淺析太陽能熱水在實(shí)際工程中的應(yīng)用

鄭 鵬

（天津中發(fā)機(jī)電工程有限公司 天津 300384）

淺析太陽能熱水在實(shí)際工程中的應(yīng)用

鄭 鵬

（天津中發(fā)機(jī)電工程有限公司 天津 300384）

針對原蒸汽鍋爐系統(tǒng)熱效率低，危險(xiǎn)性大，結(jié)垢等因素，通過改造增加一套太陽能熱水系統(tǒng)，經(jīng)循環(huán)泵強(qiáng)制液體傳熱來提高熱效率，既降低了投資成本，又節(jié)約了能源。

太陽能熱水；集熱效率；節(jié)能環(huán)保

太陽能是全球最豐富的可再生能源，在發(fā)電、空調(diào)、取暖、供水到各種各樣太陽能動力裝置得到廣泛應(yīng)用。本文主要介紹U型管式真空集熱器在實(shí)際工程中的應(yīng)用。U型管式真空管集熱器具有比較高的集熱效率，以金屬作為吸熱體，可以承壓運(yùn)行，還有防漏、防垢、耐久、安全可靠、維護(hù)簡便等特點(diǎn)。

1 改造背景

1.1 改造對象

天津南開大學(xué)附屬中學(xué)宿舍樓生活熱水系統(tǒng)。

1.2 改造增加設(shè)備

本次改造核心內(nèi)容是為學(xué)校宿舍樓增加一套太陽能熱水系統(tǒng)，主要有集熱器、熱水循環(huán)泵、集熱循環(huán)泵、蓄熱水箱等。

1.3 改造前情況及改造原因

宿舍樓原生活熱水由蒸汽鍋爐系統(tǒng)提供，蒸汽鍋爐危險(xiǎn)性大、耗煤量大、做功慢、需二次換熱、受熱面積小、鍋爐表皮溫度高、煙囪排煙溫度較高、鍋筒及煙管易結(jié)洉、煙管內(nèi)積灰等幾個(gè)因素造成熱效率降低。通過改造取消原蒸汽鍋爐，增加一套太陽能熱水系統(tǒng)，利用太陽能集熱裝置得到熱水，供住宿學(xué)生使用。

2 改造

2.1 熱水設(shè)計(jì)及參數(shù)

天津南大附中太陽能生活熱水工程，為300人供應(yīng)生活熱水，按公共浴室（淋?。崴盟~取60L/每人每次，使用時(shí)間12小時(shí)，熱水溫度為60℃，總熱水量為18m3/d，供40個(gè)淋浴噴頭，小時(shí)最大用水量為21.6m3/h綜合考慮現(xiàn)場實(shí)際情況。

太陽能集熱板設(shè)置于食堂頂層，充分采集太陽能資源，箱間設(shè)置于一層原鍋爐水箱間位置，保留原有20噸水箱作為生活水箱，新增一臺15噸蓄熱水箱。

2.2 相關(guān)計(jì)算

2.2.1 太陽能保證率，管路及儲熱水箱熱損失率

太陽能保證率是衡量當(dāng)?shù)靥柲苜Y源的一個(gè)重要參數(shù)，太陽能保證率越大表示當(dāng)?shù)靥柲茉截S富。太陽能保證率是確定所需集熱總面積的一個(gè)關(guān)鍵因素，也是影響太陽能熱水系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性能的重要參數(shù)。在國內(nèi)前人的研究與實(shí)際工程實(shí)踐中，太陽能保證率通常根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取得，一般取=70%，太陽能集熱系統(tǒng)的集熱器管路，換熱器及水箱等主要部件均在室外，相對于在室內(nèi)的情況，環(huán)境溫度較低，取=20%。

2.2.2太陽能集熱器年平均集熱效率

U型管真空管集熱器的效率為：

式中：

ηa——集熱器瞬時(shí)效率

ti——集熱器進(jìn)口工質(zhì)溫度，℃

ta——年平均日室外溫度，℃，經(jīng)計(jì)算得12℃

G——年平均日射輻照度，W/m2

SY:年平均日均日照時(shí)數(shù),JT:年平均集熱器傾角表面日照輻量歸一化溫差X:

計(jì)算出U型管真空管集熱器集熱效率為ηcd≈0.7

2.2.3 U型管真空管太陽能集熱器的集熱總面積

參照國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，朝正南向直接式太陽能熱水系統(tǒng)集熱器面積按下式計(jì)算：

式中：

AC—直接系統(tǒng)集熱器面積，m2

QW—日均用水量；

CW—水的定壓比熱容，4.187kJ/（kg·℃）；

tL——冷水設(shè)計(jì)溫度或水的初始溫度（自來水上水年平均溫度），15℃；

tend——熱水設(shè)計(jì)溫度（儲水箱終止溫度），60℃；

ρ—水的密度，1kg/L；

f— 太陽能保證率，50%；

JT—當(dāng)?shù)丶療崞鞑晒饷嫔系哪昶骄仗栞椪樟?；按不同的月份?jì)算出全年平均日太陽輻照量為16345KJ/m2；ηcd—集熱器的年平均集熱效率,50%；

ηL—儲水箱和管道的熱損失率，取15%；

經(jīng)計(jì)算得出，所需集熱器面積=245m2。

以上計(jì)算所得集熱器面積為集熱器吸熱體面積，食堂頂層屋面滿鋪可以擺放152組u型真空管集熱器，有效吸熱體面積可達(dá)246.24m2，基本滿足熱水的設(shè)計(jì)量（18m3/d），由于太陽能是蓄熱形式，學(xué)校學(xué)生的用水量不好控制，水溫不可以高于40℃，因此需要在一樓設(shè)備間內(nèi)增加一個(gè)15m3的蓄熱水箱，同原熱水箱之間換熱。

3 改造結(jié)果

3.1 改造后變化

此次改造于2013年8月開工，2013年9月完成并投入調(diào)試，2013年10月正式投產(chǎn)運(yùn)行。改造后系統(tǒng)不結(jié)垢，即使長期使用也不會影響其集熱的效率，而且循環(huán)泵強(qiáng)制液體傳熱的循環(huán)效率高，運(yùn)行穩(wěn)定，使用安全，最重要的是綠色環(huán)保。

3.2 改造后節(jié)能量計(jì)算

按蓄熱水箱60℃熱水考慮：

直接系統(tǒng)的年節(jié)能量為：

式中：ΔQsave——太陽能熱水系統(tǒng)的年節(jié)能量，MJ；

AC——系統(tǒng)的太陽能集熱器面積，m2；

JT——太陽能集熱器采光面上的年總太陽輻照量，取JT=17MJ/m2；

ηcd——太陽能集熱器的年平均集熱效率，取ηcd=70%；

ηL——管路、水泵、水箱的熱損失率，取ηL=15%；

本系統(tǒng)的ΔQsave=904533.875MJ

4 節(jié)能經(jīng)濟(jì)效益分析

本次太陽能熱水系統(tǒng)改造項(xiàng)目投資為68萬元，包括水、電、部分土建裝修及設(shè)備費(fèi)用。運(yùn)行產(chǎn)生的費(fèi)用主要為人工費(fèi)、電費(fèi)。天津市2012年電價(jià)為1.1元/kw·h，折算電價(jià)為0.31元MJ，每年約節(jié)能28萬元。

通過使用改造后的太陽能熱水系統(tǒng)，有效地達(dá)到了節(jié)約能源，降低投資成本的目的。系統(tǒng)改造后，運(yùn)行穩(wěn)定，使用安全，維護(hù)方便，節(jié)能環(huán)保。