陳良飛 蔡華 呂小明（新疆油田公司采氣一廠）

太陽(yáng)能作為清潔能源，具有能源量巨大，取之不盡、用之不竭等特點(diǎn)，因此太陽(yáng)能的利用受到許多國(guó)家的重視，各國(guó)競(jìng)相開發(fā)各種光電新技術(shù)和光電新型材料，以擴(kuò)大太陽(yáng)能利用的應(yīng)用領(lǐng)域。特別是在近10多年來，在全球能源需求量持續(xù)高速增長(zhǎng)和生態(tài)環(huán)境日益惡化這兩大危機(jī)的夾擊下，太陽(yáng)能作為清潔高效的能源，日益顯露出其優(yōu)越性。從發(fā)電、取暖、供水到各種各樣的太陽(yáng)能動(dòng)力裝置，其應(yīng)用十分廣泛[1]。本文從太陽(yáng)能熱水裝置的利用出發(fā)，結(jié)合我國(guó)北方地區(qū)冬季氣候嚴(yán)寒的特征，提出智能太陽(yáng)能熱水控制系統(tǒng)技術(shù)，使太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)在冬季也能安全平穩(wěn)運(yùn)行。

1 傳統(tǒng)太陽(yáng)能熱水集熱系統(tǒng)

太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)是利用太陽(yáng)能集熱器，收集太陽(yáng)輻射能把水加熱的一種裝置，是目前太陽(yáng)熱能應(yīng)用發(fā)展中最具經(jīng)濟(jì)價(jià)值、技術(shù)成熟且已商業(yè)化的一項(xiàng)應(yīng)用產(chǎn)品。太陽(yáng)能集熱器是系統(tǒng)中的集熱元件，其功能相當(dāng)于電熱水器中的電加熱管，因利用的能源是太陽(yáng)的輻射熱量，故而加熱時(shí)間只能在有太陽(yáng)照射的白晝，供熱系統(tǒng)還需配備輔助加熱設(shè)備，如鍋爐、電加熱器等。

傳統(tǒng)的太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)包括太陽(yáng)能集熱器、保溫水箱、連接管路。系統(tǒng)以水為傳熱介質(zhì)，冷水流過太陽(yáng)能管與之換熱，水溫提高，通過連續(xù)的循環(huán)換熱過程使之成為滿足需求的熱水儲(chǔ)存在水箱中備用，在夏季和環(huán)境溫度較高的時(shí)候，該系統(tǒng)運(yùn)行情況良好，白天可獨(dú)立供熱滿足熱水需求。北疆地區(qū)年平均氣溫僅為6.4℃，11月至次年4月夜間溫度低于0℃，最冷月平均氣溫達(dá)-23.8℃，白晝有太陽(yáng)的時(shí)候，太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)的溫度仍然可升至60℃以上，系統(tǒng)可配合加熱爐供熱，但是夜間系統(tǒng)中的水易受環(huán)境溫度的影響而凍堵。為保證系統(tǒng)安全，在系統(tǒng)水溫低于5℃時(shí)，要求啟動(dòng)電伴熱設(shè)備為管線保溫，電保溫將消耗額外的電能，節(jié)能效果大打折扣；當(dāng)環(huán)境溫度低于-10℃時(shí)，電伴熱也無法有效保證系統(tǒng)保溫效果，系統(tǒng)運(yùn)行的風(fēng)險(xiǎn)增大，只能放空連接管路中的水，停用太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)，全部依靠加熱爐運(yùn)行提供公寓熱水。

2 智能太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)研究

基于新疆地區(qū)冬季氣候嚴(yán)寒，太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)直接使用水作為循環(huán)介質(zhì)在冬季運(yùn)行效果較差，往往還需要耗用電能來保溫的現(xiàn)狀，對(duì)原系統(tǒng)流程進(jìn)行了工藝適應(yīng)性改造，通過引進(jìn)中間換熱介質(zhì)和換熱器，使熱水換熱部分全部在室內(nèi)實(shí)現(xiàn)，室外則采用凝點(diǎn)較低的中間介質(zhì)（冰點(diǎn)低于-40℃）與太陽(yáng)能換熱。系統(tǒng)優(yōu)化后，中間介質(zhì)流經(jīng)太陽(yáng)能集熱器被加熱后，通過熱交換器與冷水換熱，使水溫提高，冷卻后的中間介質(zhì)通過循環(huán)泵組進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)，這樣熱水水箱的水溫就不斷被提升，形成滿足需求的熱水，系統(tǒng)流程見圖1。

2.1 高效的熱管式真空管太陽(yáng)能集熱器

中低溫太陽(yáng)能熱的主要利用部件有真空管、平板式太陽(yáng)能熱水器、復(fù)合拋物面聚光器和低聚焦比槽式拋物面聚光器[2]。真空管式太陽(yáng)能集熱器集熱效率高、熱損失小、耐低溫，但需采用管殼式換熱器作為儲(chǔ)水水箱，否則將無法承壓。平板式熱水器具有與真空管式熱水器相當(dāng)?shù)募療嵝?、熱損失較大、能夠承壓等特點(diǎn)，但不能在較低環(huán)境溫度下使用。復(fù)合拋物面聚光器具有兩個(gè)對(duì)稱的拋物反射面，能夠有效聚集直射和散射光且不需要跟蹤太陽(yáng)，但是聚光比較低。槽式拋物面聚光器能夠較高比率地聚焦太陽(yáng)能，但是需要太陽(yáng)追蹤系統(tǒng)且不能利用散射輻射。從技術(shù)經(jīng)濟(jì)性角度綜合考慮，采用具有管殼式換熱器的真空管熱水器作為太陽(yáng)能低溫?zé)崂貌考詈线m。

2.2 中間介質(zhì)的選取

對(duì)篩選的導(dǎo)熱油和低溫防凍液性能對(duì)比分析（表1）表明：兩者冰點(diǎn)都能滿足要求，導(dǎo)熱油沸點(diǎn)高，但是其黏度較大，且隨溫度的降低而不斷增大，高溫導(dǎo)熱油在空氣中將加速氧化，系統(tǒng)還必須考慮氮封裝置；而低溫防凍液雖然沸點(diǎn)相對(duì)較低，但是黏度較低、不易被氧化等特點(diǎn)使其配套設(shè)施較易實(shí)現(xiàn)。所以最后選取冰點(diǎn)為-40℃的防凍液作為中間介質(zhì)，在控制系統(tǒng)開發(fā)時(shí)增加防凍液高溫強(qiáng)制循環(huán)程序，防止防凍液氣化。

表1 兩種中間介質(zhì)性能對(duì)比

2.3 系統(tǒng)工藝優(yōu)化

防凍液在太陽(yáng)能集熱管處吸熱，在換熱器內(nèi)放熱，形成一個(gè)封閉的循環(huán)系統(tǒng)，其體積會(huì)因溫度的改變而變化，為使系統(tǒng)管路能夠承受液體的熱脹冷縮效應(yīng),在系統(tǒng)管路高點(diǎn)設(shè)置1個(gè)300 L高位膨脹罐，采用開式罐，旁設(shè)液位計(jì)，罐頂安裝補(bǔ)液接口和自動(dòng)放氣裝置；同時(shí)考慮系統(tǒng)的檢修，在系統(tǒng)管路低點(diǎn)設(shè)置1 500 L檢修儲(chǔ)罐。根據(jù)-40～100℃防凍液體積變化為3‰，按系統(tǒng)中防凍液的總量為800 L計(jì)算，要求高位膨脹罐液位在罐1/3～2/3處時(shí)，可滿足補(bǔ)液和緩解系統(tǒng)中液體熱脹冷縮效應(yīng)的需求。

2.4 智能控制系統(tǒng)研究

智能太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)與傳統(tǒng)太陽(yáng)能熱水器的最大區(qū)別就是控制中心，新系統(tǒng)采用PLC（CPU 222）和臺(tái)達(dá)觸摸屏，控制中心負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的監(jiān)控、運(yùn)行、調(diào)節(jié)等。控制系統(tǒng)以維持水箱儲(chǔ)水溫度T1和太陽(yáng)能集熱管內(nèi)介質(zhì)溫度T2為標(biāo)準(zhǔn)，PLC對(duì)現(xiàn)場(chǎng)采集的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算并做邏輯處理，自動(dòng)選取加熱方式，控制泵及閥門等執(zhí)行機(jī)構(gòu)的開停，HMI可顯示運(yùn)行狀況和進(jìn)行參數(shù)設(shè)置?？刂葡到y(tǒng)具有以下特點(diǎn)：

1）實(shí)現(xiàn)3種狀態(tài)自動(dòng)切換。通過控制系統(tǒng)與鍋爐遠(yuǎn)程控制功能之間的組態(tài)，共設(shè)有3種狀態(tài)，即啟運(yùn)待機(jī)狀態(tài)A、啟用太陽(yáng)能狀態(tài)B和啟用鍋爐狀態(tài)C，如圖2。當(dāng)水箱溫度T1下降至40℃或處于40℃以下時(shí)，系統(tǒng)首先判斷T2是否大于T1+5℃。如判定為是，系統(tǒng)選擇B狀態(tài)，啟動(dòng)防凍劑循環(huán)泵和熱水循環(huán)泵，太陽(yáng)能系統(tǒng)開始加熱水箱，當(dāng)T1上升至60℃時(shí)，系統(tǒng)立即停止防凍劑循環(huán)泵和熱水循環(huán)泵運(yùn)行；如判定為否，系統(tǒng)選擇C狀態(tài)，開啟通向鍋爐系統(tǒng)的電磁閥（設(shè)定為常閉），鍋爐系統(tǒng)開始加熱水箱，當(dāng)T1上升至60℃時(shí)，系統(tǒng)選擇A狀態(tài)，停止防凍劑循環(huán)泵和熱水循環(huán)泵，關(guān)閉電磁閥，直至T1下降至40℃。

2）夜間模式?？刂葡到y(tǒng)可設(shè)定夜間時(shí)間段，如：默認(rèn)20點(diǎn)至次日06點(diǎn)之間為夜間，并在此期間完全執(zhí)行A、C狀態(tài)，不再嘗試太陽(yáng)能系統(tǒng)，以避免熱量和電量不必要的損失。

3）系統(tǒng)保護(hù)?？刂葡到y(tǒng)監(jiān)測(cè)太陽(yáng)能系統(tǒng)防凍劑溫度T2，當(dāng)T2低于-40℃時(shí)，啟動(dòng)電伴熱，以保護(hù)太陽(yáng)能系統(tǒng)不被損壞；當(dāng)T2高于100℃時(shí)，防凍劑循環(huán)泵和熱水循環(huán)泵無視水箱溫度T1信號(hào)而啟動(dòng)，防止防凍液氣化。在正常運(yùn)行狀況下，系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行，無需人員操作；在工況轉(zhuǎn)換、設(shè)備調(diào)試及檢修等特殊情況下，可切換手動(dòng)操作。

3 節(jié)能效果分析

克拉美麗公寓智能太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)與傳統(tǒng)的太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)相比，系統(tǒng)一次性投資增加20萬元，但在近幾年天然氣市場(chǎng)活躍，民用天然氣需求大幅增加，冬季供氣壓力日趨緊張的形勢(shì)下，減少了天然氣消耗，實(shí)現(xiàn)了充分利用清潔能源，降低生產(chǎn)綜合能耗，創(chuàng)建綠色油氣田的目標(biāo)。

1）受外界環(huán)境溫度的影響，傳統(tǒng)集熱系統(tǒng)從10月中旬至次年4月初處于停運(yùn)狀態(tài)，設(shè)備年利用率不足52%，而智能太陽(yáng)能熱水集熱系統(tǒng)可在冬季嚴(yán)寒的低溫氣候條件下連續(xù)運(yùn)行，年運(yùn)行時(shí)間增加170 d，設(shè)備利用率提高至95%以上。

2）改造后系統(tǒng)可全年運(yùn)行，增加運(yùn)行時(shí)間170 d，每天平均使用時(shí)間6 h（扣除化霜時(shí)間及無太陽(yáng)時(shí)間），1440根SD1D-20型熱管式真空管按每根熱管0.1 kW熱效率的90%計(jì)算，太陽(yáng)能系統(tǒng)冬季累計(jì)提供熱量為4.76×108kJ。

天然氣低位熱值為8 600 kcal/m3，設(shè)加熱爐的爐效為90%，智能太陽(yáng)能控制系統(tǒng)在增加的使用時(shí)間內(nèi)，減少天然氣耗量14 703.6m3，即年可節(jié)約燃?xì)?.47×104m3。年增加節(jié)能量19.55 t標(biāo)準(zhǔn)煤，新增投資的回收期為5.4年。

4 結(jié)論

1）通過引入低冰點(diǎn)中間介質(zhì)優(yōu)化b熱水加熱工藝，確保熱管式真空管太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)在冬季嚴(yán)寒氣候條件下也能正常使用，使系統(tǒng)的年使用時(shí)間從6個(gè)月提升至全年，冬季運(yùn)行也不需外部能源進(jìn)行保溫，產(chǎn)生了可觀的節(jié)能效果，該技術(shù)在中國(guó)北方地區(qū)具有一定的推廣價(jià)值。

2）利用控制系統(tǒng)的升級(jí)，實(shí)現(xiàn)了太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)和熱水鍋爐之間的有效聯(lián)動(dòng)，使整個(gè)供熱水系統(tǒng)在待機(jī)狀態(tài)A、太陽(yáng)能狀態(tài)B和鍋爐狀態(tài)C 3種狀態(tài)下自動(dòng)切換，從而實(shí)現(xiàn)了公寓熱水供給全自動(dòng)控制，有效降低了工作強(qiáng)度，提高了系統(tǒng)運(yùn)行的安全穩(wěn)定性。

[1]王君一,徐任.太陽(yáng)能利用技術(shù)[M].北京:金盾出版社,2007.

[2]惠晶.新能源轉(zhuǎn)換與控制技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2008.