集中式太陽能熱水系統精細化設計

張志堯，褚 賽，林 桐，朱永強，李明周

(北京市勘察設計研究院有限公司,北京 100038)

0 引言

太陽能熱水系統是利用集熱器采集太陽熱量,通過循環泵將采集到的熱量傳輸至大型儲水保溫水箱中,并匹配當量的電力、燃氣、燃油等能源,把水箱中的水加熱并成為比較穩定的定量能源的技術。相較于分戶獨立系統,集中式太陽能熱水系統以其集成化程度高、與建筑結合性好、運行維護簡便、戶間用水相互平衡、易實現即開即熱等優點,逐漸成為太陽能熱水系統主流形式[1]。國內外許多學者對集中式太陽能熱水系統的設計及模擬進行了研究:一方面,依托實際項目,闡述設計思路,以期為同類工程設計提供參考[2-5];另一方面,采用模擬手段,研究影響因素,指導系統以更優化的策略運行[6-8]。

本文依托北京市某園區內科研辦公樓集中式太陽能熱水系統為例,制定了系統運行控制策略,詳細介紹了系統精細化設計思路及過程,分析了該系統的經濟效益及環保效益,以期為將來集中式太陽能熱水系統的深化設計及應用發展提供參考。

1 系統組成及運行

本項目位于北京市,主要建筑功能為科研辦公樓,配套有招待培訓中心等附屬功能。建設太陽能熱水系統滿足招待培訓中心(設單獨衛生間、公用洗衣室)生活熱水需求:采用集中集熱-集中預熱-分散供熱系統,熱源為太陽能集熱器,輔助熱源為燃氣熱水鍋爐;熱水供水溫度60 ℃,用水計算單位人數約680人;太陽能集熱器布置于招待培訓樓屋頂,換熱設備及循環泵置于B1層生活熱水機房內。

1.1 系統組成

如圖1所示,系統采用強制循環、間接換熱方式,由太陽能集熱器、集熱水箱、供熱水箱、風冷散熱器、熱媒膨脹罐、循環水泵等主要設備,閥門附件、循環管道及控制系統組成,貯熱水箱及供熱水箱均為導流型容積式換熱器。

1.2 運行策略

1)太陽能集熱溫差循環:當集熱器頂部溫度T1與集熱用容積式換熱器殼程內介質溫度T2的溫差不小于7 ℃(可設定)時,太陽能集熱循環泵P1打開,集熱器內經太陽能加熱后的高溫換能液在P1的作用下流經集熱用容積式換熱器內換熱管,與換熱器殼程內冷水換熱,溫度降低后流回集熱器吸熱,完成下一個集熱循環;當T1-T2≤3 ℃(可設定)時,P1關閉,停止循環。

2)高溫散熱循環:當集熱器頂部溫度T1>70 ℃(可設定)或集熱用容積式換熱器殼程內介質溫度T2>60 ℃(可設定)時,關閉電動閥M1并開啟風冷散熱器,防止集熱器溫度過高,進行系統保護性熱循環,高溫太陽能換能液流經風冷散熱器散失部分熱量后,再進入集熱用容積式換熱器內換熱;當T1<65 ℃(可設定)或T2<58 ℃(可設定)時,開啟M1并關閉風冷散熱器。

3)熱水換熱循環:當集熱用容積式換熱器殼程內介質溫度T2不小于供熱用容積式換熱器殼程內介質溫度T3時,開啟電動閥M3并關閉電動閥M4,以最大限度利用太陽能熱量,熱水回水與冷水混合后進集熱用容積式換熱器換熱;當集熱用容積式換熱器殼程內介質溫度T2小于供熱用容積式換熱器殼程內介質溫度T3時,關閉電動閥M3并開啟電動閥M4。

4)輔助加熱循環:當供熱用容積式換熱器殼程內介質溫度T3≤45 ℃(可設定)時,開啟燃氣鍋爐及電動閥M5,經集熱用容積式換熱器預熱后的熱水再經供熱用容積式換熱器管程內燃氣鍋爐熱水再熱至設計熱水供應溫度,供至末端;當T3≥55 ℃(可設定)時,關閉燃氣鍋爐及電動閥M5。

5)管路末端即開即熱循環:當生活熱水回水管水溫T4≤40 ℃(可設定)時,開啟熱水循環泵P3,使熱水流回容積式換熱器中加熱后再供至末端,保證末端供水達到即開即熱效果;當T4≥50 ℃(可設定)時,關閉熱水循環泵P3。

6)自動補液:當系統壓力YP1<0.10 MPa時,補液循環泵P2打開,向系統內補液,實現系統穩壓運行,避免換能液損失;當YP1≥0.15 MPa時,補液循環泵P2關閉。

7)過壓保護:當系統壓力YP1≥0.25 MPa時,電動閥M2打開,向補液箱內泄液泄壓;當YP1≤0.2 MPa時,M2關閉。

2 設計分析

2.1 設計小時耗熱量

根據GB 50015—2019建筑給水排水設計標準[9],本項目招待培訓中心全日集中熱水供應系統的設計小時耗熱量計算公式為:

(1)

其中，Qh為設計小時耗熱量,kJ/h;m為用水計算單位數,人;qr為熱水用水定額,L/(人·d);tr為熱水溫度,℃;C為水的比熱,kJ/(kg·℃);tl為冷水溫度,℃;ρr為熱水密度,kg/L;T為每日使用時間,h;Cr為熱水供應系統的熱損失系數,取1.10～1.15;Kh為小時變化系數,根據用水定額高低及使用人數多少采用內插法求得。

本項目用水計算單位數為680人,最高日用水定額為100 L/(人·d),熱水溫度60 ℃,冷水溫度取北京市地面水溫度4 ℃。經計算,設計小時耗熱量Qh為2 461 987.70 kJ/h(684 kW)。

2.2 集熱器設計分析

2.2.1 平均日耗熱量

平均日耗熱量計算公式為:

(2)

2.2.2 直接系統集熱面積

本項目為間接式系統,需先求得直接式系統集熱面積,再由此推導間接式系統集熱面積。直接系統集熱面積計算公式為:

(3)

其中，Ajz為直接太陽能熱水系統集熱器總面積,m2;Qmd為平均日耗熱量,kJ/d;f為太陽能保證率,%;bj為集熱器面積補償系數,%;Jt為集熱器總面積的平均日太陽輻照量,kJ/(m2·d);ηj為集熱器總面積的年平均集熱效率,%;η1為集熱系統的熱損失,%。

本項目集熱器擬布于招待培訓樓屋頂,南向15°角安裝,面積補償系數取bj=97%;根據集熱器檢測報告,取集熱器總面積的年平均集熱效率ηj=40%;熱損失取η1=20%。經計算,直接系統集熱器總面積413.11 m2。

2.2.3 間接系統集熱面積

間接系統集熱器總面積計算公式為:

(4)

其中，Ajj為間接太陽能熱水系統集熱器總面積,m2;UL為集熱器熱損失系數,kJ/(m2·℃·h);K為水加熱傳熱系數,kJ/(m2·℃·h);Fjr為水加熱器加熱面積,m2。

根據集熱器檢測報告,取集熱器熱損失系數UL=5.0 kJ/(m2·℃·h);本項目水加熱器為導流型容積式換熱器,取其傳熱系數K=5 400 kJ/(m2·℃·h);根據熱媒及被加熱水溫度并考慮一定的污垢熱阻,算得Fjr=42.8 m2。經計算,間接系統集熱器總面積為418.42 m2。

2.2.4 集熱器性能對比

太陽能集熱器通常分為平板集熱器及真空管集熱器兩類,真空管集熱器又包含全玻璃真空管集熱器和熱管/U型管式真空管集熱器,各類集熱器運行原理、使用場合及特點不盡相同。平板集熱器是利用透明蓋板內涂有吸收涂層的吸熱板將太陽輻射能轉化為熱能,吸熱板流道內工質將熱能帶走;全玻璃真空管集熱器類似拉長的保溫瓶膽,利用鍍有選擇性涂層的內管外壁將太陽能轉變成熱能,并傳給內管中的工質;熱管/U型管式真空管集熱器是在全玻璃真空管集熱器內裝配熱管或U型銅管,對集熱器進行空曬,通過循環在U型銅管中的工質將熱量帶出。表1為各類集熱器優缺點對比,本項目經技術經濟比較,選用U型管式真空管集熱器。

表1 集熱器優缺點對比

2.3 輔助設備設計分析

2.3.1 容積式換熱器

1)集熱用容積式換熱器。

集熱用容積式換熱器換熱量即為設計小時耗熱量,換熱面積即為式(4)中水加熱器面積,其有效容積計算公式如下:

Vrx=qrjdAjj

(5)

其中，Vrx為罐體有效容積,L;qrjd為集熱器單位輪廓面積平均日產60 ℃熱水量,L/(m2·d)。

根據集熱器檢測報告,取集熱器單位輪廓面積平均日產60 ℃熱水量qrjd=45 L/(m2·d)。經計算,有效容積為18 829 L。

2)供熱用容積式換熱器。

供熱用容積式換熱器換熱量亦為設計小時耗熱量,換熱面積計算公式為:

(6)

(7)

其中，ε為水垢和熱媒分布不均勻影響傳熱效率的系數,%;Δtj為熱媒與被加熱水的計算溫差,℃;tmc，tmz分別為熱媒的初溫和終溫,℃;tc,tz分別為被加熱水的初溫和終溫,℃。

本項目取水垢和熱媒分布不均勻影響傳熱效率的系數ε=85%;熱媒為燃氣鍋爐熱水,初溫終溫分別為95 ℃/70 ℃;被加熱水初溫終溫為4 ℃/60 ℃。經計算,供熱用容積式換熱器換熱面積為10.62 m2。

貯水容積計算公式為:

(8)

參照GB 50015—2019建筑給水排水設計標準,取導流型容積式換熱器貯熱時間為40 min。經計算,貯水容積為7 120 L。

2.3.2 風冷散熱器

本項目在集熱系統中設置風冷散熱器,解決夏季輻射較強的運行工況下,系統產生大量熱量無法消耗或儲存的問題,避免系統產生過熱現象,運行狀態不穩,危害人身安全等情況。風冷散熱器功率需大于集熱器的吸熱功率,太陽能系統吸熱功率在環境溫度高、陽光資源好時最大,故散熱器一般按夏季中午前后的工況設計,計算公式為:

(9)

其中，ηcd為集熱器夏季高溫時(80 ℃～90 ℃)的集熱效率,%;kt為太陽輻照度時變化系數,一般為1.5～1.8;Sr為夏季日照小時數,h。

根據集熱器檢測報告,取集熱器高溫集熱效率ηcd=50%;夏季日照小時數Sr=7.55。經計算,風冷散熱器散熱功率為199.42 kW。

2.3.3 熱媒膨脹罐

本項目在集熱系統中設置膨脹罐,避免換能液加熱膨脹后從安全閥泄露并汽化,膨脹罐的設計參數包含有效容積及額定容積,計算公式如下:

Vu=(V下×e+V板+V上)×k

(10)

(11)

其中，Vu為膨脹罐有效容積,L;V下為低于集熱器上出口的集熱循環管道液體量,L;e為液體膨脹系數,%;V板為集熱板液體量,L;V上為高出集熱器上出口或與集熱器上出口平齊的集熱循環管道液體量,L;k為安全系數,一般為1.1;Vn為膨脹罐額定容積,L;Pf為最高壓力,bar;Pi為起始壓力,bar。

經計算,在屋頂上及機房內分設兩個熱媒膨脹罐,分別承擔屋頂集熱器及循環管路膨脹量、機房設備及管路膨脹量;屋頂膨脹罐有效容積950 L,額定容積1 400 L;機房膨脹罐有效容積200 L,額定容積900 L。

2.3.4 集熱循環泵

集熱循環泵為集熱循環提供動力,其流量等同集熱系統循環流量,揚程為閉式系統循環水泵揚程,計算公式為:

qx=qgzAjj

(12)

Hb=hjx+he+hj+hf

(13)

其中，qx為集熱系統循環流量,L/s;qgz為單位輪廓面積集熱系統對應的工質流量,L/(m2·s);Hb為循環水泵揚程,m;hjx為集熱系統循環流量通過循環管道的沿程與局部阻力損失,m;he為循環流量通過換熱器的阻力損失,m;hj為循環流量通過集熱器的阻力損失,m;hf為附加壓力損失,一般取2 m～5 m。

根據集熱器檢測報告,取工質流量qgz=0.015 L/m2·s;計算得集熱循環泵流量為23.0 m3/h。對循環管路進行水力計算,得集熱循環泵揚程為20.0 m。

3 效益分析

3.1 經濟效益

綜合考慮集熱器年平均集熱效率及管路熱損失等,計算太陽能全年可提供能量:

(14)

經計算,太陽能全年可提供能量為841 423.24 MJ,若采用常規能源(燃氣、電力),提供相同能量條件下其經濟性如表2所示,由表2可知,采用免費的太陽能作為生活熱水熱源較燃氣鍋爐節省168.42萬元燃氣費用,較電制熱水節省480.79萬元電費。

表2 經濟性分析

3.2 環保效益

太陽能熱水系統的環保效益主要體現在因未使用常規能源而減少煙塵及CO2，SO2等溫室氣體排放。經計算,相較于燃氣熱水系統,本項目每年節約標煤35.06 kgce,煙塵減排量1 696.91 t,CO2減排量92.91 t,SO2減排量6.24 t,NOx減排量3.07 t;相較于電鍋爐熱水系統,本項目每年節約標煤93.98 kgce,煙塵減排量4 548.87 t,CO2減排量249.05 t,SO2減排量16.72 t,NOx減排量8.24 t;節能環保效果顯著。

4 結論

集中式太陽能熱水系統具有運行安全穩定、控制靈活智能、使用舒適節能等諸多優點,可以減少傳統化石燃料的消耗,實現清潔環保。在實際工程應用中,應綜合考慮項目所在地全年日照情況、氣候環境特點、服務建筑功能等多重因素,制定符合系統實際使用需求的運行控制策略,并從設計角度進行精細化的熱水耗熱量計算、集熱系統計算和設備選型計算,達到高效、實用,充分發揮這一技術的節能潛力。