張志堯，褚 賽，林 桐，朱永強，李明周

(北京市勘察設(shè)計研究院有限公司,北京 100038)

0 引言

太陽能熱水系統(tǒng)是利用集熱器采集太陽熱量,通過循環(huán)泵將采集到的熱量傳輸至大型儲水保溫水箱中,并匹配當(dāng)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(wěn)定的定量能源的技術(shù)。相較于分戶獨立系統(tǒng),集中式太陽能熱水系統(tǒng)以其集成化程度高、與建筑結(jié)合性好、運行維護簡便、戶間用水相互平衡、易實現(xiàn)即開即熱等優(yōu)點,逐漸成為太陽能熱水系統(tǒng)主流形式[1]。國內(nèi)外許多學(xué)者對集中式太陽能熱水系統(tǒng)的設(shè)計及模擬進行了研究:一方面,依托實際項目,闡述設(shè)計思路,以期為同類工程設(shè)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(dǎo)系統(tǒng)以更優(yōu)化的策略運行[6-8]。

本文依托北京市某園區(qū)內(nèi)科研辦公樓集中式太陽能熱水系統(tǒng)為例,制定了系統(tǒng)運行控制策略,詳細介紹了系統(tǒng)精細化設(shè)計思路及過程,分析了該系統(tǒng)的經(jīng)濟效益及環(huán)保效益,以期為將來集中式太陽能熱水系統(tǒng)的深化設(shè)計及應(yīng)用發(fā)展提供參考。

1 系統(tǒng)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(xùn)中心等附屬功能。建設(shè)太陽能熱水系統(tǒng)滿足招待培訓(xùn)中心(設(shè)單獨衛(wèi)生間、公用洗衣室)生活熱水需求:采用集中集熱-集中預(yù)熱-分散供熱系統(tǒng),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(shù)約680人;太陽能集熱器布置于招待培訓(xùn)樓屋頂,換熱設(shè)備及循環(huán)泵置于B1層生活熱水機房內(nèi)。

1.1 系統(tǒng)組成

如圖1所示,系統(tǒng)采用強制循環(huán)、間接換熱方式,由太陽能集熱器、集熱水箱、供熱水箱、風(fēng)冷散熱器、熱媒膨脹罐、循環(huán)水泵等主要設(shè)備,閥門附件、循環(huán)管道及控制系統(tǒng)組成,貯熱水箱及供熱水箱均為導(dǎo)流型容積式換熱器。

1.2 運行策略

1)太陽能集熱溫差循環(huán):當(dāng)集熱器頂部溫度T1與集熱用容積式換熱器殼程內(nèi)介質(zhì)溫度T2的溫差不小于7 ℃(可設(shè)定)時,太陽能集熱循環(huán)泵P1打開,集熱器內(nèi)經(jīng)太陽能加熱后的高溫換能液在P1的作用下流經(jīng)集熱用容積式換熱器內(nèi)換熱管,與換熱器殼程內(nèi)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(huán);當(dāng)T1-T2≤3 ℃(可設(shè)定)時,P1關(guān)閉,停止循環(huán)。

2)高溫散熱循環(huán):當(dāng)集熱器頂部溫度T1>70 ℃(可設(shè)定)或集熱用容積式換熱器殼程內(nèi)介質(zhì)溫度T2>60 ℃(可設(shè)定)時,關(guān)閉電動閥M1并開啟風(fēng)冷散熱器,防止集熱器溫度過高,進行系統(tǒng)保護性熱循環(huán),高溫太陽能換能液流經(jīng)風(fēng)冷散熱器散失部分熱量后,再進入集熱用容積式換熱器內(nèi)換熱;當(dāng)T1<65 ℃(可設(shè)定)或T2<58 ℃(可設(shè)定)時,開啟M1并關(guān)閉風(fēng)冷散熱器。

3)熱水換熱循環(huán):當(dāng)集熱用容積式換熱器殼程內(nèi)介質(zhì)溫度T2不小于供熱用容積式換熱器殼程內(nèi)介質(zhì)溫度T3時,開啟電動閥M3并關(guān)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(dāng)集熱用容積式換熱器殼程內(nèi)介質(zhì)溫度T2小于供熱用容積式換熱器殼程內(nèi)介質(zhì)溫度T3時,關(guān)閉電動閥M3并開啟電動閥M4。

4)輔助加熱循環(huán):當(dāng)供熱用容積式換熱器殼程內(nèi)介質(zhì)溫度T3≤45 ℃(可設(shè)定)時,開啟燃氣鍋爐及電動閥M5,經(jīng)集熱用容積式換熱器預(yù)熱后的熱水再經(jīng)供熱用容積式換熱器管程內(nèi)燃氣鍋爐熱水再熱至設(shè)計熱水供應(yīng)溫度,供至末端;當(dāng)T3≥55 ℃(可設(shè)定)時,關(guān)閉燃氣鍋爐及電動閥M5。

5)管路末端即開即熱循環(huán):當(dāng)生活熱水回水管水溫T4≤40 ℃(可設(shè)定)時,開啟熱水循環(huán)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(dāng)T4≥50 ℃(可設(shè)定)時,關(guān)閉熱水循環(huán)泵P3。

6)自動補液:當(dāng)系統(tǒng)壓力YP1<0.10 MPa時,補液循環(huán)泵P2打開,向系統(tǒng)內(nèi)補液,實現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)壓運行,避免換能液損失;當(dāng)YP1≥0.15 MPa時,補液循環(huán)泵P2關(guān)閉。

7)過壓保護:當(dāng)系統(tǒng)壓力YP1≥0.25 MPa時,電動閥M2打開,向補液箱內(nèi)泄液泄壓;當(dāng)YP1≤0.2 MPa時,M2關(guān)閉。

2 設(shè)計分析

2.1 設(shè)計小時耗熱量

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

(1)

其中，Qh為設(shè)計小時耗熱量,kJ/h;m為用水計算單位數(shù),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(yīng)系統(tǒng)的熱損失系數(shù),取1.10～1.15;Kh為小時變化系數(shù),根據(jù)用水定額高低及使用人數(shù)多少采用內(nèi)插法求得。

本項目用水計算單位數(shù)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(jīng)計算,設(shè)計小時耗熱量Qh為2 461 987.70 kJ/h(684 kW)。

2.2 集熱器設(shè)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(tǒng)集熱面積

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

(3)

其中，Ajz為直接太陽能熱水系統(tǒng)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(shù),%;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(tǒng)的熱損失,%。

本項目集熱器擬布于招待培訓(xùn)樓屋頂,南向15°角安裝,面積補償系數(shù)取bj=97%;根據(jù)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(jīng)計算,直接系統(tǒng)集熱器總面積413.11 m2。

2.2.3 間接系統(tǒng)集熱面積

間接系統(tǒng)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(tǒng)集熱器總面積,m2;UL為集熱器熱損失系數(shù),kJ/(m2·℃·h);K為水加熱傳熱系數(shù),kJ/(m2·℃·h);Fjr為水加熱器加熱面積,m2。

根據(jù)集熱器檢測報告,取集熱器熱損失系數(shù)UL=5.0 kJ/(m2·℃·h);本項目水加熱器為導(dǎo)流型容積式換熱器,取其傳熱系數(shù)K=5 400 kJ/(m2·℃·h);根據(jù)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(jīng)計算,間接系統(tǒng)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(nèi)涂有吸收涂層的吸熱板將太陽輻射能轉(zhuǎn)化為熱能,吸熱板流道內(nèi)工質(zhì)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(nèi)管外壁將太陽能轉(zhuǎn)變成熱能,并傳給內(nèi)管中的工質(zhì);熱管/U型管式真空管集熱器是在全玻璃真空管集熱器內(nèi)裝配熱管或U型銅管,對集熱器進行空曬,通過循環(huán)在U型銅管中的工質(zhì)將熱量帶出。表1為各類集熱器優(yōu)缺點對比,本項目經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟比較,選用U型管式真空管集熱器。

表1 集熱器優(yōu)缺點對比

2.3 輔助設(shè)備設(shè)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(shè)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(chǎn)60 ℃熱水量,L/(m2·d)。

根據(jù)集熱器檢測報告,取集熱器單位輪廓面積平均日產(chǎn)60 ℃熱水量qrjd=45 L/(m2·d)。經(jīng)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(shè)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(shù),%;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(shù)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(jīng)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(shè)計標準,取導(dǎo)流型容積式換熱器貯熱時間為40 min。經(jīng)計算,貯水容積為7 120 L。

2.3.2 風(fēng)冷散熱器

本項目在集熱系統(tǒng)中設(shè)置風(fēng)冷散熱器,解決夏季輻射較強的運行工況下,系統(tǒng)產(chǎn)生大量熱量無法消耗或儲存的問題,避免系統(tǒng)產(chǎn)生過熱現(xiàn)象,運行狀態(tài)不穩(wěn),危害人身安全等情況。風(fēng)冷散熱器功率需大于集熱器的吸熱功率,太陽能系統(tǒng)吸熱功率在環(huán)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(shè)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(shù),一般為1.5～1.8;Sr為夏季日照小時數(shù),h。

根據(jù)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(shù)Sr=7.55。經(jīng)計算,風(fēng)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(tǒng)中設(shè)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(shè)計參數(shù)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(huán)管道液體量,L;e為液體膨脹系數(shù),%;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(huán)管道液體量,L;k為安全系數(shù),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(jīng)計算,在屋頂上及機房內(nèi)分設(shè)兩個熱媒膨脹罐,分別承擔(dān)屋頂集熱器及循環(huán)管路膨脹量、機房設(shè)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(huán)泵

集熱循環(huán)泵為集熱循環(huán)提供動力,其流量等同集熱系統(tǒng)循環(huán)流量,揚程為閉式系統(tǒng)循環(huán)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(tǒng)循環(huán)流量,L/s;qgz為單位輪廓面積集熱系統(tǒng)對應(yīng)的工質(zhì)流量,L/(m2·s);Hb為循環(huán)水泵揚程,m;hjx為集熱系統(tǒng)循環(huán)流量通過循環(huán)管道的沿程與局部阻力損失,m;he為循環(huán)流量通過換熱器的阻力損失,m;hj為循環(huán)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(jù)集熱器檢測報告,取工質(zhì)流量qgz=0.015 L/m2·s;計算得集熱循環(huán)泵流量為23.0 m3/h。對循環(huán)管路進行水力計算,得集熱循環(huán)泵揚程為20.0 m。

3 效益分析

3.1 經(jīng)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(jīng)計算,太陽能全年可提供能量為841 423.24 MJ,若采用常規(guī)能源(燃氣、電力),提供相同能量條件下其經(jīng)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(jié)省168.42萬元燃氣費用,較電制熱水節(jié)省480.79萬元電費。

表2 經(jīng)濟性分析

3.2 環(huán)保效益

太陽能熱水系統(tǒng)的環(huán)保效益主要體現(xiàn)在因未使用常規(guī)能源而減少煙塵及CO2，SO2等溫室氣體排放。經(jīng)計算,相較于燃氣熱水系統(tǒng),本項目每年節(jié)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(tǒng),本項目每年節(jié)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(jié)能環(huán)保效果顯著。

4 結(jié)論

集中式太陽能熱水系統(tǒng)具有運行安全穩(wěn)定、控制靈活智能、使用舒適節(jié)能等諸多優(yōu)點,可以減少傳統(tǒng)化石燃料的消耗,實現(xiàn)清潔環(huán)保。在實際工程應(yīng)用中,應(yīng)綜合考慮項目所在地全年日照情況、氣候環(huán)境特點、服務(wù)建筑功能等多重因素,制定符合系統(tǒng)實際使用需求的運行控制策略,并從設(shè)計角度進行精細化的熱水耗熱量計算、集熱系統(tǒng)計算和設(shè)備選型計算,達到高效、實用,充分發(fā)揮這一技術(shù)的節(jié)能潛力。