太陽能熱水系統的設計與應用研究

宋金標，徐培，張波，姜浩

（兗礦東華重工有限公司，山東 濟寧 273500）

東華重工工業園區設有油缸車間、結構件車間和裝配車間，生產一線職工人數約1200 人，生產班次安排為兩班制或三班制，作業現場有拋丸、焊接、噴漆等工序，處于粉塵及高溫環境中。為改善職工的工作環境，滿足職工洗浴要求，本著安全第一、優選節能的原則，在工業園區內設計并安裝一套太陽能熱水系統，利用太陽輻射能對用戶用水進行加熱，且只有在太陽光特別不足時才需要少量其他能源進行輔助加熱，它的設計使用，對節約能源有特別重大的意義。

為集中管理，減少管路及電纜長度，降低溫度及能量損耗，系統安裝地點選擇在結構件車間輔房。該輔房為二層建筑，東西長180m，南北寬10m，屋面高度約8m，南側為結構件車間主廠房，建筑層數為一層，高度約14.6m(建筑室外地面到檐口與屋脊的平均高度)。

1 設計標準及要求

整套太陽能熱水系統包括集熱水箱、恒溫水箱、平板集熱器、水泵、換熱器、輔助加熱裝置、控制系統及管路構成。太陽能平板集熱器安裝于結構件輔房樓頂，水箱放在樓面承重基礎之上，系統設計主要遵循國家和地方的建筑節能和可再生能源應用設計標準，并滿足或高于相關建筑節能設計標準。

鑒于冬季陽光照射時間短，廠房對照射到輔房屋頂的陽光有所遮擋，影響太陽能平板集熱器加熱效果，需考慮增加輔助加熱裝置。系統設計遵循優先使用太陽能加熱、配套輔助加熱裝置的原則，分別對男女浴室進行熱水供應。優先使用太陽能平板集熱器進行加熱，當太陽能集熱器無法滿足升溫要求時，系統自動開啟輔助加熱裝置進行加熱。整套系統采用自動化、智能化控制方式，無須人員操作，出水恒溫恒壓，運行穩定可靠。

2 氣象資料

項目地點位于濟寧鄒城市，暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候，四季分明，雨熱同季，屬國家太陽輻照資源三類地區，選擇太陽能保證率為50%。極端最低氣溫-16℃，極端最高氣溫40℃，以當地最冷月平均水溫資料確定，選擇地面水溫4℃，地下水溫10～15℃，全年太陽能日均輻照量為13.24KJ/（m2·d），全年有效光照時間為1971.3h/年，集熱面積輻照量補償比為100%。

3 水箱、太陽能平板集熱器及換熱器設計

按照洗浴熱水溫度55℃，每人每次洗浴熱水用量確定為50m3，1200 名職工每天洗浴需要的熱水量為60m3，男女洗澡間共設計120 個淋浴噴頭。為降低能耗，選擇1 個30m3的集熱水箱和1 個30m3 的恒溫水箱。兩水箱均采用優質SUS304 食品級不銹鋼，厚度不低于2mm，方形拼裝水箱現場焊接，密封性能優越，表面拋光，外形美觀大氣。

集熱系統的換熱量：

式中，QZ為指集熱系統的換熱量（W）；Kt為指太陽輻照度變化系數，一般取1.5～1.8,取高限時對太陽能利用有利；f 為指太陽能保證率；qrd為水使用量,60000L/d；C為指水的定壓比熱容，4.18KJ/（kg·℃）；pr為指水的密度，通常取1 kg/L；te.tr為分別是設計終止和初始溫度，分別為55℃和15℃。

Sy為指年平均日日照小時數，取5.47h/d。代入數據計算得：

換熱設備的換熱面積計算：

式中，F 為指換熱設備的換熱面積（m2）；Cr為指集熱系統的熱損系數，一般取1.1～1.2；ε為指由于水垢和熱媒分布不均影響熱效率的系數，一般為0.6～0.8；Δtj為指熱媒與被加熱水的計算溫度差，可按5～10℃取值,取8℃；k 為指傳熱系數,W/(m2·℃)，取3000W/(m2·℃)。

本項目要求每天產生60m3的熱水，可選擇太陽能平板集熱器將太陽能收集利用，把太陽的輻射熱量轉化為介質的熱量。根據太陽能廠家提供的參數，集熱面積至少為480 m2，選擇PFC1200M 型平板型集熱器，單組集熱面積為2 m2，共配置240 件平板集熱器。

4 循環系統設計

太陽能熱水系統中集熱循環管路為閉合回路，管道計算流量為循環流量，按下列公式計算：

式中，Q 為循環流量，L/h；QS為集熱循環流量，由于太陽輻照量的不確定性，聯集管熱水系統的集熱循環流量無法準確計算，山東地區一般采用每平方米集熱器的流量為50L/(h·m2)。

A 為太陽能集熱器的總集熱面積。

代入數據可得出Q=A.Qs=24000L/h

式中，d 為管徑，m；Q 為流量，m3/s；V 為流速，1m/s。

代入公式可得出d=0.09m，本項目中取d=100mm，即集熱水箱與換熱器之間的熱水循環管路直徑均為100mm。

所有管道均選用薄壁不銹鋼管，具有卓越的力學性能、超強的耐磨損性能、良好的耐溫性能、內壁光滑水阻小，100%可回收再利用，使用壽命長，綜合成本低，長期使用內壁不結垢，其保溫性能是銅管的24 倍，外表面保溫采用25mm 橡塑保溫+鋁皮保護，可大幅降低熱水輸送過程中的熱量損耗。所有水泵均選用德國威樂品牌，兼顧安全與節能要求，全部為一用一備。

由于各地的水質情況不同，對于水質較差的地區，使用太陽熱水系統時，將嚴重影響使用效果。鑒于公司所在地區水質較差，需要提前對自來水進行預處理，本設計中選用硅磷晶對供水進行軟化處理，以確保系統工作穩定性，延長使用壽命。

5 控制系統及輔助加熱裝置設計

控制系統采用全自動智能控制控制系統，具有高溫斷續循環防炸管、防凍循環、防凍保護、故障自動報警、定時加熱、定溫加熱、開機自檢、高溫防燙、恒溫供水、水箱低水位保護、短路、過流、漏電保護等功能，控制柜具有防雷擊、防漏水、遠程監控等功能。

當水箱內的水溫低于設定值時，相應的燃氣熱水器或集熱器自動啟動，當該水箱內水溫升至55℃時停運。當恒溫熱水箱內的水位降至臨界值H1 時系統自動報警，系統自動打開補水電磁閥，向恒溫水箱供水；當恒溫水箱內水位低于臨界值H2 時熱水供水泵停止運轉；當熱水箱水位補充至臨界值H3 時，系統自動報警并并停止向熱水箱供水，H1、H2、H3 數值均可根據實際需求進行調整。

當檢測集熱器溫度探頭檢測到平板集熱器防凍液和水箱水溫溫差≥10℃時，集熱循環泵啟動；當檢測集熱器溫度探頭檢測溫差≤5℃時，集熱循環泵同時停止。

系統設有4G 網絡數據傳輸模塊，具有智能化控制與監測功能，能夠通過手機APP 或電腦客戶端實時監控整套太陽能系統的運行狀態，如水泵的啟停，流量、水溫、水位、防凍等參數監測，集熱水箱熱媒管能夠實現遠程關停，確保管理人員能夠準確了解太陽能系統運行狀態。

輔助加熱裝置可選空氣能、電加熱、燃氣鍋爐、燃氣熱水器等方式，經實地調研北宿煤礦、濟三煤礦等單位，考慮到冬季室外溫度較低，本設計中選用12 臺日本林內燃氣熱水器，并聯使用，熱效率≥88%，額定出水量不低于10m3/h（溫升40℃時），可承受-25℃低溫，最低動作水壓10kPa,天然氣供氣壓力2000kPa,能效等級符合GB20665 中2 級或2 級以上標準。最高出水溫度≥75℃，防水等級不低于IPX6，采用正壓排風，煙管直徑Φ120×Φ80mm，設有CO 超標防止裝置，自動調整風機轉速，調節供氧量。并聯后的燃氣機組自帶控制單元，可根據用水量、溫差、加熱時間自動開啟相應的燃氣熱水器數量，也可通過表面的按鍵進行手動啟動，有效延長燃氣熱水器使用壽命。

6 結語

本設計從實際洗浴需求出發，結合當地氣候條件、熱水溫度要求和集熱器參數計算出相應的平板集熱器數量，并設置集熱水箱、恒溫水箱，增加燃氣熱水器機組作為輔助加熱裝置。

控制系統中增加4G 網絡數據傳輸模塊，實時監控各部分水溫溫度和系統運行情況，根據生產班次設定多個加熱時間段、加熱水溫，最大限度地達到節能節水效果。設備安裝過程中，選擇合適的管道和水箱保溫材料，保溫性能提高40%以上。整套系統投入使用后，運行穩定，自動化、智能化程度非常高，較好地解決了職工熱水需求，對于公司其他廠區熱水系統的設計及安裝起到了一定的指導作用。