱量及非采暖季產生活熱水量計算結果

由表3所知，11月至次年3月為采暖季，共計5個月，太陽能集熱系統產熱量合計為110.32 GJ，而4-10月共計7個月為非采暖季，此套太陽能集熱裝置可提供85℃熱水860 t。

華建里2016-2017年采暖季單位面積用熱量為0.27 GJ/（m2·a），按照收取采暖費標準25元/m2計算，每年采暖季可回收采暖費10214.8元；非采暖季期間生產生活熱水按照熱水價格25元/t計算，購買自來水價格為7.9元/t計算，則每年非采暖季期間可回收熱水費用為14706元。因此，全年可收回費用合計為24920.8元/a，按照總投資26萬元計算，此套系統粗略計算回收期為10.4 a。

3.3 環境效益分析

3.3.1 節省標煤量計算公式

節省標煤量（kg）=太陽能系統產熱量（MJ）÷標煤熱值（MJ/kg）÷燃煤鍋爐熱效率（%）

式中，標煤熱值取29.298 MJ/kg，燃煤鍋爐熱效率取70%，

3.3.2 燃煤煙塵排放量計算公式

燃煤煙塵排放量（kg）=[耗煤量（t）×煤的灰分（20%）×灰分中煙塵（20%）×（1-除塵效率80%）]÷（1-煙塵中的可燃物20%）×1000

3.3.3 燃煤SO2排放量計算公式

SO2排放量（kg）=2×0.8×耗煤量（t）×煤中的含硫量（1.5%）×1000

3.3.4 燃煤NOx排放量計算

NOx排放量（kg）=1.63×耗煤量（t）×（燃煤中氮的含量（1.5）×燃煤中氮的NOx轉化率（25%））×1000

按照上述公式計算，得到的減排數值如表4所示。

表4 太陽能加熱二次回水系統全年環保效益分析結果

4 結論

研究結果表明，太陽能加熱二次回水技術在集中供熱系統中的應用具有一定的可行性。選取周圍建筑物高度小、日照時間長、太陽能獲取量較高的地上換熱站，在站房屋頂進行太陽能系統加熱二次回水系統改造，全年對太陽能加以利用，有助于減少化石燃料的污染物排放量，減輕我國大氣污染，保護生態環境。