淺談太陽能熱水器技術(shù)在鐵路基層單位的應用

陳廷秀

(鄭州鐵路局鄭州北建筑段，河南鄭州 450052)

鐵路單位普遍具有點多、線長、車間分散的特點。以鄭州鐵路局鄭州北建筑段為例:鄭州北建筑段主要承擔管內(nèi)鄭州、新鄉(xiāng)、鶴壁、安陽、長垣、東明、焦作、晉城、長治北等鐵路各單位房建運營設(shè)備大維修、住宅設(shè)備大維修、生產(chǎn)用水、客車上水、職工生活用水以及林業(yè)技術(shù)管理工作，包括鐵路沿線植樹造林和鐵路地界內(nèi)的林木管理工作。單位目前現(xiàn)有房建、給水維修以及林場等20個車間。職工在鐵路沿線作業(yè)，勞動強度大、體力消耗大，且大多數(shù)車間布置在鐵路沿線，所在位置偏僻，離市區(qū)較遠，再加之車間缺少洗浴設(shè)施，給職工的生活帶來很大不便。

為了防治大氣污染，保護和改善大氣環(huán)境，鄭州北建筑段積極開發(fā)利用太陽能，2011年將安陽林場浴池鍋爐房內(nèi)原提供洗浴用熱水的1臺0.2 t/h燃煤蒸汽鍋爐拆除，安裝了太陽能熱水器;2012年對新鄉(xiāng)給水車間浴池安裝了太陽能熱水器，以解決沿線單位職工洗浴用熱水問題。

1 太陽能資源的特點

我國的太陽能資源非常豐富，全年太陽能輻照量在3 500 MJ/m2和日照時數(shù)在2 200 h以上的地區(qū)，占國土面積的76%。即使在資源缺乏地區(qū)，也有一部分日照時數(shù)在1 200 h以上，因此，上述地區(qū)基本上都適合設(shè)計、使用太陽能熱水系統(tǒng)，而不必使用大量的燃氣、燃煤和電力來提供生活熱水〔1〕。

安陽林場地處河南省安陽市，新鄉(xiāng)給水車間地處河南省新鄉(xiāng)市。按照我國的太陽能資源分區(qū)劃分，屬于三等(資源較富區(qū))太陽能輻照地區(qū)〔2〕。年太陽輻照量為 5 100 ～5 300 MJ/m2，年日照時數(shù)為2 200～3 000 h。年太陽輻照量和年日照時數(shù)滿足《民用建筑太陽能熱水系統(tǒng)應用技術(shù)規(guī)范》〔1〕要求和太陽能熱水系統(tǒng)設(shè)計要求，適合安裝使用太陽能熱水系統(tǒng)。

2 太陽能集熱器面積的選用

太陽能集熱器的總面積是太陽能熱水系統(tǒng)中的一個重要參數(shù)，它與系統(tǒng)的節(jié)能特性和經(jīng)濟性緊密相關(guān)〔2〕，另外，還要確定太陽能的保證率 f，太陽能保證率f是確定所需太陽能集熱器總面積的一個關(guān)鍵因素，也是影響太陽能熱水系統(tǒng)經(jīng)濟性能的重要參數(shù)〔2〕。太陽能保證率和太陽能集熱器總面積即為太陽能熱水系統(tǒng)設(shè)計應選取的集熱器總面積設(shè)計值。安陽林場和新鄉(xiāng)給水車間地處河南省，據(jù)資料可查，本地太陽能保證率為40% ～50%〔2〕，對于全年使用的太陽能熱水系統(tǒng)太陽能保證率可取中間值，因此，安陽林場和新鄉(xiāng)給水車間太陽能保證率選用45%。

根據(jù)安陽市和新鄉(xiāng)市地理位置和氣候特點，結(jié)合職工人數(shù)和洗浴時間安排情況，安陽林場和新鄉(xiāng)給水車間安裝太陽能集熱器面積計算方法如下:

(1)熱水量估算

安陽林場和新鄉(xiāng)給水車間浴室日均洗浴人數(shù)60人次，公共浴池有淋浴器的熱水定額標準為100 ～150 L/人次〔3〕，取 100 L/人次，用熱水量為(熱水溫度按45℃計):100 L/人次 ×60人次 =6 000 L，則每天太陽能熱水器需產(chǎn)生熱水6 000 L。

(2)太陽能集熱器面積計算

該太陽能集熱器配置采用真空管太陽能熱水器，集熱模塊串、并聯(lián)安裝，6 000 L熱水需要熱負荷為:

Q=6000 L×(45℃ －15℃)×4.187/1000=753.66 MJ

注:安陽林場和新鄉(xiāng)給水車間貯水箱內(nèi)水為地下水，地下水溫度為 10 ～15℃〔1〕，取 15℃。

安陽地區(qū)和新鄉(xiāng)地區(qū)年平均日輻照量為14.301 MJ/m2〔2〕(參考鄭州市典型年設(shè)計用氣象參數(shù))，太陽能熱水系統(tǒng)集熱效率為76%，則太陽能集熱器總面積為:

A=753.66 MJ÷(14.301 MJ/m2×76%)=69.34 m2

3 太陽能熱水器主要設(shè)備的選用

安陽林場和新鄉(xiāng)給水車間太陽能熱水器安裝主要設(shè)備如下:

(1)真空管太陽能集熱器:集熱器總面積為69.34 m2;規(guī)模:16組;排列方式:雙矩陣形式。

(2)空氣源熱泵:型號:5 HP;數(shù)量:2臺。單臺輸入功率:5.5 kW。

(3)冷熱水箱循環(huán)泵:型號:HI-250 E;數(shù)量:3臺。單臺輸入功率:1 kW。

(4)全功能智能控制柜，數(shù)量:1臺。該控制柜能對太陽能熱水系統(tǒng)實行全自動控制，自動進水、循環(huán)泵自動循環(huán)、防凍保護、水溫自動加熱等，保證全天候24小時供應熱水(也可定時放水)、安全可靠、管理方便。

(5)貯水箱:雙層不銹鋼保溫貯水箱，數(shù)量:2臺，分冷熱貯水箱，單臺貯水箱容量6 000 L。

4 太陽能熱水器應用的方法

安陽林場和新鄉(xiāng)給水車間太陽能集熱器采用真空管太陽能集熱器，其每m2集熱面在太陽能輻射時間〔在日照17 000 kJ/(m2·d)條件下〕從上午9時到下午3時，水溫設(shè)定在40～60℃，春秋季產(chǎn)熱水量60～70 L/(m2·d);夏季產(chǎn)熱水量70～80 L/(m2·d);冬季產(chǎn)熱水量50 ～60 L/(m2·d)(太陽能集熱器產(chǎn)熱水量參考鄭州市各月的設(shè)計用氣象參數(shù):1～3月室外平均氣溫為3.2℃，4～6月室外平均氣溫為20.7℃，7～9月室外平均氣溫為24.6℃，10 ～12 月室外平均氣溫為8.2℃〔2〕)。

春夏秋三季洗浴用熱水主要靠太陽能集熱系統(tǒng)提供，陰雨天或冬季日照強度不高時采用空氣源熱泵系統(tǒng)輔助加熱，形成組合能源系統(tǒng)。

該太陽能熱水系統(tǒng)采用同程式強制循環(huán)系統(tǒng)，循環(huán)水泵的啟動、水溫及流量控制采用自動化系統(tǒng)控制，配備電氣控制柜，實現(xiàn)太陽能自動控制，可實現(xiàn)水溫、水位實時監(jiān)控，定位自動上水，達到四季、全天候、智能化全自動運行。

5 太陽能熱水系統(tǒng)的使用維護注意事項

(1)要有專人管理，經(jīng)常巡視，做好運行記錄。

(2)太陽能集熱器表面經(jīng)常落有塵土，影響集熱效果，所以要經(jīng)常沖洗集熱器，一般1個月1～2次。

(3)在使用過程中如果發(fā)現(xiàn)集熱器真空管破裂漏水，造成集熱器溫度過高，一般應停止運行。應先關(guān)閉電源，待天黑之后或第二天清晨太陽出來之前，換上新管，之后進行系統(tǒng)上水操作，繼續(xù)運行(換管時應注意防止熱水器內(nèi)熱水或蒸汽噴出傷人)。

(4)冬季，不能關(guān)閉太陽能熱水系統(tǒng)的電源，避免溫度過低破壞系統(tǒng)。如遇停電時間過長時，應排放太陽能設(shè)備內(nèi)存水，保護系統(tǒng)安全。

(5)如果冬季停用太陽能熱水系統(tǒng)時，應將太陽能設(shè)備、循環(huán)水泵及其它設(shè)備的水體排放干凈，然后關(guān)閉電源。排水方法如下:

①首先將冷水進水閥門關(guān)閉;

②太陽能集熱器下部供水管打開絲堵排水;

③循環(huán)水泵泵體一側(cè)設(shè)有1個排氣螺栓，將其打開排除泵體內(nèi)的存水;

④恒溫混水器底部設(shè)有排水閥門，將其打開排水。

6 費用分析

表1為鄭州北建筑段安陽林場原燃煤鍋爐與新安裝的太陽能熱水器運行費用分析。

表1 燃煤鍋爐與太陽能熱水器運行費用分析 萬元

表1數(shù)據(jù):操作鍋爐人工費按2人配置，每人工資每天100元;煤燃料價格以2012年價格為準，鍋爐每日運行10 h，運行時間360 d，煤燃料價格750元/t;鍋爐補水泵開啟時間每日按10 h計算，耗電量按單臺水泵功率1 kW計算，電費價格:0.83元/(kW·h);爐渣運費40元/t。太陽能集熱器在春夏秋三季天氣晴好時提供熱水無需產(chǎn)生費用，如遇連續(xù)陰雨天或者冬季利用空氣熱源泵加熱提供熱水。全年空氣熱源泵、循環(huán)泵開啟時間按150 d計算(春夏秋三季空氣熱源泵開啟時間按30 d計算，冬季空氣熱源泵開啟時間按120 d計算)，空氣熱源泵、循環(huán)泵開啟時間每日按10 h計算。

7 結(jié)論

積極利用太陽能資源和推廣利用太陽能熱水器技術(shù)，是解決我國煤炭、石油、天然氣等常規(guī)能源短缺問題的重要措施之一，既可滿足人們對生活熱水的需求，同時對于節(jié)能降耗、減少成本支出亦具有重大的意義。

［1］GB50364—2005，民用建筑太陽能熱水系統(tǒng)應用技術(shù)規(guī)范［S］．

［2］鄭瑞澄．民用建筑太陽能熱水系統(tǒng)工程技術(shù)手冊〔M〕．北京:化學工業(yè)出版社，2012:1，26 －27，32，89，91，314．

［3］GB50015—2003，建筑給水排水設(shè)計規(guī)范［S］．