宋金標(biāo)，徐培，張波，姜浩

（兗礦東華重工有限公司，山東 濟(jì)寧 273500）

東華重工工業(yè)園區(qū)設(shè)有油缸車間、結(jié)構(gòu)件車間和裝配車間，生產(chǎn)一線職工人數(shù)約1200 人，生產(chǎn)班次安排為兩班制或三班制，作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)有拋丸、焊接、噴漆等工序，處于粉塵及高溫環(huán)境中。為改善職工的工作環(huán)境，滿足職工洗浴要求，本著安全第一、優(yōu)選節(jié)能的原則，在工業(yè)園區(qū)內(nèi)設(shè)計(jì)并安裝一套太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)，利用太陽(yáng)輻射能對(duì)用戶用水進(jìn)行加熱，且只有在太陽(yáng)光特別不足時(shí)才需要少量其他能源進(jìn)行輔助加熱，它的設(shè)計(jì)使用，對(duì)節(jié)約能源有特別重大的意義。

為集中管理，減少管路及電纜長(zhǎng)度，降低溫度及能量損耗，系統(tǒng)安裝地點(diǎn)選擇在結(jié)構(gòu)件車間輔房。該輔房為二層建筑，東西長(zhǎng)180m，南北寬10m，屋面高度約8m，南側(cè)為結(jié)構(gòu)件車間主廠房，建筑層數(shù)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(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)及要求

整套太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)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(tǒng)及管路構(gòu)成。太陽(yáng)能平板集熱器安裝于結(jié)構(gòu)件輔房樓頂，水箱放在樓面承重基礎(chǔ)之上，系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要遵循國(guó)家和地方的建筑節(jié)能和可再生能源應(yīng)用設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，并滿足或高于相關(guān)建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

鑒于冬季陽(yáng)光照射時(shí)間短，廠房對(duì)照射到輔房屋頂?shù)年?yáng)光有所遮擋，影響太陽(yáng)能平板集熱器加熱效果，需考慮增加輔助加熱裝置。系統(tǒng)設(shè)計(jì)遵循優(yōu)先使用太陽(yáng)能加熱、配套輔助加熱裝置的原則，分別對(duì)男女浴室進(jìn)行熱水供應(yīng)。優(yōu)先使用太陽(yáng)能平板集熱器進(jìn)行加熱，當(dāng)太陽(yáng)能集熱器無(wú)法滿足升溫要求時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)開啟輔助加熱裝置進(jìn)行加熱。整套系統(tǒng)采用自動(dòng)化、智能化控制方式，無(wú)須人員操作，出水恒溫恒壓，運(yùn)行穩(wěn)定可靠。

2 氣象資料

項(xiàng)目地點(diǎn)位于濟(jì)寧鄒城市，暖溫帶半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候，四季分明，雨熱同季，屬國(guó)家太陽(yáng)輻照資源三類地區(qū)，選擇太陽(yáng)能保證率為50%。極端最低氣溫-16℃，極端最高氣溫40℃，以當(dāng)?shù)刈罾湓缕骄疁刭Y料確定，選擇地面水溫4℃，地下水溫10～15℃，全年太陽(yáng)能日均輻照量為13.24KJ/（m2·d），全年有效光照時(shí)間為1971.3h/年，集熱面積輻照量補(bǔ)償比為100%。

3 水箱、太陽(yáng)能平板集熱器及換熱器設(shè)計(jì)

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(shè)計(jì)120 個(gè)淋浴噴頭。為降低能耗，選擇1 個(gè)30m3的集熱水箱和1 個(gè)30m3 的恒溫水箱。兩水箱均采用優(yōu)質(zhì)SUS304 食品級(jí)不銹鋼，厚度不低于2mm，方形拼裝水箱現(xiàn)場(chǎng)焊接，密封性能優(yōu)越，表面拋光，外形美觀大氣。

集熱系統(tǒng)的換熱量：

式中，QZ為指集熱系統(tǒng)的換熱量（W）；Kt為指太陽(yáng)輻照度變化系數(shù)，一般取1.5～1.8,取高限時(shí)對(duì)太陽(yáng)能利用有利；f 為指太陽(yáng)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(shè)計(jì)終止和初始溫度，分別為55℃和15℃。

Sy為指年平均日日照小時(shí)數(shù)，取5.47h/d。代入數(shù)據(jù)計(jì)算得：

換熱設(shè)備的換熱面積計(jì)算：

式中，F(xiàn) 為指換熱設(shè)備的換熱面積（m2）；Cr為指集熱系統(tǒng)的熱損系數(shù)，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(shù)，一般為0.6～0.8；Δtj為指熱媒與被加熱水的計(jì)算溫度差，可按5～10℃取值,取8℃；k 為指?jìng)鳠嵯禂?shù),W/(m2·℃)，取3000W/(m2·℃)。

本項(xiàng)目要求每天產(chǎn)生60m3的熱水，可選擇太陽(yáng)能平板集熱器將太陽(yáng)能收集利用，把太陽(yáng)的輻射熱量轉(zhuǎn)化為介質(zhì)的熱量。根據(jù)太陽(yáng)能廠家提供的參數(shù)，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(huán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)中集熱循環(huán)管路為閉合回路，管道計(jì)算流量為循環(huán)流量，按下列公式計(jì)算：

式中，Q 為循環(huán)流量，L/h；QS為集熱循環(huán)流量，由于太陽(yáng)輻照量的不確定性，聯(lián)集管熱水系統(tǒng)的集熱循環(huán)流量無(wú)法準(zhǔn)確計(jì)算，山東地區(qū)一般采用每平方米集熱器的流量為50L/(h·m2)。

A 為太陽(yáng)能集熱器的總集熱面積。

代入數(shù)據(jù)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(xiàng)目中取d=100mm，即集熱水箱與換熱器之間的熱水循環(huán)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(xué)性能、超強(qiáng)的耐磨損性能、良好的耐溫性能、內(nèi)壁光滑水阻小，100%可回收再利用，使用壽命長(zhǎng)，綜合成本低，長(zhǎng)期使用內(nèi)壁不結(jié)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(hù)，可大幅降低熱水輸送過(guò)程中的熱量損耗。所有水泵均選用德國(guó)威樂(lè)品牌，兼顧安全與節(jié)能要求，全部為一用一備。

由于各地的水質(zhì)情況不同，對(duì)于水質(zhì)較差的地區(qū)，使用太陽(yáng)熱水系統(tǒng)時(shí)，將嚴(yán)重影響使用效果。鑒于公司所在地區(qū)水質(zhì)較差，需要提前對(duì)自來(lái)水進(jìn)行預(yù)處理，本設(shè)計(jì)中選用硅磷晶對(duì)供水進(jìn)行軟化處理，以確保系統(tǒng)工作穩(wěn)定性，延長(zhǎng)使用壽命。

5 控制系統(tǒng)及輔助加熱裝置設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)采用全自動(dòng)智能控制控制系統(tǒng)，具有高溫?cái)嗬m(xù)循環(huán)防炸管、防凍循環(huán)、防凍保護(hù)、故障自動(dòng)報(bào)警、定時(shí)加熱、定溫加熱、開機(jī)自檢、高溫防燙、恒溫供水、水箱低水位保護(hù)、短路、過(guò)流、漏電保護(hù)等功能，控制柜具有防雷擊、防漏水、遠(yuǎn)程監(jiān)控等功能。

當(dāng)水箱內(nèi)的水溫低于設(shè)定值時(shí)，相應(yīng)的燃?xì)鉄崴骰蚣療崞髯詣?dòng)啟動(dòng)，當(dāng)該水箱內(nèi)水溫升至55℃時(shí)停運(yùn)。當(dāng)恒溫?zé)崴鋬?nèi)的水位降至臨界值H1 時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)報(bào)警，系統(tǒng)自動(dòng)打開補(bǔ)水電磁閥，向恒溫水箱供水；當(dāng)恒溫水箱內(nèi)水位低于臨界值H2 時(shí)熱水供水泵停止運(yùn)轉(zhuǎn)；當(dāng)熱水箱水位補(bǔ)充至臨界值H3 時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)報(bào)警并并停止向熱水箱供水，H1、H2、H3 數(shù)值均可根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行調(diào)整。

當(dāng)檢測(cè)集熱器溫度探頭檢測(cè)到平板集熱器防凍液和水箱水溫溫差≥10℃時(shí)，集熱循環(huán)泵啟動(dòng)；當(dāng)檢測(cè)集熱器溫度探頭檢測(cè)溫差≤5℃時(shí)，集熱循環(huán)泵同時(shí)停止。

系統(tǒng)設(shè)有4G 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸模塊，具有智能化控制與監(jiān)測(cè)功能，能夠通過(guò)手機(jī)APP 或電腦客戶端實(shí)時(shí)監(jiān)控整套太陽(yáng)能系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，如水泵的啟停，流量、水溫、水位、防凍等參數(shù)監(jiān)測(cè)，集熱水箱熱媒管能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程關(guān)停，確保管理人員能夠準(zhǔn)確了解太陽(yáng)能系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)。

輔助加熱裝置可選空氣能、電加熱、燃?xì)忮仩t、燃?xì)鉄崴鞯确绞?，?jīng)實(shí)地調(diào)研北宿煤礦、濟(jì)三煤礦等單位，考慮到冬季室外溫度較低，本設(shè)計(jì)中選用12 臺(tái)日本林內(nèi)燃?xì)鉄崴?，并?lián)使用，熱效率≥88%，額定出水量不低于10m3/h（溫升40℃時(shí)），可承受-25℃低溫，最低動(dòng)作水壓10kPa,天然氣供氣壓力2000kPa,能效等級(jí)符合GB20665 中2 級(jí)或2 級(jí)以上標(biāo)準(zhǔn)。最高出水溫度≥75℃，防水等級(jí)不低于IPX6，采用正壓排風(fēng)，煙管直徑Φ120×Φ80mm，設(shè)有CO 超標(biāo)防止裝置，自動(dòng)調(diào)整風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)供氧量。并聯(lián)后的燃?xì)鈾C(jī)組自帶控制單元，可根據(jù)用水量、溫差、加熱時(shí)間自動(dòng)開啟相應(yīng)的燃?xì)鉄崴鲾?shù)量，也可通過(guò)表面的按鍵進(jìn)行手動(dòng)啟動(dòng)，有效延長(zhǎng)燃?xì)鉄崴魇褂脡勖?/p>

6 結(jié)語(yǔ)

本設(shè)計(jì)從實(shí)際洗浴需求出發(fā)，結(jié)合當(dāng)?shù)貧夂驐l件、熱水溫度要求和集熱器參數(shù)計(jì)算出相應(yīng)的平板集熱器數(shù)量，并設(shè)置集熱水箱、恒溫水箱，增加燃?xì)鉄崴鳈C(jī)組作為輔助加熱裝置。

控制系統(tǒng)中增加4G 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸模塊，實(shí)時(shí)監(jiān)控各部分水溫溫度和系統(tǒng)運(yùn)行情況，根據(jù)生產(chǎn)班次設(shè)定多個(gè)加熱時(shí)間段、加熱水溫，最大限度地達(dá)到節(jié)能節(jié)水效果。設(shè)備安裝過(guò)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(tǒng)投入使用后，運(yùn)行穩(wěn)定，自動(dòng)化、智能化程度非常高，較好地解決了職工熱水需求，對(duì)于公司其他廠區(qū)熱水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及安裝起到了一定的指導(dǎo)作用。