集中式太陽能熱水系統(tǒng)的實際運行效果分析

淮海工學(xué)院土木工程系 ■ 李永華

太陽雨新能源集團有限公司 ■ 焦青太

一 引言

太陽能是一種取之不盡、安全、清潔無污染的可再生能源。太陽能熱利用是減少建筑能耗、緩解能源與環(huán)境危機的重要途徑之一[1]，太陽能熱水系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于建筑領(lǐng)域。由于太陽能熱水系統(tǒng)的運行效果受季節(jié)和天氣影響較大，熱流密度低[2]，少有實際運行情況方面的研究報告，而對其投資、運行費用、投資回收期等經(jīng)濟指標的計算及節(jié)能效果的評價，多從理論角度進行分析，系統(tǒng)的全天候?qū)嶋H運行數(shù)據(jù)較少。

本文選擇兩個較為典型的太陽能熱水系統(tǒng)工程，這兩個工程在投資太陽能熱水系統(tǒng)的同時，根據(jù)研究的需要和有關(guān)部門的要求，建立全天候24h運行數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)，真實地反映太陽能熱水系統(tǒng)的得熱量、能量消耗、運行費用及節(jié)能效果。

二 常熟錦弘印染廠500t熱水項目

2010年9月，常熟錦弘印染廠500t太陽能熱水工程(圖1)正式投入運行。作為中國印染行業(yè)技術(shù)領(lǐng)先的工業(yè)熱水工程，該工程可日供60℃熱水500t，能基本滿足工廠日常生產(chǎn)所需的工業(yè)用熱水，大幅降低熱水生產(chǎn)成本。該熱水工程裝配了太陽能行業(yè)領(lǐng)先的遠程監(jiān)控系統(tǒng)，能夠?qū)μ幱谶\行中的熱水系統(tǒng)水位、水溫、上水進行實時監(jiān)控，同時實現(xiàn)自動上水、自動輔助加熱、自動報警、防凍循環(huán)、防雷、防漏電、防干燒故障診斷，并自動生成系統(tǒng)運行記錄表及數(shù)據(jù)曲線，為熱水工程穩(wěn)定、高效運行提供保障。

1 系統(tǒng)設(shè)計

太陽輻照量一年中差別很大，盛夏光照時間長，氣溫高，冬季光照時間短，氣溫低。如果按冬季設(shè)計增加配置，夏季則會熱水過?；蛩疁剡^高，對系統(tǒng)和使用產(chǎn)生危害；如果按夏季設(shè)計減少配置，降低投資，則無法滿足冬季使用，需增加輔助熱源。因此該工程是以春秋季(全年平均)設(shè)計集熱器數(shù)量。

工程設(shè)計采用ˉ58×1800mm全玻璃真空管，橫排式聯(lián)箱集熱管，集熱器傾角4?安裝在屋面，采用太陽雨280管/組的集熱器140組，200管/組的集熱器28組，共計44800支，集熱面積7460m2。

當白天可提供合格熱水時，溫度、水位控制：

(1)太陽能系統(tǒng)定溫直流方式工作，設(shè)定太陽能熱水箱內(nèi)最佳熱水溫度，要求不低于50℃。只要有光照，集熱器內(nèi)水溫達到50℃時，自動通過集熱器向熱水箱充熱水，直至熱水箱水滿。

(2)系統(tǒng)隨時檢測太陽能熱水箱內(nèi)的水溫、水位。當集熱器內(nèi)水溫低于50℃且低于進水水位20%時，由太陽能系統(tǒng)進水；當進水水位達到停水水位且水溫達到最佳水溫時，恢復(fù)到定溫直流工作狀態(tài)。

當白天不能提供合格熱水時(陰雨雪低溫天)，太陽能熱水箱350t、150t各一只，共500t，埋地安裝，鋼筋混凝土制作，聚氨酯整體發(fā)泡保溫，保溫層厚60mm。

2 工作原理

為保證熱水箱內(nèi)24h有熱水可供應(yīng)，太陽能加熱循環(huán)系統(tǒng)采用“定溫不定量”的設(shè)計原理，最大化地利用太陽能，最小化地使用輔助熱源，如圖2所示。溫度、水位控制：

(1)當太陽能集熱器不能提供合格高溫水時，通過水位控制使自來水先進入太陽能集熱器，以充分利用太陽能，初步加熱自來水。

(2)若用水時水溫不夠，則由輔助熱源提供高溫?zé)崴?。輔助熱源采用甲方原配蒸汽鍋爐加熱系統(tǒng)，全自動控制，定溫向用水點送水，即用即送，出熱水快，熱損失小。

3 運行情況

項目自2010年9月投入運行以來，通過系統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)，完整地記錄了太陽能熱水系統(tǒng)的得熱量情況。表1為系統(tǒng)運行近10個月的實際數(shù)據(jù)(標準煤的發(fā)熱量為29270kJ/kg)。

4 數(shù)據(jù)分析

(1)太陽能集熱系統(tǒng)各月的得熱量變化很大，無規(guī)律可循。以常熟地區(qū)為例，太陽輻照量約為4858MJ/(m2·a)(以清江地區(qū)1996～1998年數(shù)據(jù)作為參考)[3]，集熱器效率取55%，則太陽能熱水器的得熱量為2672MJ/(m2·a)，理論計算總得熱量為7460×2672=19933120MJ，項目實際得熱量為12653353×1.2=15184024MJ，相差24%。

(2)根據(jù)運行10個月實際數(shù)據(jù)分析，每年實際節(jié)約標準煤約520t，可減排二氧化碳約1360t，但與設(shè)計指標年均節(jié)約標準煤2000t有較大差距。

(3)電熱值為3.6MJ/kWh，電價為0.50元/kWh，則此太陽能熱水系統(tǒng)每年可節(jié)電15184024/3.6×0.50=210.89萬元。此項目太陽能熱水系統(tǒng)的投資約為600萬元，通過節(jié)省電費，3年即可收回投資，而真空管式太陽能熱水工程的使用壽命至少15年，如果考慮巨大的節(jié)能效益，項目的經(jīng)濟效益及節(jié)能效益更為顯著。

三 三廠職工宿舍太陽能熱水項目

1 系統(tǒng)設(shè)計

三廠職工宿舍位于太陽雨太陽能有限公司內(nèi)，熱水供應(yīng)采用太陽能與熱泵結(jié)合的方式，設(shè)計采用太陽能集熱器MK58×1800?3×1-83-00，集熱器總面積290m2，每人按0.725m2計算，可滿足400人熱水用量，系統(tǒng)配3只熱水箱，每只3t，共計9t，配20匹空氣源熱泵一只，作為輔助熱源。系統(tǒng)的工作原理與常熟錦弘印染廠500噸熱水工程相同，如圖3所示。

將太陽能和空氣源熱泵兩者結(jié)合，揚長補短，優(yōu)勢互補，既能節(jié)能減排，又能保證全年全日連續(xù)熱水供應(yīng)，是近年來集中熱水系統(tǒng)供應(yīng)的新動向。根據(jù)資料推斷，太陽能與熱泵結(jié)合的熱水系統(tǒng)可節(jié)能85%[4]。

2 運行情況

目前對于太陽能與熱泵結(jié)合的熱水系統(tǒng)，理論分析較多，但實際運行中能否達到節(jié)能85%的指標，經(jīng)濟性如何，理論分析缺乏說服力。為了真實掌握系統(tǒng)的實際運行情況，項目在投資建造太陽能與熱泵結(jié)合的熱水系統(tǒng)同時，建立了相應(yīng)的全天候監(jiān)控系統(tǒng)，對使用過程中的熱水流量、集熱器獲得的熱能、熱泵消耗的電能、熱泵獲得的熱能進行24h全程記錄。表2為系統(tǒng)運行近8個月的實際情況。

3 數(shù)據(jù)分析

在系統(tǒng)設(shè)計過程中，考慮到冬季低溫天氣對熱泵效率的影響，為滿足全日連續(xù)熱水供應(yīng)的要求，曾設(shè)想增加電輔助加熱。但從實際的使用情況看，太陽能與熱泵結(jié)合的熱水系統(tǒng)完全能滿足冬季極端天氣對熱水的使用要求，無需增加電輔助加熱，為本地區(qū)太陽能與熱泵結(jié)合的熱水系統(tǒng)設(shè)計提供了實踐依據(jù)。

由表2可以看出，整個運行期間，集熱器獲得的熱能為50434kWh，熱泵產(chǎn)生熱能65208kWh，熱泵所耗的電能為18562kWh，能耗比為(50434+65208)/18562=6.23，即節(jié)能84%，實際數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)相吻合。

項目的經(jīng)濟與節(jié)能效益：節(jié)約電能50434+65208?18562=97080kWh，節(jié)約費用97080×0.50=48540元。整個系統(tǒng)的投資約15萬元，則靜態(tài)投資回收期為150000×8/48540=24.7月，項目的經(jīng)濟效益與節(jié)能效益非常明顯。

表2 系統(tǒng)的實際運行參數(shù)

四 結(jié)論

(1)印染業(yè)是高能耗、高污染行業(yè)，節(jié)能減排、降低能耗是印染業(yè)面臨的主要問題。常熟錦弘印染廠500t太陽能熱水工程的實際運行情況表明：在印染業(yè)應(yīng)用太陽能熱水系統(tǒng)，無論是經(jīng)濟性還是節(jié)能降耗，都具有良好的推廣應(yīng)用前景。

(2)太陽能與空氣源熱泵結(jié)合的熱水系統(tǒng)，完全能滿足三廠職工宿舍冬季全日連續(xù)供應(yīng)熱水的要求，無需增加電輔助加熱系統(tǒng)，且節(jié)能84%，節(jié)能效果明顯。

(3)以上兩個太陽能熱水系統(tǒng)的實際運行情況表明：投資太陽能熱水系統(tǒng)，如果與每年節(jié)省的電費相比較，其投資回收期一般在5年以內(nèi)，而太陽能熱水系統(tǒng)的使用壽命至少15年，經(jīng)濟性效益明顯。

[1] 羅會龍, 鐵燕.空氣源熱泵輔助加熱太陽能熱水系統(tǒng)熱性能研究[J].建筑科學(xué), 2009, 25(2):52－54.

[2] 徐國英, 張小松.太陽能空氣復(fù)合熱源熱泵熱水器的性能模擬與分析[J].太陽能學(xué)報, 2006, 27(11):1148－1154.

[3] 中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所.中國氣候資源數(shù)據(jù)庫[K].

[4] 林康立.太陽能與空氣源熱泵結(jié)合的熱水工程設(shè)計及技術(shù)經(jīng)濟比較[J].制冷技術(shù), 2009, (1):5－11.