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大型太阳能热水工程

全面技术分析-太阳能供暖系统设计方案

2011-10-20 14:34:38 来源:热水工程网 浏览:8526

太阳能资源利用

在国外,太阳能供暖已能够成为太阳能资源利用的主要发展方向,欧洲各国对太阳能

供暖给予较高的重视,到2005年共安装1536m3太阳能集热器,太阳能供暖系统约占集

热器总量的20%,每年新建太阳能供暖系统12万个,可节约能源20%~60%。国际能源

机构在2001年指出,全球太阳能供暖系统每年提供的能量折合电力约为4.2万MWh。我

国属太阳能资源丰富的国家之一,年辐射总量大约在3300-8300兆焦/(m2?a),全国

2/3以上面积地区年日照小时数大于2000小时,每年陆地接收的太阳辐射能相当于2.4

万亿吨标准煤。

随着国民经济的发展,能源需求量日益增加,能源利用情况紧张,而常规能源的大量

使用必将对环境造成不利影响,太阳能作为可再生能源的一种,取之不尽,用之不竭

,将成为未来能源结构中的重要组成部分;利用太阳能资源来满足供暖要求,提高太

阳能系统全年的利用率,将对我国建筑节能有着非常积极的作用,是今后太阳能光热

利用的新方向,因此,太阳能采暖技术越来越受到人们的重视。

3.太阳能供暖系统设计

3.1太阳能供暖系统设计概况

太阳能供暖系统是指以太阳能作为采暖系统的热源,利用太阳能集热器将太阳能转换

成热能,供给建筑物冬季采暖和全年生活热水的系统。典型的太阳能供暖系统主要设

备应由以下几部分组成:

⑴ 太阳能集热器及辅助加热设备

太阳能集热器是吸收太阳辐射并向载热工质传递热量的主要设备装置,辅助加热设备

补充供暖系统中太阳能集热器不能满足的热量,目前国内为供暖系统提供热量的太阳

能集热器,主要有平板型集热器、全玻璃真空管集热器、热管真空管集热器3种类型

为供暖系统提供热量的辅助加热设备主要有空气源热泵、燃气壁挂炉、电锅炉、水源

热泵等加热热水设备。

⑵ 贮热(蓄热器)换热设备

太阳能供暖系统一般应设置小型的贮热水箱、生活热水箱,辅助换热设备应设置在贮

热水箱内;贮热装置是储存热水并减少向周围散热的装置,一定的热水蓄热量主要满

足夜间供热,使室内温度不至于有过大波动。贮热装置的容量需热工计算确定。

⑶ 供暖未端   

太阳能供暖系统末端也称之为散热设备或装置。由于太阳能热密度较低,集热温度很

难达到较高水平,提供的热水温度一般在50℃以下,未端散热装置首选地面辐射供暖

,其次为风机盘管,一般不宜采用散热器。

⑷ 系统控制

太阳能供暖控制系统较为复杂,它由一套PLC多点控制箱组成,分别采集、控制集热

器、辅助加热设备、循环水泵等数据的输入与控制执行部件。

3.2 太阳能集热器面积与供暖面积配比

太阳能集热器面积与供暖面积所占比例定位在设计中非常关键,它与首次工程投资及

运行费用有关。因此,根据太阳能集热器面积与供暖面积配比应考虑以下几个问题:

⑴ 住宅建筑的供暖负荷;⑵ 太阳能总集热量(总集热量=有效太阳得热量-热量损失

);⑶ 供暖系统的经济效益;⑷ 夏季生活热水的使用。


因冬季太阳能辐射能力及安装面积有限,因此对房屋建筑结构保温的要求较高,目前太阳能集热器冬季每平米平均日得热量只有2.4kW,如果建筑结构的耗热功率40W/m2时,那么太阳能采暖根本无法使人接受,如果结构耗热功率在20.4W/m2时,那么每平米太阳能集热器就能够带动4m2的供暖面积,如果今后房屋结构按65%节能标准实施,耗热功率在16.8W/m2时,每平米太阳能集热器就能带动6.3m2的采暖面积。

  太阳能集热器面积太小,辅助加热设备供暖负荷增大,本供暖系统不称之太阳能供暖系统。反之,太阳能集热器面积太大,初投资成本提高,回收年限增长,经济效益降低。另外,夏季生活热水产生过多造成浪费。因此,怎样将太阳能供暖的贡献率取量较适宜,投资经济合理?下面以北京市太阳能采暖承担建筑采

暖比例结合表一进行分析。

太阳能集热器的匹配选型主要是根据住宅建筑的总耗热量来计算的。以全玻璃真空太

阳集热管为例,其能量平衡方程(总集热量=有效太阳得热量-热量损失)为:

MCP(T2-T1)=ταIAa-UL(T2-T1)ΔtAL           (1)

 

根据相关资料得知,真空集热管产品的有关参数为:τ=0.88、α=0.90、Aa=0.062m2

、AL=0.137m2、UL=0.9W/m2℃(平均水温45℃时)。


全玻璃真空太阳集热管中水温从T1上升到T2所需太阳曝辐量的计算式:

I=(T2-T1)(MCP+ULΔtAL)/ταAa(kJ/m2)  (2)

 

太阳能供暖系统未端选用地板辐射采暖,热媒温度为40℃,供回水温差为10℃。根据

真空太阳集热管的实际运行经验得知,选取T1采暖回水温度为25℃,T2采暖供水温度

为33℃,M=1kg,Δt=1h。由式(2)可求出1小时内全玻璃真空集热管中每公斤水从25℃

上升到33℃所需的太阳曝辐量为I=701(kJ/m2)。北京地区冬季每平米的日照辐射量

9MJ,可以用来将135.5kg的水提升8℃。平均每平米每小时采暖所需循环水量为

1.13kg。计算得知见表二,每平方米真空太阳集热管的实际热量3.9kW/m2?d,系数

0.062,实际热量2.43kW/m2?d。由此得出太阳能贡献率30%的情况下,采暖面积与集

热面积之比为0.083。由于系统中采用二次循环方式换热,考虑换热效率及管路损耗,

我们确定实际采暖面积与集热器铺设面积应用比为1:5至1:10之间。另外,从表二贡

献率对比表中得知不同的太阳能集热器冬季太阳能综合贡献率有所不同,因此,在太

阳能供暖系统设计中选择合适的太阳能集热器是非常重要的。

 注:太阳能得热量=每天太阳能辐射量*太阳能转换效率*转换功率系数;太阳能集热

器日均热损=管内平均温度-环境平均温度。

建筑结构保温是太阳能采暖应用的关键,因冬季太阳能辐射能力及安装面积有限,因

此对房屋建筑结构保温的要求较高,目前太阳能集热器冬季每平米平均日得热量只有

2.2kW,如果建筑结构的耗热功率为40W/m2时,那么太阳能采暖根本无法使人接受,

如果结构耗热功率在20.6W/m2时,那么每平米太阳能集热器就能够带动4m2的采暖面

积,人们开始接受太阳能集热器采暖系统每平米采暖费用应在20元左右。如果今后房

屋结构按65%节能标准实施,每平米太阳能集热器就能带动6.3m2的采暖面积,每平米

采暖费用应在15元以下,在热泵技术的支持下这一目标一定能达到。

3.3 辅助加热设备的选择

太阳能来自太阳辐射,由于太阳辐射受昼夜、季节、纬度和海拔高度等自然条件的限

制,除此以外,阴雨天气等随机因素的影响,存在较大的间歇性和不稳定性,因此在

太阳能供暖系统中,必须设置辅助加热设备。

辅助加热设备要根据当地太阳能资源条件,常规能源的供应状况、建筑物热负荷和周

围环境条件等因素,做综合经济性分析,以确定适宜的辅助加热设备。太阳能供暖系

统中可以选择的辅助热源主要有小型燃气壁挂炉,城市热网或区域锅炉房、空气源热

泵、地源热泵及生物质燃料等。据文献介绍,除农村热网及燃气管线不易到达,油、

电价格又偏高的情况下,辅助热源采用生物质燃料。如北京平谷区挂甲峪村,辅助热

源用生物质锅炉提供,采用生物质压块成型设备,把当地的果木修剪枝条粉碎后压缩

成燃料棒或燃料块,作为生物质锅炉燃料。这种生物质压缩成型燃料比传统的生物质

燃烧密度高,燃烧效率高,储藏也较容易,使用时劳动强度小,是一种较好的辅助热

源方式。

3.4 太阳能供暖系统设计范例

据文献介绍,目前国内太阳能供热水系统技术比较成熟,太阳能供暖系统还刚刚起步

,在供暖系统上的问题还存在很多误区需要研究,作者通过已实施的工程了解到太阳

能供暖系统由于设计不合理,而采用较大的储热水箱蓄热,增加占地面积及投资费用

,没有充分利用太阳能低温运行的特点,有效地将热量最大散失在室内,另外,北方

地区夜间防冻、夏季真空管集热器爆管等问题常期困惑太阳能供暖的技术发展,如图

一所示。因此,作者从国外及国内多项太阳能供暖系统中进行优化组合,总结出适合

于中国国情的一套较完善的太阳能供暖系统。已在部分工程得到应用,证明本太阳能

供暖系统设计合理、运行可靠。
如图2所示,作者认真总结国外及国内已运行的太阳能热水系统,采用先进的理念设

计一套较完善的太阳能供暖系统,辅助加热设备选用空气源热泵。这套系统已投入运

行,反映良好,现将这套系统设计特点及运行原理作如下阐述。

  3.4.1 太阳能热水系统设计理念

见图1所示,本套太阳能供暖系统在冬季提供部分供暖热源,非供暖期提供足量的生

活热水,夏季利用空气源热泵制冷冷源,提供室内供冷冷量,确保夏季室内达到舒适

的环境。因此,这套太阳能供暖系统是集供暖、洗浴、制冷于一体的联合系统,也可

称为三位一体太阳能综合应用系统。

3.4.2

太阳能热水系统控制技术
 
(1)太阳能集热循环采用温差控制,强制循环的落空系统,较好的解决了北方地区夜

间或阴天太阳能集热器内存水冻裂问题。其工作原理是将太阳能集热器和供暖水箱的

温度控制集热器一次循环泵启停,当集热器温度高于供暖水箱设定值时,一次循环泵

启动,太阳能集热器优先不断将生活水箱加热,生活水箱内温度达到设定值时关闭阀

门,此时太阳能集热器不断将供暖水箱中的热水加热,当温差低于设定值时,一次循

环泵停止,室外太阳能集热器和系统中的水受重力作用回落至供暖水箱,采用系统落

空技术替代了国内外常采用的防冻液防冻措施,防止太阳能集热器和管道系统腐蚀,

并达到冬季集热器内及系统中存水冻裂问题,从而减少工程造价,已通过工程实际运

行证明,本系统防冻简单、运行可靠。

(2)供暖水箱与供暖未端辐射供暖地面设有二次循环泵,当集热器收集热量进入供暖

水箱时,二次循环泵立即启动,取消了中间换热过程,提高了热水系统效率,充分利

用太阳能低温运行的特点,有效地将热量输送到室内地面,减小供暖水箱体积,节省

工程投资。供热水箱体积应通过计算确定,供暖水箱选型时应考虑太阳能集热器、供

暖水箱至集热器之间管道系统的存水量。

(3)本系统较好的将集热器与供暖末端最佳搭配。供暖未端选用了地板低温辐射供暖

技术,地板采暖所需要的低温热水在35~55℃之间,正好是太阳能集热器所能提供的

适合温度。另外,在地板供暖系统中将供暖水箱中的热能传送给地板,以加热盘管为

散热体,以整个填充层及地面作为散热面,将地面视为一个极大的储能元件(贮水箱

),将太阳能集热有效热量源源不断地输送至地面,使其以辐射方式传播至室内从而

达到采暖、储能的目的。

使用地板供暖末端贮存热量有两个功能,一是冬季利用太阳辐射较强的蓄热功能,第

二当太阳能集热器夜间及阴雨天无太阳辐射时,利用地板供暖末端已贮存的热量释放

至室内,确保室内温度达到设计要求,因此,将太阳能集热器与地板低温辐射未端组

成供暖系统应是最佳的选择。

4.结论

经过以上的分析,得出以下的结论:

4.1 本太阳能供暖系统设计方案,为冬季提供部分供暖热量,夏季采用空气源热泵,

为夏季提供空调冷量,一年四季提供足量生活热水,设计方案切实可行,是今后太阳

能光热利用的重要趋势之一,将逐步解决日益紧缺的能源问题。因此,本设计方案将

越来越受到人们的欢迎。

4.2 太阳能供暖系统设计方案,应综合供暖效果,太阳能供暖系统的规摸不宜太大,

太阳能贡献率一般控制在60%以下,太阳能集热器面积和建筑供暖面积比值一般在1:5

至1:10之间。

4.3 太阳能供暖系统一次循环泵停泵,应采用系统落空技术,供暖水箱体积应与集热

器面积及管道系统相匹配。

由此可见,太阳能供暖系统已在民用住宅建设项目中得到应用,特别是在太阳能热水

、供暖等大中型工程中,在商业运作上也逐渐表现出市场的巨大潜力。但是,太阳能

供暖系统的设计必须遵守有关原则,首先应考虑太阳能供暖系统与建筑的结合,力争

达到太阳能建筑一体化;另外,必须应是节能建筑物,减少太阳能供暖系统投资,除

此以外,太阳能供暖系统更适合无集中供暖系统的住宅,独立别墅和多层的公共建筑

上,使投资回收期合理、节能效果明显,而且不会对大气环境造成污染,为改善空气

质量做贡献,也为扩大太阳能这种清洁能源在建筑上的应用提供了更加广阔的空间。

特别是一般采用燃油、燃煤或电为辅助热源的供暖方式时,太阳能与地板辐射供暖系

统联合运行因其运行费用较低、节能效果明显、不污染环境,具有很大的优势,将越

来越受到人们的欢迎。

总之,只有先进创新的太阳能供暖系统设计理念,才能建设资源节约型、环境友好型

、节能降耗型的现代太阳能供暖产业。提高太阳能资源利用率、使用率和投资经济效

益,始终是我们太阳能供暖设计工作的理念。

 

 


 

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