太陽(yáng)能燃?xì)忮仩t耦合供能恒溫泳池系統(tǒng)模擬與研究

周 鑫, 孟 欣

陜西理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 陜西 漢中 723000

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,人們生活水平不斷提高,游泳作為一項(xiàng)廣受大家喜愛(ài)的體育運(yùn)動(dòng),在全民的普及范圍越來(lái)越大,而恒溫泳池甚至成為很多小區(qū)和學(xué)校的標(biāo)配?，F(xiàn)有的恒溫泳池常選用鍋爐或熱泵作為供熱設(shè)備為其提供恒溫?zé)崴?高能耗伴隨著高成本,既增大了業(yè)主的使用成本,也不利于我國(guó)“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。而太陽(yáng)能作為一種免費(fèi)的綠色可再生能源具有巨大的節(jié)能和環(huán)保優(yōu)勢(shì),因此將綠色可再生的太陽(yáng)能與燃?xì)忮仩t或熱泵高效集成,采用耦合供能的方式為泳池提供恒溫?zé)崴约跋丛崴?將有效降低系統(tǒng)對(duì)天然氣或電能的消耗。

陜西省西安市地處關(guān)中平原中部,屬暖溫帶半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候,冷暖干濕四季分明。本文以西安地區(qū)為例,采用太陽(yáng)能天然氣鍋爐耦合方式為泳池提供恒溫?zé)崴约跋丛崴?并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行建模,使用POLYSUN軟件對(duì)系統(tǒng)全年運(yùn)行過(guò)程進(jìn)行模擬,探究溫帶半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候地區(qū)不同季節(jié)及室外環(huán)境溫度對(duì)太陽(yáng)能出力的影響,以及在太陽(yáng)能介入的情況下,系統(tǒng)的節(jié)能經(jīng)濟(jì)效益。目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)在太陽(yáng)能燃?xì)忮仩t或者太陽(yáng)能熱泵的耦合方式[1-3]、系統(tǒng)節(jié)能情況[4-7]、運(yùn)行狀態(tài)[8-9]等方面進(jìn)行了一些研究,但是針對(duì)傳統(tǒng)燃?xì)忮仩t為恒溫泳池提供恒溫?zé)崴约跋丛崴哪芎妮^高,燃燒還會(huì)產(chǎn)生溫室氣體。本文提出太陽(yáng)能燃?xì)忮仩t耦合應(yīng)用為恒溫泳池提供恒溫?zé)崴约跋丛崴?進(jìn)一步降低系統(tǒng)綜合能耗。

1 太陽(yáng)能燃?xì)忮仩t耦合系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)耦合方式

本文提出的太陽(yáng)能燃?xì)忮仩t耦合系統(tǒng)是在傳統(tǒng)的燃?xì)忮仩t恒溫泳池?zé)崴到y(tǒng)的基礎(chǔ)上引入一套太陽(yáng)能集熱系統(tǒng),通過(guò)緩沖水箱以及控制閥,實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能燃?xì)忮仩t高效耦合為恒溫泳池提供熱能。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)在保證恒溫泳池水溫要求以及洗浴熱水的基礎(chǔ)上,首先充分利用免費(fèi)的太陽(yáng)能為系統(tǒng)提供熱源,當(dāng)遇到太陽(yáng)能不足時(shí)燃?xì)忮仩t啟動(dòng)為系統(tǒng)補(bǔ)充熱能。

1.2 太陽(yáng)能燃?xì)忮仩t耦合系統(tǒng)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)如圖1所示的太陽(yáng)能燃?xì)忮仩t耦合系統(tǒng),主要包括太陽(yáng)能集熱器、蓄熱水箱、燃?xì)忮仩t、板式換熱器、洗浴熱水端和泳池供熱端。基于安全優(yōu)先的考慮,太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)、洗浴熱水系統(tǒng)和泳池供熱系統(tǒng)均采用間接換熱方式。

圖1 太陽(yáng)能燃?xì)忮仩t耦合系統(tǒng)

1.2.1 恒溫泳池?zé)嶝?fù)荷計(jì)算

恒溫泳池?zé)嶝?fù)荷計(jì)算依據(jù)為《游泳池給水排水工程技術(shù)手冊(cè)》[10],維持泳池恒溫的總熱量需求Q總由下式計(jì)算:

Q總=Qc+Qz+Qb+Qcr,

(1)

式中,Qc為池水初次加熱所需熱量,Qz為泳池池水表面蒸發(fā)損失的熱量,Qb為補(bǔ)充水加熱所需的熱量,Qcr為泳池水面、池壁、池底傳導(dǎo)熱損失和管道熱損失。

池水初次加熱所需熱量Qc由下式計(jì)算:

Qc=Vcρc(Td-Tf),

(2)

式中,Vc為泳池的池水容積,此處選用3 600 000 L;ρ為水的密度,此處取0.999 7 kg/L;c為水的比熱容,此處取4.186 8 kJ/(kg·℃);Td為泳池設(shè)計(jì)溫度,此處取26 ℃;Tf為泳池初次注水水溫,按初次注入水溫10 ℃計(jì)算。算出泳池初次加熱所需熱量Qc=66 968.7 kWh。初次加熱時(shí)間按48 h計(jì)算,則每小時(shí)需熱量為1 395 kW。

泳池池水表面蒸發(fā)損失的熱量Qz由下式計(jì)算:

(3)

式中,β為壓力換算系數(shù),此處取133.32 Pa;γ為與池水溫度相等的飽和蒸汽的蒸發(fā)汽化潛熱,單位kJ/kg;vw為池水表面風(fēng)速,單位m/s;Pb為與池水溫度相等的飽和空氣的水蒸汽氣壓力,單位Pa;Pq為游泳池環(huán)境空氣的水蒸汽分壓,單位Pa;B/B′為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓與當(dāng)?shù)卮髿鈮罕戎?As為游泳池的水面面積,此處取1 500 m2。算得Qz為215.5 kW。

補(bǔ)充加熱所需的熱量Qb由下式計(jì)算:

Qb=ρcVb(Td-Tf)/t,

(4)

式中,Vb為池水補(bǔ)水量,池水補(bǔ)水量按池水容積的5%計(jì),此處為18 000 L/d;t為加熱時(shí)間,此處取24 h。算得Qb為139.5 kW。

泳池水面、池壁、池底傳導(dǎo)熱損失和管道熱損失,取池水面積熱損失的20%,算得Qcr為43.1 kW。

最后算得恒溫的總熱量需求Q總為1 793 kW。

1.2.2 熱水負(fù)荷計(jì)算

一天的生活熱水負(fù)荷Qd由下式計(jì)算:

(5)

式中,c為50 ℃水的比熱容,取4.178 kJ/(kg·℃);q為熱水用水定額,根據(jù)《建筑給排水設(shè)計(jì)規(guī)范》[11]規(guī)定,50 ℃水溫時(shí)每天人均生活熱水定額在49～98 L/(人·天),此處取50 L/(人·天);ρ為50 ℃時(shí)水的密度,此處取988.1 kg/m3;tr為生活熱水的熱水溫度,此處取50 ℃;t1為生活熱水的冷水溫度,此處取5 ℃;m為用水人數(shù),此處取30。

計(jì)算得出一天的生活熱水負(fù)荷Qd為3.2 kW。

系統(tǒng)的總負(fù)荷QH為1 796.2 kW。

1.2.3 太陽(yáng)能集熱器面積計(jì)算

因西安地區(qū)冬季溫度較低,太陽(yáng)能集熱循環(huán)采用間接供熱方式向恒溫泳池供熱,間接系統(tǒng)集熱器面積計(jì)算如下:

(6)

1.3 設(shè)備選型

1.3.1 太陽(yáng)能集熱器

通過(guò)用POLYSUN軟件對(duì)選擇不同面積太陽(yáng)能集熱器的太陽(yáng)能燃?xì)忮仩t耦合系統(tǒng)進(jìn)行模擬,太陽(yáng)能集熱器的面積分別為300、350、400、450 m2。根據(jù)表1,比較使用不同面積太陽(yáng)能集熱器的耦合系統(tǒng)所節(jié)省燃料最大量,以及考慮投資和冬季太陽(yáng)輻射情況,最終選取了某公司品牌平板型集熱器200塊,單塊規(guī)格為2 m×1 m,單塊采光面積1.8 m2,總面積400 m2,單位面積流量15 L/(h·m2),安裝傾角45 °。導(dǎo)熱流體采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)33.3%下的丙烯混合物。

表1 不同面積太陽(yáng)能集熱器參數(shù)比較

1.3.2 燃?xì)忮仩t

由于平板集熱器容易受到外界環(huán)境、氣候等因素的影響,不能保證足夠的太陽(yáng)能輻射,采用燃?xì)忮仩t補(bǔ)充熱能,以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。燃?xì)忮仩t選用某公司500 kW帶內(nèi)置泵的燃?xì)忮仩t,該燃?xì)忮仩t熱效率90%,功率500 kW,最小功率80 kW,流量43 000 L/h,質(zhì)量560 kg,安全溫度140 ℃。該燃?xì)忮仩t產(chǎn)生的熱量最小值大于泳池恒溫總熱量需求,如遇極端天氣,太陽(yáng)能集熱器無(wú)法正常工作,燃?xì)忮仩t也可獨(dú)立供熱滿(mǎn)足供熱需求。

1.3.3 蓄熱水箱

蓄熱水箱主要為恒溫泳池提供熱水時(shí)起到儲(chǔ)存熱水的作用,該系統(tǒng)中選擇國(guó)內(nèi)某公司生產(chǎn)容積2 000 L的蓄熱水箱,該水箱材料為鋼,墻體厚度2.5 mm,水箱頂和底厚度均為100 mm,水箱高度2.5 m,保溫材料采用100 mm厚硬聚氨酯泡沫。

1.4 泳池設(shè)計(jì)參數(shù)

根據(jù)上面的理論分析,本文選取西安地區(qū)某地下一層游泳訓(xùn)練館燃?xì)忮仩t供能下的恒溫游泳池為實(shí)驗(yàn)研究對(duì)象。在此基礎(chǔ)上搭建太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)與燃?xì)忮仩t共同作為恒溫泳池的供能設(shè)施,利用蓄熱水箱、循環(huán)管路、換熱器、泵以及控制器設(shè)備對(duì)供能系統(tǒng)進(jìn)行耦合。表2為該室內(nèi)恒溫泳池設(shè)計(jì)參數(shù)。表3為太陽(yáng)能燃?xì)忮仩t耦合供能恒溫泳池主要設(shè)計(jì)參數(shù)。

表2 室內(nèi)泳池設(shè)計(jì)主要參數(shù)

表3 太陽(yáng)能燃?xì)忮仩t耦合供能恒溫泳池主要設(shè)計(jì)參數(shù)

2 系統(tǒng)建模分析

2.1 方案建模

本文所采用模擬軟件為瑞士國(guó)際太陽(yáng)能測(cè)試中心研發(fā)的太陽(yáng)能系統(tǒng)模擬軟件POLYSUN。模型調(diào)用軟件庫(kù)中西安地區(qū)的氣象數(shù)據(jù),并對(duì)太陽(yáng)能燃?xì)忮仩t恒溫泳池系統(tǒng)全年運(yùn)行情況進(jìn)行模擬,并對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行分析。圖2為太陽(yáng)能燃?xì)忮仩t耦合供能恒溫泳池系統(tǒng)圖。系統(tǒng)通過(guò)主緩沖水箱向泳池供熱以及洗浴熱水,其中燃?xì)忮仩t直接與主緩沖水箱相連,太陽(yáng)能集熱回路以間接換熱方式與主緩沖水箱相連,泳池恒溫水通過(guò)板式換熱器提取主緩沖水箱熱量。

圖2 太陽(yáng)能燃?xì)忮仩t耦合供能恒溫泳池系統(tǒng)

2.2 溫控啟?？刂?/h3>

太陽(yáng)能燃?xì)忮仩t恒溫泳池系統(tǒng)中,當(dāng)太陽(yáng)輻射較強(qiáng)時(shí),太陽(yáng)能集熱器為蓄熱水箱提供加熱;當(dāng)太陽(yáng)輻射較弱,太陽(yáng)能集熱器無(wú)法滿(mǎn)足泳池?zé)崴枨髸r(shí),燃?xì)忮仩t介入?yún)⑴c供熱,輔助加熱控制器控制燃?xì)忮仩t的啟停,輔助加熱控制器的啟動(dòng)差值為5 ℃,斷開(kāi)差值為10 ℃。即當(dāng)蓄熱水箱溫度低于燃?xì)忮仩t加熱設(shè)定溫度5 ℃時(shí),輔助加熱控制器控制燃?xì)忮仩t啟動(dòng)參與供熱;當(dāng)太陽(yáng)能集熱器出口溫度高于設(shè)定溫度10 ℃時(shí),說(shuō)明太陽(yáng)能輻射較強(qiáng),太陽(yáng)能集熱器可以獨(dú)自滿(mǎn)足供熱需求,輔助加熱控制器控制燃?xì)忮仩t停止供熱。

2.3 模擬結(jié)果分析

2.3.1 系統(tǒng)能耗分析

運(yùn)行系統(tǒng)得到圖3—圖5的溫度模擬圖。圖3和圖4分別選取2021年1月和7月中典型的一個(gè)周作為時(shí)間變量對(duì)集熱器出口溫度與平均室外溫度進(jìn)行模擬,由于夏季室外溫度較高,水表面散熱量較少,夏季泳池溫度高于冬季。隨著室外溫度的提高,集熱器出口溫度呈增高趨勢(shì),并會(huì)隨著晝夜交替呈現(xiàn)峰谷狀態(tài)。夏季的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度高于冬季,故而冬季典型周集熱器有效利用的時(shí)間約為50 h,而夏季典型周集熱器有效利用的時(shí)間約為110 h,說(shuō)明在夏季典型周集熱器主要為系統(tǒng)供熱。

圖3 2021年1月12—18日集熱器出口溫度與平均室外溫度模擬

圖4 2021年7月12—18日集熱器出口溫度與平均室外溫度模擬

圖5 系統(tǒng)耦合供能各回路溫度模擬值

圖5為太陽(yáng)能燃?xì)忮仩t耦合系統(tǒng)全年運(yùn)行時(shí)間段內(nèi)泳池水溫、太陽(yáng)能集熱回路溫度、鍋爐供水溫度、室外環(huán)境溫度、冷水溫度的模擬數(shù)據(jù)。觀察發(fā)現(xiàn)冷水溫度與室外環(huán)境溫度變化趨勢(shì)相同,但要維持恒溫泳池水溫為始終保持設(shè)定的26 ℃,需要鍋爐與太陽(yáng)能集熱共同作為系統(tǒng)能源供給方,并隨著太陽(yáng)能供應(yīng)熱量比重的增加可有效降低鍋爐的使用時(shí)間,進(jìn)而降低系統(tǒng)對(duì)燃料和電能的消耗。

太陽(yáng)能燃?xì)忮仩t耦合系統(tǒng)2021年各月能耗如圖6、圖7所示,一年內(nèi),系統(tǒng)的總能量消耗量主要來(lái)自太陽(yáng)能集熱器提供給系統(tǒng)的光熱能量。從圖6中可以看出在4—10月份太陽(yáng)能作為主要能量來(lái)源為泳池提供能量,均在10 000 kWh以上,太陽(yáng)輻射強(qiáng)度逐漸增強(qiáng),太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)可及時(shí)為泳池提供熱水,減少了燃?xì)忮仩t的使用時(shí)間,從而降低燃?xì)獾南?。相?在低溫的幾個(gè)月里太陽(yáng)輻射強(qiáng)度減弱,供給系統(tǒng)光熱能量減少,基本都小于10 000 kWh,太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)不足以保證泳池水溫,增加了燃?xì)忮仩t使用時(shí)間,燃?xì)忮仩t所消耗的燃料和電能明顯增加,消耗的燃料和電能均在800 kWh以上。

圖6 供給系統(tǒng)光熱能量 圖7 燃?xì)忮仩t所消耗的燃料和電能

2.3.2 系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性分析

該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的使用壽命為20年,通過(guò)觀察表4數(shù)據(jù)可知,相較于傳統(tǒng)的燃?xì)忮仩t提供恒溫?zé)崴约跋丛崴?用太陽(yáng)能燃?xì)忮仩t耦合系統(tǒng)在一年中可以減少消耗天然氣14 598.5 m3,按2021年西安市非居民天然氣銷(xiāo)售價(jià)格2.67元/m3計(jì)算,相較于傳統(tǒng)的燃?xì)忮仩t系統(tǒng)一年可以節(jié)約燃?xì)赓M(fèi)用38 978元,還可減少二氧化碳排放35 499 kg。太陽(yáng)能燃?xì)忮仩t耦合系統(tǒng)與傳統(tǒng)的燃?xì)忮仩t比較不僅減少了天然氣的消耗還可以極大地降低對(duì)環(huán)境的影響。

表4 系統(tǒng)節(jié)能概括

通過(guò)使用一種比較簡(jiǎn)單的靜態(tài)經(jīng)濟(jì)評(píng)估法,以投資回收時(shí)間作為評(píng)估指標(biāo),該方法主要以設(shè)備成本和運(yùn)行費(fèi)用為主。太陽(yáng)能燃?xì)忮仩t耦合系統(tǒng)是在傳統(tǒng)燃?xì)忮仩t系統(tǒng)的基礎(chǔ)上耦合了太陽(yáng)能平板集熱器,太陽(yáng)能平板集熱器的按市面350元/m2計(jì)算,增加的初投資為140 000元;太陽(yáng)能燃?xì)忮仩t耦合系統(tǒng)節(jié)省的年運(yùn)行費(fèi)用為38 978元。投資回收期等于增加的初投資比運(yùn)行費(fèi)用為3.6年,在20年的使用壽命期限內(nèi)太陽(yáng)能燃?xì)忮仩t耦合系統(tǒng)節(jié)省費(fèi)用可達(dá)639 560元。

3 結(jié)論

本文基于安全使用的原則,設(shè)計(jì)了太陽(yáng)能燃?xì)忮仩t耦合系統(tǒng),是在傳統(tǒng)的燃?xì)忮仩t恒溫泳池?zé)崴到y(tǒng)的基礎(chǔ)上引入一套太陽(yáng)能集熱系統(tǒng),以板式換熱器為供暖熱水提供能量補(bǔ)償,并采用POLYSUN軟件對(duì)該系統(tǒng)方案的全年運(yùn)行工況進(jìn)行了模擬和對(duì)比分析,結(jié)果發(fā)現(xiàn):

1)利用太陽(yáng)能集熱器耦合燃?xì)忮仩t比傳統(tǒng)燃?xì)忮仩t提供恒溫?zé)崴约跋丛崴袃?yōu)勢(shì),該系統(tǒng)在建設(shè)運(yùn)行當(dāng)年即可減少消耗天然氣14 598.5 m3,按2021年西安市非居民天然氣銷(xiāo)售價(jià)格2.67元/m3計(jì)算,當(dāng)年節(jié)約燃?xì)赓M(fèi)用38 978元,投資回收期為3.6年,在使用壽命期限內(nèi)節(jié)省費(fèi)用可達(dá)639 560元,該系統(tǒng)具有良好的節(jié)能效益。

2)使用太陽(yáng)能燃?xì)忮仩t耦合系統(tǒng)可以顯著減少CO2排放量,在當(dāng)年內(nèi)可以減少CO2排放量35 499 kg。因此,該系統(tǒng)具有良好的減排效益。

3)在實(shí)際應(yīng)用中,太陽(yáng)能集熱器面積與系統(tǒng)后期運(yùn)行費(fèi)用呈反比關(guān)系,前期系統(tǒng)太陽(yáng)能集熱器面積越大,后期運(yùn)行成本也就越低。但隨著集熱器面積的逐漸增大,系統(tǒng)的初始投資也越大,對(duì)外部環(huán)境的要求也越高,所以要根據(jù)具體的施工情況,合理選取太陽(yáng)能集熱器面積。