太陽能加熱二次回水技術(shù)在集中供熱系統(tǒng)中的應(yīng)用

孫家麗

（天津市津能濱海熱電有限公司，天津 300450）

隨著社會的不斷發(fā)展，人與自然的矛盾愈來愈突出，環(huán)境惡化和能源短缺是目前人們面臨的棘手問題。在我國，煤炭依然是供熱的主要燃料之一，燃煤供熱造成空氣的嚴(yán)重污染，因此發(fā)展新能源，開發(fā)與傳統(tǒng)能源互補(bǔ)的集中供熱技術(shù)將是解決供熱問題的有效方法之一[1]。太陽能取之不盡，用之不竭，具有長久性、再生性、無污染等特點(diǎn)，是一種可利用的理想能源。將太陽能應(yīng)用于集中供熱系統(tǒng)中，有助于減少化石燃料的污染物排放量，減輕大氣污染，保護(hù)生態(tài)環(huán)境[2-4]。

集中供熱系統(tǒng)包括一次供熱系統(tǒng)和二次供熱系統(tǒng)兩部分，其中，一次供熱系統(tǒng)輸送供熱區(qū)域的全部熱量，而二次供熱系統(tǒng)僅輸送對應(yīng)小區(qū)或建筑所需熱量。因此，一次供熱系統(tǒng)規(guī)模較二次供熱系統(tǒng)大，若利用有限空間將太陽能應(yīng)用于一次供熱系統(tǒng)，效果不易于計(jì)量與分析，故將太陽能應(yīng)用于二次供熱系統(tǒng)中，更易于分析太陽能的應(yīng)用效果。

按照我國太陽能資源分布，天津太陽能區(qū)劃為二類地區(qū)，全年日照時(shí)數(shù)大于3000 h，2001年太陽總輻射年平均值為14.53 MJ/m2。天津各區(qū)縣中濱海新區(qū)常年平均實(shí)照時(shí)數(shù)最多，太陽能資源十分豐富，具備太陽能利用條件[5-7]。因此，本文以天津市濱海新區(qū)的華建里換熱站改造為例，對太陽能在集中供熱二次系統(tǒng)中的應(yīng)用加以探討。

1 太陽能在集中供熱二次系統(tǒng)中應(yīng)用的方案比較

為了在冬季將太陽能應(yīng)用于集中供熱二次系統(tǒng)，本研究設(shè)計(jì)了三種方案，分別為：利用太陽能直接加熱補(bǔ)水箱中自來水、利用太陽能加熱二次回水、利用太陽能進(jìn)行跨季節(jié)蓄熱。下面對三種方案進(jìn)行對比分析。

1.1 太陽能直接加熱補(bǔ)水箱中自來水

該方案通過太陽能集熱系統(tǒng)加熱補(bǔ)水水箱內(nèi)的自來水，將熱能儲存于水箱中，隨二次網(wǎng)補(bǔ)水過程，將熱水注入小區(qū)二次網(wǎng)系統(tǒng)中，以達(dá)到利用太陽能的過程。該方案需要對換熱站原有補(bǔ)水箱進(jìn)行保溫改造。同時(shí)，該方案的有效應(yīng)用是建立在供熱小區(qū)日補(bǔ)水量較大的前提下。

1.2 太陽能加熱二次回水

該方案中，太陽能集熱系統(tǒng)與供熱小區(qū)二次網(wǎng)系統(tǒng)并聯(lián)，部分二次網(wǎng)回水通過并聯(lián)管路進(jìn)入集熱器中，吸收太陽能之后，重新與原有二次回水混合，進(jìn)入板式換熱器再次加熱，達(dá)到設(shè)定二次供溫，對外供熱。

1.3 跨季節(jié)蓄熱系統(tǒng)方案

該方案在非采暖季通過太陽能集熱系統(tǒng)加熱蓄熱池內(nèi)的熱媒至一定溫度，待采暖季開始時(shí)將該部分熱量轉(zhuǎn)移至二次網(wǎng)系統(tǒng)中，達(dá)到節(jié)能目的。目前，常見的蓄熱形式主要有顯熱蓄熱、潛熱蓄熱、化學(xué)蓄熱[8-9]。

表1 方案對比分析

綜上所述，方案2更具備可操作性，故選取太陽能加熱二次回水方案研究太陽能在集中供熱二次系統(tǒng)中的應(yīng)用效果。

2 太陽能加熱二次回水系統(tǒng)基本原理

在換熱站中二次回水管道選取適當(dāng)接點(diǎn)，并聯(lián)接入太陽能換熱系統(tǒng)。采暖季期間，太陽能光熱系統(tǒng)收集太陽能轉(zhuǎn)化為熱量補(bǔ)充至二次供熱系統(tǒng)中，從而節(jié)約集中供熱系統(tǒng)能源消耗。另外，考慮夏季等非采暖季期間太陽能光照資源更加豐富，故考慮在非采暖季供熱系統(tǒng)無用熱需求時(shí)，進(jìn)一步將改造后的換熱站補(bǔ)水箱與太陽能光熱系統(tǒng)相連，充分利用太陽能光熱系統(tǒng)制造生活熱水儲存至水箱中，為周邊公建用戶提供熱水資源，實(shí)現(xiàn)全年太陽能的充分利用[10-13]。

3 應(yīng)用案例

3.1 換熱站基本特點(diǎn)

本文選取天津?yàn)I海新區(qū)華建里換熱站作為太陽能加熱二次回水系統(tǒng)改造對象。該換熱站為地上換熱站，周圍建筑物高度小，利于采集太陽能，故于該站屋頂安裝太陽能集熱器。該屋頂尺寸長×寬為14.0 m×12.5 m，考慮檢修通道等空間預(yù)留，可安裝太陽能集熱面積96.25 m2。另外，華建里換熱站站內(nèi)空間充足，具備將屋頂太陽能集熱系統(tǒng)水路與站內(nèi)二次回水系統(tǒng)相接的改造條件，并且具備非采暖季生活熱水儲存水箱放置條件。

3.2 成本分析

參照《民用建筑太陽能熱水系統(tǒng)工程技術(shù)手冊》附錄1資料，天津市太陽能總輻射月平均日輻射量（MJ/m2）如表2所示。

表2 天津市太陽能總輻射月平均日輻射量

太陽能集熱器每月產(chǎn)熱量計(jì)算公式為：太陽能集熱器每月產(chǎn)熱量（MJ/月）=日均輻射量（MJ/m2）×集熱面積（m2）×集熱器效率（%）×每月天數(shù)。

太陽能集熱器每月產(chǎn)生生活熱水計(jì)算公式為：太陽能集熱器每月產(chǎn)生生活熱水量（t）=太陽能集熱器每月產(chǎn)熱量（MJ/月）÷[4.187×（出水溫度（℃）-自來水溫度（℃））]。

太陽能集熱器效率為75%，非采暖季制生活熱水出水溫度為85℃，自來水溫度為10℃，則計(jì)算得到的采暖季產(chǎn)熱量及非采暖季生產(chǎn)生活熱水量如表3所示。

表3 采暖季產(chǎn)熱量及非采暖季產(chǎn)生活熱水量計(jì)算結(jié)果

由表3所知，11月至次年3月為采暖季，共計(jì)5個(gè)月，太陽能集熱系統(tǒng)產(chǎn)熱量合計(jì)為110.32 GJ，而4-10月共計(jì)7個(gè)月為非采暖季，此套太陽能集熱裝置可提供85℃熱水860 t。

華建里2016-2017年采暖季單位面積用熱量為0.27 GJ/（m2·a），按照收取采暖費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)25元/m2計(jì)算，每年采暖季可回收采暖費(fèi)10214.8元；非采暖季期間生產(chǎn)生活熱水按照熱水價(jià)格25元/t計(jì)算，購買自來水價(jià)格為7.9元/t計(jì)算，則每年非采暖季期間可回收熱水費(fèi)用為14706元。因此，全年可收回費(fèi)用合計(jì)為24920.8元/a，按照總投資26萬元計(jì)算，此套系統(tǒng)粗略計(jì)算回收期為10.4 a。

3.3 環(huán)境效益分析

3.3.1 節(jié)省標(biāo)煤量計(jì)算公式

節(jié)省標(biāo)煤量（kg）=太陽能系統(tǒng)產(chǎn)熱量（MJ）÷標(biāo)煤熱值（MJ/kg）÷燃煤鍋爐熱效率（%）

式中，標(biāo)煤熱值取29.298 MJ/kg，燃煤鍋爐熱效率取70%，

3.3.2 燃煤煙塵排放量計(jì)算公式

燃煤煙塵排放量（kg）=[耗煤量（t）×煤的灰分（20%）×灰分中煙塵（20%）×（1-除塵效率80%）]÷（1-煙塵中的可燃物20%）×1000

3.3.3 燃煤SO2排放量計(jì)算公式

SO2排放量（kg）=2×0.8×耗煤量（t）×煤中的含硫量（1.5%）×1000

3.3.4 燃煤NOx排放量計(jì)算

NOx排放量（kg）=1.63×耗煤量（t）×（燃煤中氮的含量（1.5）×燃煤中氮的NOx轉(zhuǎn)化率（25%））×1000

按照上述公式計(jì)算，得到的減排數(shù)值如表4所示。

表4 太陽能加熱二次回水系統(tǒng)全年環(huán)保效益分析結(jié)果

4 結(jié)論

研究結(jié)果表明，太陽能加熱二次回水技術(shù)在集中供熱系統(tǒng)中的應(yīng)用具有一定的可行性。選取周圍建筑物高度小、日照時(shí)間長、太陽能獲取量較高的地上換熱站，在站房屋頂進(jìn)行太陽能系統(tǒng)加熱二次回水系統(tǒng)改造，全年對太陽能加以利用，有助于減少化石燃料的污染物排放量，減輕我國大氣污染，保護(hù)生態(tài)環(huán)境。