酒店建筑的太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

李玲玲

摘要：太陽(yáng)能作為一種清潔無(wú)污染的可再生能源，被廣泛利用。利用太陽(yáng)能有效的緩解了我國(guó)能源緊張問(wèn)題，同時(shí)目前的太陽(yáng)能熱水技術(shù)也較為成熟?，F(xiàn)代一般酒店都應(yīng)用太陽(yáng)能，最大程度的節(jié)約經(jīng)營(yíng)成本。本文根據(jù)某工程案例，對(duì)太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行探討。

關(guān)鍵詞：酒店；太陽(yáng)能應(yīng)用；熱水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

一、工程概述

某酒店屬海洋地區(qū)，酒店設(shè)有標(biāo)間78間，大床房16間，下設(shè)有餐廳、衛(wèi)生間及餐廳廚房熱水供應(yīng)采用太陽(yáng)能加電輔助方案。

二、設(shè)計(jì)方案與運(yùn)行原理

（一）設(shè)計(jì)方案

該工程考慮到地區(qū)的海洋氣候，太陽(yáng)輻照量較好，但風(fēng)速較大，故采用全玻璃真空集熱管集熱器；建設(shè)方投資有限，后期維護(hù)人員充足，電力保障充足，最終選取普通全玻璃真空集熱管集熱器電輔助加熱中央熱水工程方案。

該工程熱水應(yīng)用要求為24h恒溫供熱，為了保證供水質(zhì)量，選用雙水箱供水，即一水箱蓄熱，另一水箱恒溫供熱，同時(shí)增加供熱末端回水循環(huán)，保證即開(kāi)即熱。

（二）運(yùn)行原理

太陽(yáng)能系統(tǒng)運(yùn)行原理流程如圖1所示。圖1太陽(yáng)能系統(tǒng)運(yùn)行原理流程依據(jù)當(dāng)?shù)厝晏?yáng)輻照量變化特點(diǎn)，該工程設(shè)計(jì)時(shí)將系統(tǒng)運(yùn)行分為主循環(huán)運(yùn)行和輔助循環(huán)運(yùn)行，運(yùn)行原理分別如下。

（1）主循環(huán)運(yùn)行原理

（設(shè)計(jì)工況下，2～11月太陽(yáng)輻射條件）

①集熱器定溫出水循環(huán)。自來(lái)水注入集熱器中加熱，當(dāng)T1達(dá)到55℃，E1和K2（K2′）打開(kāi)，K1（K1′）關(guān)閉，利用自來(lái)水壓力將熱水頂入供熱水箱中，水溫T1為50℃時(shí)E1和K2關(guān)閉。

②供熱水箱溢流循環(huán)。供熱水箱熱水注滿后，通過(guò)聯(lián)通管溢流向儲(chǔ)熱水箱注水。

③滿水位升溫循環(huán)。當(dāng)兩個(gè)水箱全部充滿后，W1、W2水位探測(cè)器發(fā)出信號(hào)，E1關(guān)閉，此時(shí)，T2溫度探測(cè)器不再發(fā)揮作用，當(dāng)T1大于T3 10℃時(shí)，啟動(dòng)P1，K2，將集熱器中的高溫水頂入供熱水箱，供熱水箱上部的低溫水則經(jīng)溢流管進(jìn)入儲(chǔ)熱水箱，溫差小于2℃時(shí)停止，為滿水位升溫循環(huán)。

④供熱水箱補(bǔ)水循環(huán)。供熱水箱向住戶供應(yīng)熱水，達(dá)到最低水位（非警戒水位），W2水位感應(yīng)器發(fā)出信號(hào)，P2啟動(dòng)，由儲(chǔ)熱水箱向供熱水箱補(bǔ)水。如供熱水箱內(nèi)水位持續(xù)降低，達(dá)到最低水位（此時(shí)儲(chǔ)熱水箱已經(jīng)無(wú)水可補(bǔ)），啟動(dòng)E3，自來(lái)水向供熱水箱補(bǔ)水。

⑤熱水保障循環(huán)。當(dāng)太陽(yáng)能輻射量不足條件下，供熱水箱在規(guī)定時(shí)間內(nèi)達(dá)不到規(guī)定水位（W2水位感應(yīng)器在規(guī)定時(shí)段發(fā)出信號(hào)），電加熱開(kāi)啟，同時(shí)E3打開(kāi)，自來(lái)水進(jìn)入供熱水箱，達(dá)到最高水位停止，不考慮向儲(chǔ)熱水箱補(bǔ)水。

⑥末端回水循環(huán)。在回水總管設(shè)感溫探測(cè)器，并設(shè)置時(shí)段控制器，在規(guī)定時(shí)段當(dāng)水溫低于45℃，啟動(dòng)E4，此時(shí)變頻供水系統(tǒng)P3加速旋轉(zhuǎn)，使水溫達(dá)到50℃停止。

⑦供熱水箱恒溫循環(huán)。當(dāng)供熱水箱水溫低于45℃時(shí)，T4發(fā)出信號(hào)，啟動(dòng)電加熱，供熱水箱內(nèi)水加熱至50℃停止。

（2）輔循環(huán)運(yùn)行原理

（非設(shè)計(jì)工況下，12月、1月太陽(yáng)輻射條件）

①集熱器溫差出水循環(huán)。利用旁通管將自來(lái)水注入集熱器中加熱，并保持儲(chǔ)熱水箱一定的水位，當(dāng)T1-T3≥7℃時(shí)，P1和K1啟動(dòng)，K2、E1關(guān)閉，利用水泵壓力將熱水頂入儲(chǔ)熱水箱，溫差小于2℃時(shí)停止。

②儲(chǔ)熱水箱出水循環(huán)。T3感應(yīng)水溫達(dá)到50℃（暫定），啟動(dòng)P2，將熱水送入供熱水箱，儲(chǔ)熱水箱達(dá)到最低水位時(shí)停止。

③供熱水箱補(bǔ)水循環(huán)。供熱水箱在規(guī)定時(shí)間點(diǎn)，達(dá)不到規(guī)定水位，W2水位感應(yīng)器發(fā)出信號(hào)，電加熱打開(kāi)，同時(shí)E3啟動(dòng)，自來(lái)水送入水箱，達(dá)到規(guī)定水位停止（為節(jié)約能源，盡量減少補(bǔ)水量，并不考慮向儲(chǔ)熱水箱補(bǔ)水）。

④熱水保障循環(huán)。如水位持續(xù)下降，到達(dá)警戒水位，啟動(dòng)E3。

⑤熱水恒溫循環(huán)。當(dāng)供熱水箱水溫低于45℃，啟動(dòng)電加熱，供熱水箱內(nèi)水加熱至50℃停止。

⑥末端回水循環(huán)。同主循環(huán)工作原理。

⑦防凍循環(huán)。當(dāng)連續(xù)陰天或雨雪天氣時(shí)，T2低于5℃，K1打開(kāi)，P1啟動(dòng)，當(dāng)T2達(dá)到10℃停止。

三、設(shè)計(jì)基本參數(shù)確定

日最高用水定額[2]：120L/（床位·d）；日平均用水定額：取日最高用水定額的50%，60 L/（床位·d）；設(shè)計(jì)熱水水溫：50℃；設(shè)計(jì)冷水水溫：15℃；太陽(yáng)輻照量及保證率[3]：當(dāng)?shù)鼐暥葹?6.04°，查閱民用建筑太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)工程技術(shù)手冊(cè)得太陽(yáng)輻照量及保證率參數(shù)如表1所示。當(dāng)?shù)鼐暥葹?6.04°，查閱太陽(yáng)月日均輻照量如表2所示。

四、設(shè)計(jì)計(jì)算

（一）太陽(yáng)能集熱面積計(jì)算

根據(jù)國(guó)家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)GB/T18713-2002中的計(jì)算公式，集熱面積計(jì)算如下：

式中： 為系統(tǒng)集熱器采光面積， 為日平均用水量，Kg，計(jì)算得10300kg； 為水的密度，取值1000Kg/m3；q為單位床位日平均用水量，取值60L/（床位·d）；n為床位，取值172； 為水的定壓比熱容，取值為4.18KJ/（kg·℃；tend為貯熱水箱內(nèi)水的終止溫度，取值50℃；ti為水的初始溫度，取值15℃；Jt當(dāng)?shù)卮悍只蚯锓炙谠录療崞魇軣崦嫔袭?dāng)月日平均太陽(yáng)輻照量，通過(guò)查表取值16480KJ/m2，f當(dāng)?shù)卮悍只蚯锓炙谠录療崞魇軣崦嫔袭?dāng)月日平均太陽(yáng)輻照量，通過(guò)查表取值0.45； 集熱器集熱效率，取值0.5為管路及貯水箱熱損失率，取值0.25.

經(jīng)公式（1）計(jì)算得出，太陽(yáng)能系統(tǒng)的集熱面積110m2，選用單塊集熱板面積為3.5m2，通過(guò)計(jì)算取值最終選用32塊集熱板，太陽(yáng)能總集熱面積為112m2。

（二）儲(chǔ)熱水箱容積的計(jì)算與水箱材質(zhì)選擇

集熱器采光面積與水箱容積有一定的比例關(guān)系，根據(jù)集熱器集熱效率可推算出每平米集熱器收集的熱量，進(jìn)而計(jì)算加熱水量。在當(dāng)前技術(shù)下，每平方米太陽(yáng)集熱器采光面積大約可生產(chǎn)40～100L熱水，真空管集熱器平均可生產(chǎn)75L熱水，因?yàn)楸疚倪x用推薦比例，即每平方米太陽(yáng)集熱器采光面積對(duì)應(yīng)75L貯熱水箱容積。

水箱容積計(jì)算：考慮到水箱容積的取整與水箱造價(jià)等因素，最終選用2臺(tái)5t圓形水箱，1臺(tái)作為蓄熱水箱，另外1臺(tái)作為供熱水箱。

（三）輔助加熱能量計(jì)算與輔助能源形式選擇

該工程采用電加熱棒輔助加熱作為太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的輔助熱源，加熱功率（節(jié)能運(yùn)行）計(jì)算如下：

（3）

式中：W為加熱It水耗電量，kW；Q。為加熱It水所需小時(shí)耗熱量，W，太陽(yáng)能系統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)取值為8550；1000為換算系數(shù)；為水加熱設(shè)備效率：一般按95%計(jì)算。計(jì)算結(jié)果：W=9kW/t水，供熱水箱水量為5t水，則總電加熱功率應(yīng)為45kW，此加熱功率按照4h將水箱中的水溫升30℃計(jì)算。

（四）管路流量計(jì)算

太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)的流量與選用的集熱器形式及品牌有關(guān)，該參數(shù)一般由廠家提供，調(diào)研市場(chǎng)上主要品牌的參數(shù)，該工程選用單塊集熱器流量為2. 5L/min，則集熱系統(tǒng)的總流量為：

（4）

式中：qxt為集熱系統(tǒng)總流量，L/s；qi為單塊集熱器流量，L/min；n；為集熱器數(shù)量。

（五）系統(tǒng)所需建筑條件

為了保證系統(tǒng)可靠運(yùn)行，根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)建筑需滿足以下條件：

（1）系統(tǒng)上水管DN40提供至水箱附近（即自來(lái)水管，電磁閥E2控制的快速補(bǔ)水管道）；

（2）系統(tǒng)需要在水箱附近提供不小于55kW的三相電源；

（3）在水箱附近預(yù)留熱水供水管及回水管，供水管管徑定位DN40，回水管管徑定位DN25；

（4）建筑結(jié)構(gòu)需要保證屋面承載能力，集熱器的載荷為70kg/mz；

（5）水箱、電磁閥、水泵均置于屋面，水箱對(duì)屋面載

荷約為2t/m2.

五、太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)年運(yùn)行費(fèi)用估算

太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)總運(yùn)行費(fèi)用主要包括輔助能源電費(fèi)、維護(hù)費(fèi)用，系統(tǒng)使用壽命10～15年。針對(duì)該工程，論文分別計(jì)算了太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)每年運(yùn)行費(fèi)用及15年總運(yùn)行費(fèi)用，計(jì)算過(guò)程如下。

（一）總耗電量計(jì)算

太陽(yáng)能系統(tǒng)用電設(shè)備：輔助電加熱，太陽(yáng)能循環(huán)泵供熱循環(huán)泵，水箱循環(huán)水泵，電伴熱帶等。

電加熱耗電量計(jì)算：按全年60d陰雨天氣計(jì)算，每天定時(shí)加熱4h耗電量為：

（5）

太陽(yáng)能循環(huán)泵耗電量計(jì)算：循環(huán)泵型號(hào)PH253 -E，輸入功率為0. 41 kW，以一年360d，每天工作4h作為計(jì)算依據(jù)，耗電量為：

（6）

供熱側(cè)變頻水泵耗電量計(jì)算：選用水泵型號(hào)MHI1803 -1，額定功率為1. 41kW，以一年360d，每天工作8h為計(jì)算依據(jù)，耗申上量為：

（7）

伴熱帶耗電量計(jì)算：伴熱帶耗功率為0. 015kW/m，室外管路長(zhǎng)度估算為150m，以一年電伴熱帶開(kāi)啟時(shí)間為60d，每天啟動(dòng)時(shí)間8h為計(jì)算依據(jù)，耗電量為：

（8）

每年總耗電量：

（9）

按每度電0.6元計(jì)算，每年所耗電費(fèi)為：

（10）

不考慮電價(jià)變動(dòng)因素，15年所耗電費(fèi)估算為：

（11）

（二）設(shè)備老化維護(hù)費(fèi)用

設(shè)備老化維修費(fèi)用，按經(jīng)驗(yàn)值每年2000元計(jì)算，15年總費(fèi)用為：

（12）

六、結(jié)論

本文以某酒店熱水工程作為具體案例，依據(jù)規(guī)范詳細(xì)設(shè)計(jì)了一套標(biāo)準(zhǔn)的太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)，并理論分析了該套系統(tǒng)的節(jié)能效益，為后續(xù)的實(shí)際運(yùn)行節(jié)能效率分析打好基礎(chǔ)。

太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的主要設(shè)計(jì)參數(shù)及節(jié)能效益如下。

（1）集熱器選用普通全玻璃真空集熱管集熱器，總集熱面積112m2，集熱器安裝傾角為45°。

（2）采用圓柱形雙水箱供水方案，每臺(tái)5t，1臺(tái)負(fù)責(zé)蓄熱，1臺(tái)負(fù)責(zé)恒溫供熱。

（3）采用電加熱輔助熱源，電加熱功率為45kWo

（4）建筑應(yīng)滿足集熱器及水箱的承重要求：集熱器的載荷為70kg/mz左右，水箱對(duì)屋面載荷約為2t/mz；同時(shí)滿足管道預(yù)留要求，自來(lái)水上水管DN40，供熱管DN40，回水管DN25，及電源功率預(yù)留要求，55kW。

（5）估算太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)。每年總運(yùn)行費(fèi)用98528元，15年總運(yùn)行費(fèi)用179362. 2元。