北方高寒地區(qū)太陽能集中供熱水系統(tǒng)的應(yīng)用

佟 輝

(大慶油田電力集團(tuán)宏偉熱電廠，黑龍江 大慶 163411)

隨著社會環(huán)保要求的不斷提高，常規(guī)燃料鍋爐提供的生活熱水，很難做到能源合理利用和環(huán)境保護(hù)達(dá)標(biāo)。為了節(jié)約能源，減少建筑能耗對一次能源的巨大消耗，目前，在太陽能資源比較豐富的地區(qū)，很多企事業(yè)單位開始利用太陽能來集中供應(yīng)熱水。然而在使用中發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)存在一些問題，如介質(zhì)熱媒流程長，集熱、儲熱、補(bǔ)熱轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)多，控制過程復(fù)雜，受建筑物質(zhì)量及天氣因素影響較大等。特別在北方高寒地區(qū)應(yīng)用時還出現(xiàn)管路凍堵、集熱管炸裂等現(xiàn)象。所以，為了避免這些問題的發(fā)生，更好地利用太陽能，2013年，在大慶油田某賓館屋頂安裝的一套大型太陽能集中供熱水系統(tǒng)，據(jù)此分析太陽能集中供熱水系統(tǒng)在高寒地區(qū)應(yīng)用中出現(xiàn)的問題及應(yīng)采取的解決措施。

1 集中供熱水系統(tǒng)運(yùn)行情況

在大慶油田某賓館屋頂安裝的一套大型太陽能集中供熱水系統(tǒng)，共有太陽能集熱器45組，集熱面積342 m2，設(shè)計日產(chǎn)熱水量26 t。太陽能集中供熱水系統(tǒng)運(yùn)行原理如圖1所示。

圖1 太陽能集中供熱水系統(tǒng)運(yùn)行原理示意圖Fig．1 Operational principle schematic diagram of solar energy central heating water system

在圖1中，太陽光照射到集熱器上將水加熱，當(dāng)集熱器水溫高于集熱水箱水溫10℃時，集熱循環(huán)泵啟動自動將熱水打入集熱水箱中，當(dāng)集熱水箱水溫高于供熱水箱水溫10℃時，水箱間循環(huán)泵啟動自動將熱水打入供熱水箱中，如此反復(fù)循環(huán)保證供熱水箱溫度始終在50℃以上。當(dāng)高寒地區(qū)陽光不充足無法滿足供熱水箱溫度要求時，水箱內(nèi)輔助電加熱自動進(jìn)行加熱升溫。為了減少不必要的用電浪費(fèi)，根據(jù)賓館熱水需求，一天設(shè)定了5次定時電加熱供熱水箱，當(dāng)?shù)竭_(dá)設(shè)定時間段且供熱水箱溫度小于設(shè)定溫度時，供熱水箱電加熱自動啟動，對水箱中的水進(jìn)行了加熱，當(dāng)供熱水箱溫度大于50℃時，供熱水箱電加熱自動停止。當(dāng)供熱水箱水溫高于45℃時，1號—3號電動三通閥自動打開，經(jīng)變頻循環(huán)泵為賓館提供太陽能產(chǎn)生的熱水。如果供熱水箱水溫低于45℃時，1號—3號電動三通閥自動關(guān)閉，由原有賓館熱水系統(tǒng)為賓館提供熱水。為保證賓館用水即開即熱，對賓館末端回水水溫進(jìn)行了實時監(jiān)測，當(dāng)末端回水水溫在35℃以下時，回水電磁閥自動打開，直到末端回水水溫達(dá)到45℃時，回水電磁閥自動關(guān)閉。另外，本項目建立了遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)智能采集、存儲、統(tǒng)計分析和告警提醒等功能，便于對集中供熱水系統(tǒng)運(yùn)行情況進(jìn)行實時監(jiān)測管理。

2 高寒地區(qū)使用該系統(tǒng)出現(xiàn)的問題及解決措施

2．1 管路防凍溫控技術(shù)

冬季北方高寒地區(qū)氣溫很低，太陽能集熱系統(tǒng)管路內(nèi)的水會結(jié)冰，影響水循環(huán)，導(dǎo)致管路凍堵，造成整個太陽能集中供熱水系統(tǒng)癱瘓［1］。以往在管路防凍方面采取的措施是加裝普通電熱帶，但會增加能耗，而且電熱帶長期運(yùn)行也會增加新的安全隱患。為更好解決這一問題，本項目實施時研究了管路防凍溫控技術(shù)，即采用管路防凍循環(huán)和電熱帶防凍相結(jié)合方式，根據(jù)管道溫度，自動控制啟動防凍系統(tǒng)，確保管路冬季無凍堵。

在管路防凍循環(huán)方面，對集熱器管路和水箱間管道，利用了自動化溫控技術(shù)，進(jìn)行管路循環(huán)，防止管路凍堵。當(dāng)集熱器管道溫度≤5℃時，集熱循環(huán)泵開啟進(jìn)行管路循環(huán)，將水箱內(nèi)熱水打進(jìn)集熱器;當(dāng)集熱器管道溫度≥10℃時，控制系統(tǒng)關(guān)閉循環(huán)泵;當(dāng)水箱間管道傳感器溫度≤5℃時，水箱循環(huán)泵啟動;當(dāng)水箱間管道傳感器溫度≥10℃時，水箱循環(huán)泵關(guān)閉(具體管路溫度測點(diǎn)位置見圖1)。

在電熱帶防凍措施上，采用自限溫電熱帶控制伴熱。自限溫電熱帶是由熱塑性樹脂與導(dǎo)電碳黑經(jīng)過分散復(fù)合而形成的導(dǎo)電性復(fù)合材料，具有電熱轉(zhuǎn)換及自動調(diào)節(jié)限制溫升雙重功能。在加熱過程中，這種高分子材料的內(nèi)部半導(dǎo)體通道數(shù)量(即電阻)發(fā)生了正溫度系數(shù)的變化(PTC效應(yīng))，實現(xiàn)了自限式控制，即防凍帶溫度越高，電阻越大，電熱功率自動減少，當(dāng)電熱功率趨于極小值時，溫度便升到了高限，以保證防凍帶始終穩(wěn)定在恒定的最佳溫區(qū)正常運(yùn)行。另外，自限溫電熱帶腐蝕速度慢、耐老化、抗電擊，能有效減少火災(zāi)隱患。當(dāng)集熱器管道溫度≤防凍電熱帶啟動溫度(3℃)時，防凍電熱帶啟動;集熱器管道溫度≥防凍電熱帶停止溫度(15℃)時，防凍電熱帶關(guān)閉(自限溫電熱帶的安設(shè)位置見圖1)。

2．2 防炸管及炸管報警技術(shù)

本項工程集中供熱水系統(tǒng)太陽能集熱器是由全玻璃真空太陽集熱管組成。集熱系統(tǒng)在晴天運(yùn)行時，如果長時間空曬，系統(tǒng)內(nèi)部及全玻璃真空太陽集熱管內(nèi)會因缺水出現(xiàn)高溫，溫度可高達(dá)450℃左右，這時如果突然給系統(tǒng)內(nèi)部加入冷水，就會造成系統(tǒng)部分或者全部玻璃真空太陽集熱管炸管或者破損，管內(nèi)熱水流出使屋頂積水，不但造成系統(tǒng)癱瘓無法使用，而且在氣溫較低的高寒地區(qū)漏出的水會在樓頂結(jié)冰，存在很大的安全隱患［2］。因此，有效預(yù)防或及時發(fā)現(xiàn)和處理炸管問題，對大型太陽能集中供熱水系統(tǒng)來說，是重要的安全使用和技術(shù)保障。

1)防空曬炸管高溫斷續(xù)循環(huán)技術(shù)措施。當(dāng)集熱器溫度≥高溫斷續(xù)循環(huán)啟動溫度(85℃)，且集熱器溫度僅高于集熱水箱溫度2～10℃范圍內(nèi)時，集熱循環(huán)泵每循環(huán)10 min，停20 min;當(dāng)集熱器溫度≤高溫斷續(xù)循環(huán)停止溫度(80℃)，且集熱器溫度－集熱水箱溫度≤2℃，或集熱器溫度－集熱水箱溫度≥10℃時，停止高溫斷續(xù)循環(huán);當(dāng)集熱器溫度≥防炸管啟動溫度(90℃)且集熱器與集熱水箱的溫差≥防炸管啟動溫差(30℃)時，停止集熱溫差循環(huán)功能;當(dāng)集熱器溫度≤防炸管停止溫度(85℃)或集熱器與集熱水箱的溫差≤防炸管停止溫差(25℃)時，恢復(fù)集熱溫差循環(huán)功能。

2)炸管報警技術(shù)措施。在集熱系統(tǒng)的集熱循環(huán)供水和回水管道分別安裝一個電磁流量計，系統(tǒng)自動巡檢。當(dāng)集熱管炸管時，系統(tǒng)檢測到供回水流量差突然增加，或集熱水箱水位急劇下降而達(dá)到報警值時，系統(tǒng)自動以手機(jī)短信形式和監(jiān)控系統(tǒng)中的警笛形式及時通知維護(hù)人員進(jìn)行處理維修。

報警內(nèi)容:

流量計供回管路偏差值報警。當(dāng)集熱系統(tǒng)供水管路流量－回水管路流量≥報警啟動流量(20 m3/h)時，系統(tǒng)報警。

集熱水箱水位報警。雙水箱系統(tǒng)，集熱水箱應(yīng)為常滿，當(dāng)出現(xiàn)炸管后會使集熱水箱水位迅速下降。集熱水箱水位降到報警啟動水位后(L=75%)，系統(tǒng)報警。

2．3 建筑物的安全保障

太陽能集中供熱水系統(tǒng)一般安裝在建筑物的屋頂，而集熱器安裝需要鋼結(jié)構(gòu)支架的支撐，在北方高寒地區(qū)屋頂安裝集中供熱水系統(tǒng)不僅要考慮防雷和承重等問題［3－4］，而且要考慮施工中破壞屋頂防水層而引發(fā)的滲漏問題。因此，為有效避免因雷擊造成設(shè)備的損壞，本項工程將屋頂光熱系統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)支架與限流型避雷針相連接，并與原有建筑物避雷帶相連，經(jīng)檢測滿足防雷接地的要求。屋頂承重載荷方面，原有建筑屋面板為空心板結(jié)構(gòu)，屋面板上部在原設(shè)計之初并未考慮后期需新增荷載需求，因此，受屋面板結(jié)構(gòu)及承載力等因素影響，給設(shè)備安裝增加了限制和約束。為解決這一問題，設(shè)計采用多點(diǎn)橫豎布局形成點(diǎn)陣式鋼結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)形式代替常用的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

同時，對基礎(chǔ)與屋面板結(jié)構(gòu)的連接采用“避讓”與“補(bǔ)缺”兩原則進(jìn)行設(shè)計?！氨茏尅奔幢荛_空心板結(jié)構(gòu)受力筋，防止對屋面結(jié)構(gòu)承載造成損傷，“補(bǔ)缺”即為在空心板需固定膨脹螺栓孔洞部位填充細(xì)石混凝土對膨脹螺栓進(jìn)行錨固，有效地解決了錨板的固定問題。

屋面防水是施工中的重點(diǎn)和難點(diǎn)問題，即要考慮雨季施工防水問題又要考慮如何解決原防水層破壞后的恢復(fù)及結(jié)合問題。因此，在施工中采取分段施工的方式，做好對施工區(qū)的防雨遮蓋，對破壞處采取局部用防水膠密封防水的措施，基礎(chǔ)做完后用自粘卷材再對屋頂全面進(jìn)行防水保護(hù)處理，較好地解決了與原防水層結(jié)合及整體防水保護(hù)等問題。另外，在屋頂集熱器支架間設(shè)計了專用安全檢查通道，敷設(shè)了能起保護(hù)作用的紅膠版，在人員參觀和巡視檢查時既不破壞防水層，又保證了人員巡檢和維修的方便。

3 結(jié)語

該項系統(tǒng)于2013年1月正式投入運(yùn)行，至今，經(jīng)過1 a多的實踐證明，該系統(tǒng)運(yùn)行安全穩(wěn)定，且取得了客觀的經(jīng)濟(jì)效益。

圖2 太陽能集熱器常規(guī)基礎(chǔ)與本項目基礎(chǔ)設(shè)計的對比Fig．2 Comparison of conventional solar energy heat collector and the project of foundation design

［1］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(xué)工業(yè)出版社，2006．ZHENG Ruicheng．Engineering handbook for solar energy water heating system of civil building［M］．Beijing:Chemical Industry Press，2006．

［2］羅運(yùn)俊，李元哲，趙承龍．太陽熱水器原理、制造與施工［M］．北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2006．LUO Yunjun，LI Yuanzhe，ZHAO Chenglong．Principle of solar water heaters，manufacturing and construction ［M］．Beijing:Chemical Industry Press，2006．

［3］民用建筑太陽能熱水系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)規(guī)范［M］．北京:中國建筑工業(yè)出版社，2005．Technical specification for solar energy water heating system of civil buildings［M］．Beijing:Chinese Architecture Industry Press，2005．

［4］魏斯勝，郎仲杰．非承壓集熱器熱水工程中炸管原因及預(yù)防措施的探討［J］．太陽能，2009(3):59-50．WEI Sisheng，LANG Zhongjie．Discussion of causes and preventive measures on tube explosion of non pressure heat collector in the hot water engineering［J］．Solar Energy，2009(3):59-50．