李玲玲

摘要：太陽能作為一種清潔無污染的可再生能源，被廣泛利用。利用太陽能有效的緩解了我國能源緊張問題，同時目前的太陽能熱水技術(shù)也較為成熟?，F(xiàn)代一般酒店都應(yīng)用太陽能，最大程度的節(jié)約經(jīng)營成本。本文根據(jù)某工程案例，對太陽能熱水系統(tǒng)的設(shè)計與經(jīng)濟效益進行探討。

關(guān)鍵詞：酒店；太陽能應(yīng)用；熱水系統(tǒng)設(shè)計

一、工程概述

某酒店屬海洋地區(qū)，酒店設(shè)有標間78間，大床房16間，下設(shè)有餐廳、衛(wèi)生間及餐廳廚房熱水供應(yīng)采用太陽能加電輔助方案。

二、設(shè)計方案與運行原理

（一）設(shè)計方案

該工程考慮到地區(qū)的海洋氣候，太陽輻照量較好，但風(fēng)速較大，故采用全玻璃真空集熱管集熱器；建設(shè)方投資有限，后期維護人員充足，電力保障充足，最終選取普通全玻璃真空集熱管集熱器電輔助加熱中央熱水工程方案。

該工程熱水應(yīng)用要求為24h恒溫供熱，為了保證供水質(zhì)量，選用雙水箱供水，即一水箱蓄熱，另一水箱恒溫供熱，同時增加供熱末端回水循環(huán)，保證即開即熱。

（二）運行原理

太陽能系統(tǒng)運行原理流程如圖1所示。圖1太陽能系統(tǒng)運行原理流程依據(jù)當(dāng)?shù)厝晏栞椪樟孔兓攸c，該工程設(shè)計時將系統(tǒng)運行分為主循環(huán)運行和輔助循環(huán)運行，運行原理分別如下。

（1）主循環(huán)運行原理

（設(shè)計工況下，2～11月太陽輻射條件）

①集熱器定溫出水循環(huán)。自來水注入集熱器中加熱，當(dāng)T1達到55℃，E1和K2（K2′）打開，K1（K1′）關(guān)閉，利用自來水壓力將熱水頂入供熱水箱中，水溫T1為50℃時E1和K2關(guān)閉。

②供熱水箱溢流循環(huán)。供熱水箱熱水注滿后，通過聯(lián)通管溢流向儲熱水箱注水。

③滿水位升溫循環(huán)。當(dāng)兩個水箱全部充滿后，W1、W2水位探測器發(fā)出信號，E1關(guān)閉，此時，T2溫度探測器不再發(fā)揮作用，當(dāng)T1大于T3 10℃時，啟動P1，K2，將集熱器中的高溫水頂入供熱水箱，供熱水箱上部的低溫水則經(jīng)溢流管進入儲熱水箱，溫差小于2℃時停止，為滿水位升溫循環(huán)。

④供熱水箱補水循環(huán)。供熱水箱向住戶供應(yīng)熱水，達到最低水位（非警戒水位），W2水位感應(yīng)器發(fā)出信號，P2啟動，由儲熱水箱向供熱水箱補水。如供熱水箱內(nèi)水位持續(xù)降低，達到最低水位（此時儲熱水箱已經(jīng)無水可補），啟動E3，自來水向供熱水箱補水。

⑤熱水保障循環(huán)。當(dāng)太陽能輻射量不足條件下，供熱水箱在規(guī)定時間內(nèi)達不到規(guī)定水位（W2水位感應(yīng)器在規(guī)定時段發(fā)出信號），電加熱開啟，同時E3打開，自來水進入供熱水箱，達到最高水位停止，不考慮向儲熱水箱補水。

⑥末端回水循環(huán)。在回水總管設(shè)感溫探測器，并設(shè)置時段控制器，在規(guī)定時段當(dāng)水溫低于45℃，啟動E4，此時變頻供水系統(tǒng)P3加速旋轉(zhuǎn)，使水溫達到50℃停止。

⑦供熱水箱恒溫循環(huán)。當(dāng)供熱水箱水溫低于45℃時，T4發(fā)出信號，啟動電加熱，供熱水箱內(nèi)水加熱至50℃停止。

（2）輔循環(huán)運行原理

（非設(shè)計工況下，12月、1月太陽輻射條件）

①集熱器溫差出水循環(huán)。利用旁通管將自來水注入集熱器中加熱，并保持儲熱水箱一定的水位，當(dāng)T1-T3≥7℃時，P1和K1啟動，K2、E1關(guān)閉，利用水泵壓力將熱水頂入儲熱水箱，溫差小于2℃時停止。

②儲熱水箱出水循環(huán)。T3感應(yīng)水溫達到50℃（暫定），啟動P2，將熱水送入供熱水箱，儲熱水箱達到最低水位時停止。

③供熱水箱補水循環(huán)。供熱水箱在規(guī)定時間點，達不到規(guī)定水位，W2水位感應(yīng)器發(fā)出信號，電加熱打開，同時E3啟動，自來水送入水箱，達到規(guī)定水位停止（為節(jié)約能源，盡量減少補水量，并不考慮向儲熱水箱補水）。

④熱水保障循環(huán)。如水位持續(xù)下降，到達警戒水位，啟動E3。

⑤熱水恒溫循環(huán)。當(dāng)供熱水箱水溫低于45℃，啟動電加熱，供熱水箱內(nèi)水加熱至50℃停止。

⑥末端回水循環(huán)。同主循環(huán)工作原理。

⑦防凍循環(huán)。當(dāng)連續(xù)陰天或雨雪天氣時，T2低于5℃，K1打開，P1啟動，當(dāng)T2達到10℃停止。

三、設(shè)計基本參數(shù)確定

日最高用水定額[2]：120L/（床位·d）；日平均用水定額：取日最高用水定額的50%，60 L/（床位·d）；設(shè)計熱水水溫：50℃；設(shè)計冷水水溫：15℃；太陽輻照量及保證率[3]：當(dāng)?shù)鼐暥葹?6.04°，查閱民用建筑太陽能熱水系統(tǒng)工程技術(shù)手冊得太陽輻照量及保證率參數(shù)如表1所示。當(dāng)?shù)鼐暥葹?6.04°，查閱太陽月日均輻照量如表2所示。

四、設(shè)計計算

（一）太陽能集熱面積計算

根據(jù)國家現(xiàn)行標準GB/T18713-2002中的計算公式，集熱面積計算如下：

式中： 為系統(tǒng)集熱器采光面積， 為日平均用水量，Kg，計算得10300kg； 為水的密度，取值1000Kg/m3；q為單位床位日平均用水量，取值60L/（床位·d）；n為床位，取值172； 為水的定壓比熱容，取值為4.18KJ/（kg·℃；tend為貯熱水箱內(nèi)水的終止溫度，取值50℃；ti為水的初始溫度，取值15℃；Jt當(dāng)?shù)卮悍只蚯锓炙谠录療崞魇軣崦嫔袭?dāng)月日平均太陽輻照量，通過查表取值16480KJ/m2，f當(dāng)?shù)卮悍只蚯锓炙谠录療崞魇軣崦嫔袭?dāng)月日平均太陽輻照量，通過查表取值0.45； 集熱器集熱效率，取值0.5為管路及貯水箱熱損失率，取值0.25.

經(jīng)公式（1）計算得出，太陽能系統(tǒng)的集熱面積110m2，選用單塊集熱板面積為3.5m2，通過計算取值最終選用32塊集熱板，太陽能總集熱面積為112m2。

（二）儲熱水箱容積的計算與水箱材質(zhì)選擇

集熱器采光面積與水箱容積有一定的比例關(guān)系，根據(jù)集熱器集熱效率可推算出每平米集熱器收集的熱量，進而計算加熱水量。在當(dāng)前技術(shù)下，每平方米太陽集熱器采光面積大約可生產(chǎn)40～100L熱水，真空管集熱器平均可生產(chǎn)75L熱水，因為本文選用推薦比例，即每平方米太陽集熱器采光面積對應(yīng)75L貯熱水箱容積。

水箱容積計算：考慮到水箱容積的取整與水箱造價等因素，最終選用2臺5t圓形水箱，1臺作為蓄熱水箱，另外1臺作為供熱水箱。

（三）輔助加熱能量計算與輔助能源形式選擇

該工程采用電加熱棒輔助加熱作為太陽能熱水系統(tǒng)的輔助熱源，加熱功率（節(jié)能運行）計算如下：

（3）

式中：W為加熱It水耗電量，kW；Q。為加熱It水所需小時耗熱量，W，太陽能系統(tǒng)經(jīng)驗取值為8550；1000為換算系數(shù)；為水加熱設(shè)備效率：一般按95%計算。計算結(jié)果：W=9kW/t水，供熱水箱水量為5t水，則總電加熱功率應(yīng)為45kW，此加熱功率按照4h將水箱中的水溫升30℃計算。

（四）管路流量計算

太陽能集熱系統(tǒng)的流量與選用的集熱器形式及品牌有關(guān)，該參數(shù)一般由廠家提供，調(diào)研市場上主要品牌的參數(shù)，該工程選用單塊集熱器流量為2. 5L/min，則集熱系統(tǒng)的總流量為：

（4）

式中：qxt為集熱系統(tǒng)總流量，L/s；qi為單塊集熱器流量，L/min；n；為集熱器數(shù)量。

（五）系統(tǒng)所需建筑條件

為了保證系統(tǒng)可靠運行，根據(jù)設(shè)計參數(shù)建筑需滿足以下條件：

（1）系統(tǒng)上水管DN40提供至水箱附近（即自來水管，電磁閥E2控制的快速補水管道）；

（2）系統(tǒng)需要在水箱附近提供不小于55kW的三相電源；

（3）在水箱附近預(yù)留熱水供水管及回水管，供水管管徑定位DN40，回水管管徑定位DN25；

（4）建筑結(jié)構(gòu)需要保證屋面承載能力，集熱器的載荷為70kg/mz；

（5）水箱、電磁閥、水泵均置于屋面，水箱對屋面載

荷約為2t/m2.

五、太陽能熱水系統(tǒng)年運行費用估算

太陽能熱水系統(tǒng)總運行費用主要包括輔助能源電費、維護費用，系統(tǒng)使用壽命10～15年。針對該工程，論文分別計算了太陽能熱水系統(tǒng)每年運行費用及15年總運行費用，計算過程如下。

（一）總耗電量計算

太陽能系統(tǒng)用電設(shè)備：輔助電加熱，太陽能循環(huán)泵供熱循環(huán)泵，水箱循環(huán)水泵，電伴熱帶等。

電加熱耗電量計算：按全年60d陰雨天氣計算，每天定時加熱4h耗電量為：

（5）

太陽能循環(huán)泵耗電量計算：循環(huán)泵型號PH253 -E，輸入功率為0. 41 kW，以一年360d，每天工作4h作為計算依據(jù)，耗電量為：

（6）

供熱側(cè)變頻水泵耗電量計算：選用水泵型號MHI1803 -1，額定功率為1. 41kW，以一年360d，每天工作8h為計算依據(jù)，耗申上量為：

（7）

伴熱帶耗電量計算：伴熱帶耗功率為0. 015kW/m，室外管路長度估算為150m，以一年電伴熱帶開啟時間為60d，每天啟動時間8h為計算依據(jù)，耗電量為：

（8）

每年總耗電量：

（9）

按每度電0.6元計算，每年所耗電費為：

（10）

不考慮電價變動因素，15年所耗電費估算為：

（11）

（二）設(shè)備老化維護費用

設(shè)備老化維修費用，按經(jīng)驗值每年2000元計算，15年總費用為：

（12）

六、結(jié)論

本文以某酒店熱水工程作為具體案例，依據(jù)規(guī)范詳細設(shè)計了一套標準的太陽能熱水系統(tǒng)，并理論分析了該套系統(tǒng)的節(jié)能效益，為后續(xù)的實際運行節(jié)能效率分析打好基礎(chǔ)。

太陽能熱水系統(tǒng)的主要設(shè)計參數(shù)及節(jié)能效益如下。

（1）集熱器選用普通全玻璃真空集熱管集熱器，總集熱面積112m2，集熱器安裝傾角為45°。

（2）采用圓柱形雙水箱供水方案，每臺5t，1臺負責(zé)蓄熱，1臺負責(zé)恒溫供熱。

（3）采用電加熱輔助熱源，電加熱功率為45kWo

（4）建筑應(yīng)滿足集熱器及水箱的承重要求：集熱器的載荷為70kg/mz左右，水箱對屋面載荷約為2t/mz；同時滿足管道預(yù)留要求，自來水上水管DN40，供熱管DN40，回水管DN25，及電源功率預(yù)留要求，55kW。

（5）估算太陽能熱水系統(tǒng)。每年總運行費用98528元，15年總運行費用179362. 2元。