上海石洞口煤氣制氣有限公司 姚良琮 姚麗婕

隨著經(jīng)濟全球化的飛速進展，人們獲得的物質(zhì)收益越來豐富，但忽視環(huán)境保護的經(jīng)濟發(fā)展所帶來的“溫室效應(yīng)”和“厄爾尼諾”等現(xiàn)象也越來越嚴(yán)峻。大力推廣普及使用清潔能源，已成為全球都積極追逐的熱點。

太陽能熱水系統(tǒng)是利用太陽能集熱器，收集太陽輻射能把水加熱的一種裝置。它是一種綠色的、運行費用低廉的熱水供應(yīng)系統(tǒng)，相對于使用燃料制造熱水，能減少對環(huán)境的污染及二氧化碳的產(chǎn)生。太陽能是屬于每個人的能源，只要有場地與設(shè)備，任何人都可免費使用它。它不像使用煤氣有爆炸或中毒的危險，或使用燃料油鍋爐有爆炸的顧慮，或使用電力會有漏電的可能。但是由于太陽能集熱器的工作受氣候條件和晝夜變化影響太大，在雨雪天和陰天太陽能集熱器便無法工作；而一天之內(nèi)，也只有白天才能集熱，夜晚便無法應(yīng)用。所以有時需要輔助加熱?？諝庠礋岜脽崴畽C是根據(jù)逆卡諾循環(huán)原理，以少量的電能為驅(qū)動力，以制冷劑為載體，吸收空氣中的熱能，生產(chǎn)生活熱水?？諝庠礋岜脽崴畽C組制效率高，占地面積小。

將太陽能和熱泵兩者結(jié)合起來，揚長補短，優(yōu)勢互補，既達到節(jié)能減排，又能全年全日連續(xù)供熱，是一種經(jīng)濟環(huán)保安全可靠的熱水供應(yīng)解決方案。

1 石煤公司原熱水供應(yīng)系統(tǒng)概況

原浴室使用蒸汽熱交換器生產(chǎn)熱水。每天開放5 h，滿足250人次的洗浴需求，每天消耗洗浴水約為42 t。系統(tǒng)采用蒸汽熱交換器加熱水至高溫，送入浴室使用后直接排放，所用蒸汽向鄰近電廠采購。此套系統(tǒng)使用年限較長，加熱效率較低；且近年來外供蒸汽價格持續(xù)上漲(2011年蒸汽單價為200元/t)，間歇式使用蒸汽的方式非常不經(jīng)濟，企業(yè)成本上升，管理不便的矛盾日益突出。為此，石煤公司于2011年7月起陸續(xù)對原浴室熱水供應(yīng)系統(tǒng)及相關(guān)輔助設(shè)施進行了改造，其中浴室熱水供應(yīng)系統(tǒng)改造投資 47.5萬元，相關(guān)輔助設(shè)施改造投資26.65萬元。石煤公司在采用太陽能和熱泵雙節(jié)能熱水系統(tǒng)后，取得了較好的節(jié)能效果。

2 系統(tǒng)改造設(shè)想

2.1 改造要求

利用太陽能熱水系統(tǒng)進行預(yù)熱，并用空氣能熱泵熱水系統(tǒng)補充加熱(在極端低溫的天氣情況下手動啟動備用電加熱系統(tǒng))。利用太陽能的光照熱量和熱泵輔助加熱，能夠保證每天提供55±5℃以上的熱水，供應(yīng)量不低于22 t。

2.2 改造方案的理論依據(jù)

(1)日用水量計算：

式中：Qd—日用水量，L/d；

m—用水計算單位，人；qr—熱水用水定額，L/人。

取洗浴人數(shù)：280人，每人用水定額為80 L，代入上式，

即：總用水量取22 t。

(2)太陽能集熱系統(tǒng)：

直接系統(tǒng)集熱器采光面積可根據(jù)用戶的每日用水量和用水溫度確定，按(2)式估算：

其中：Ac—直接系統(tǒng)集熱器采光面積，m2；

Qw—日均用水量，kg；

Cw—水的定壓比熱容，kJ/kg·℃；

tend—儲水箱內(nèi)水的終止溫度，℃；ti—水的初始溫度，℃；

Jt—當(dāng)?shù)卮悍只蚯锓炙谠录療崞魇軣崦嫔显戮蛰椓浚琸J/m2；

f —太陽能保證率，實取0.5；

ηcd—集熱器全日集熱效率，根據(jù)經(jīng)驗值取0.4～0.55(實取0.55)；

ηL—管路及儲水箱熱損失率，根據(jù)經(jīng)驗值取0.2～0.25(實取0.2)。

現(xiàn)?。喝站盟縌w=22 000 kg

水的定壓比熱容Cw=4.18 kJ/kg·℃

儲水箱內(nèi)水的終止溫度tend=50 ℃

水的初始溫度ti=15 ℃

月均日輻量Jt=16 420 kJ/m2

太陽能保證率f=0.5

集熱器全日集熱效率ηcd= 0.55

管路及儲水箱熱損失率ηL=0.2

代入(2)式得：集熱器采光面積Ac= 222.7 m2

(3)熱泵部分：

日用熱負荷：

式中：Pd—日用熱負荷，kWh；

Qd—日用水量，L；

T2—熱水溫度，機組額定工況為55 ℃；

T1—冷水溫度，取15 ℃；

η1—熱泵機組本體熱損失后的效率為0.95。

取Qd=22 000 L，代入(3)式：

熱泵熱水機組選型

式中：N—機組臺數(shù)；

Pd— 日用熱負荷，kWh；

Pe—機組額定工況下的制熱功率；

T—機組日工作小時。

現(xiàn)?。篜d=1 077 kWh

Pe=45(見熱泵機組參數(shù)表)

T=8

代入(4)式：N=1 077/(45*8)≈ 3

3 改造后熱水供應(yīng)系統(tǒng)情況

3.1 系統(tǒng)簡介

3.1.1 系統(tǒng)簡介

本供熱系統(tǒng)由太陽能加熱系統(tǒng)與空氣能熱泵機組加熱系統(tǒng)及備用的電加熱裝置組成。首先利用太陽能加熱系統(tǒng)對供熱水箱進行預(yù)加熱，其次通過空氣熱泵進行輔助加熱，以便達到浴室熱水的供應(yīng)要求。在極端最低氣溫(環(huán)境溫度在-3 ℃以下)時，熱泵無法有效運轉(zhuǎn)的情況下，可采用電加熱方式。

3.1.2 系統(tǒng)組成

本供熱系統(tǒng)主要由：太陽能集熱器、儲熱水箱、供熱水箱、冷水箱、空氣源熱泵機組、控制系統(tǒng)、水泵(增壓泵、循環(huán)泵)、電磁閥、壓力傳感器、溫度傳感器、液位控制器、電加熱管、管路系統(tǒng)、閥門、電線等組成。

3.1.3 主要設(shè)備設(shè)施

表1 主要設(shè)備設(shè)施

3.2 系統(tǒng)工作原理

3.2.1 工藝原理

在太陽能集熱器、儲熱水箱、供熱水箱中分別放有溫度控制器，來測試當(dāng)前容積內(nèi)的溫度(假設(shè)分別為T1、T2、T3)。

當(dāng)T1- T2≥8 ℃時，太陽能循環(huán)泵啟動，水箱與集熱器之間循環(huán)，使水箱中的溫度升高。

當(dāng)T1- T2≤4 ℃時，循環(huán)泵停止。

當(dāng)T3小于設(shè)定值時，熱泵機組啟動，進行補充加熱致使溫度達到設(shè)定值停止。當(dāng)儲熱水箱的水位小于設(shè)定值時，上水電磁閥啟動，上水達到設(shè)定值停止備用手動電加熱裝置，在極端低溫的天氣情況下手動啟動備用電加熱輔助加熱，當(dāng)達到設(shè)定溫度時，會自動關(guān)閉，從而保證供熱水箱內(nèi)的水溫達到設(shè)計要求。

3.2.2 工藝流程

圖1 雙節(jié)能熱水系統(tǒng)工藝流程

3.2.3 工藝參數(shù)

供水指標(biāo)：

(1)日供水能力22 t；

(2)供水時間：多時段；

(3)供水溫度：55℃±5℃；

(4)用水人次：280人次；

(5)供水壓力：0.15～0.2 MPa。

3.3 系統(tǒng)優(yōu)勢

3.3.1 高溫保護

系統(tǒng)中設(shè)有水箱高溫保護功能，為避免水箱溫度過高，當(dāng)儲熱水箱內(nèi)水的溫度達到最大默認值90℃時(該溫度可調(diào)節(jié))，循環(huán)水泵自動停止工作，在儲熱水箱內(nèi)水未達到最高水位時，系統(tǒng)會自動上水，使水溫降低。

3.3.2 水位控制

(1)定時上水：系統(tǒng)可根據(jù)用水時間定時定量上水，保證儲熱水箱內(nèi)有充足的水位；

(2)低水位自動上水：當(dāng)儲熱水箱內(nèi)的水位低于設(shè)定的安全水位時，上水電磁閥自動打開，將冷水注入到儲熱水箱中；

(3)高溫自動上水：當(dāng)儲熱水箱內(nèi)水的溫度達到默認的設(shè)定值90℃(該溫度可調(diào)節(jié))，系統(tǒng)會自動向水箱內(nèi)注入冷水，以降低水箱內(nèi)水的溫度，防止熱水燙人。

3.3.3 用水端管路的回水控制

按照設(shè)定的時間(溫度)，自動啟動用水端管路循環(huán)泵，將用水端管路里的冷水自動抽到供熱水箱中，并將供熱水箱中的熱水送入到管路中，做到一打開籠頭，就有熱水。

3.3.4 防凍系統(tǒng)

冬季當(dāng)集熱器溫度低于防凍保護設(shè)定值時(2～15 ℃)，循環(huán)泵開啟。當(dāng)集熱器溫度高于防凍保護關(guān)閉溫度時，關(guān)閉循環(huán)泵退出防凍保護。

3.3.5 自動計量刷卡系統(tǒng)

浴室系統(tǒng)加裝了洗浴熱水自動計量刷卡系統(tǒng)，用水量穩(wěn)定，為太陽能熱水系統(tǒng)穩(wěn)定運行提供了保障，同時大量的節(jié)約了用水。

3.3.6 整個系統(tǒng)全自動運行

系統(tǒng)采用智能化控制，通過軟件設(shè)置可實現(xiàn)多種功能，實現(xiàn)程序化運行、故障自檢，系統(tǒng)各測控點的狀態(tài)通過 LCD顯示屏顯示，一目了然。通過面板還可以很方便地設(shè)定和改變相關(guān)數(shù)據(jù)，整個控制系統(tǒng)性能可靠穩(wěn)定、通用性強、易于替換維修。

4 改造前后數(shù)據(jù)對比

表2是系統(tǒng)安裝前8個月期間的能源消耗情況

表2 改造前系統(tǒng)能耗數(shù)據(jù)

表3是系統(tǒng)安裝后8個月期間的能源消耗情況

表3 改造后系統(tǒng)能耗數(shù)據(jù)

5 結(jié)論

根據(jù)上述記錄可以得出結(jié)論：啟用雙節(jié)能熱水系統(tǒng)前，8個月實際用水10 122 t、電129 760 kWh、蒸汽2 518 t，按水價格3.5元/t，電價格3.5元/kWh，蒸汽價格200元/t計算，系統(tǒng)綜合費用61.69萬元。雙節(jié)能熱水系統(tǒng)使用后8個月，實際用水6 058 t、電239 750 kWh，水價、電價同上計算，系統(tǒng)綜合費用為16.51萬元。

由此可看出，系統(tǒng)改造運行8個月來，除用電量上升外，其節(jié)能效果明顯，改造后系統(tǒng)綜合費用僅為原系統(tǒng)的26.8%，節(jié)約費用約減少45.18萬元，預(yù)計2年內(nèi)即可收回投資。

公司對浴室供熱系統(tǒng)進行了改造，利用太陽能、空氣能等清潔能源綜合利用技術(shù)建立新型節(jié)能環(huán)保功能系統(tǒng)，替代原來效率低下的蒸汽熱交換器，取得了良好的節(jié)能效應(yīng)。因此，雙節(jié)能熱水系統(tǒng)值得推廣。