節(jié)能型太陽能熱水系統(tǒng)的設(shè)計與研究

1、節(jié)能型太陽能熱水系統(tǒng)的設(shè)計與研究周程生黃凱旋李品芳(集美大學(xué)輪機(jī)工程學(xué)院福建廈門361021)摘要本文根據(jù)作者在設(shè)計工作中的體會詳細(xì)討論了節(jié)能型太陽能熱水系統(tǒng)設(shè)計過程中需要注意的問題及解決方法簡要分析了其節(jié)能效果對從事該工作的人員有實際參考意義。關(guān)鍵詞太陽能熱水系統(tǒng)節(jié)能中圖分類號:TK51315文獻(xiàn)標(biāo)識碼:B文章編號:10073132(2003)030048031引言隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的快速發(fā)展作為戰(zhàn)略資源的常規(guī)能源日趨緊缺全球環(huán)保意識日

2、益增強(qiáng)太陽能的利用越來越受到重視。太陽能熱水器及其系統(tǒng)以其獨(dú)特的節(jié)能及環(huán)保優(yōu)勢越來越廣泛地被人們所認(rèn)同太陽能熱水系統(tǒng)的設(shè)計與建造技術(shù)也在不斷地完善。但是由于目前太陽能熱水系統(tǒng)的設(shè)計沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)可循許多太陽能熱水系統(tǒng)的建造者根據(jù)自己的經(jīng)驗進(jìn)行設(shè)計、建造積累了許多寶貴的資料。然而由于承建者的設(shè)計、建造水平差異亦留下了不少的遺憾。本文就作者近幾年在太陽能熱水系統(tǒng)設(shè)計建造過程中的一些體會提出來進(jìn)行討論并對系統(tǒng)的節(jié)能效果進(jìn)行簡要分析。我們認(rèn)為一

3、個具有較好熱性能的太陽能熱水系統(tǒng)應(yīng)該具備下列特點(diǎn):滿足用戶基本使用要求適合現(xiàn)場條件的高效率的集熱元件合理的系統(tǒng)設(shè)計最大限度地發(fā)揮太陽能熱效能盡可能降低輔助能源的消耗完善的控制系統(tǒng)可靠的結(jié)構(gòu)、運(yùn)行設(shè)備配備高水平的安裝質(zhì)量。2太陽能熱水系統(tǒng)使用環(huán)境合適的環(huán)境是使用太陽能熱水系統(tǒng)的基本條件在設(shè)計過程中應(yīng)考慮其影響具體包括:平均日輻射量、日照時間、氣溫、氣象特點(diǎn)、用水量、用水方式、所需水溫、屋頂面積、屋頂承重等因素。以福建南部為例其平均日輻射量

4、約為14000kJm2年日照時數(shù)約在2200～3000h通常最低氣溫不低于3℃可以不考慮系統(tǒng)防凍問題該地區(qū)較常出現(xiàn)的是晴天較少出現(xiàn)一天中完全不見陽光的情況天氣不好時大都為一天中時晴時雨用水量主要決定于氣溫、用水設(shè)備、洗浴習(xí)慣等用水方式指的是集中時段使用熱水還是24h隨時使用:所需水溫通常取系統(tǒng)水溫為60℃屋頂面積是一項非常重要的因素屋頂面積的大小、方位將決定集熱面積的大小從而決定系統(tǒng)產(chǎn)熱水量的多少在屋頂面積比較緊張時可以向空間發(fā)展但這樣

5、會增加造價增加施工難度屋頂承重對家庭式熱水器及集熱面積來說一般上人屋頂都可以滿足要求但如是大型熱水系統(tǒng)在設(shè)計時應(yīng)特別考慮熱水箱的承重問題所以太陽能系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)與土建、水電設(shè)計一起提前加以考慮并應(yīng)主動取得建筑設(shè)計部門的密切配合加以解決。3集熱器選擇目前太陽能集熱器主要有以下幾類:板式集熱器集熱有效面積較大但由于其管芯流道較小易結(jié)垢影響換熱集熱器隔熱性能差使用壽命也較短價格較低真空管式集熱器隔熱性能較好熱效率較高造價較高熱管真空管式集熱器隔

6、熱性能好熱效率較高造價高但其有一突出優(yōu)點(diǎn)即在天氣較差時亦有一定的集熱效果。集熱器的選擇主要根據(jù)用戶的需求、資金承受能力、屋頂面積限制、對系統(tǒng)的要求等因素予以確定但不論選用何種集熱器均應(yīng)該確保集熱器的產(chǎn)品質(zhì)量。4合理的系統(tǒng)設(shè)計系統(tǒng)的設(shè)計在很大程度上決定著熱水系統(tǒng)是否能滿足用水量要求、系統(tǒng)的熱效率從而直接影響整個太陽能熱水系統(tǒng)的效能發(fā)揮及投資回報這是用戶最為關(guān)心的問題之一為此我們認(rèn)為在設(shè)計過程中應(yīng)該注意下列問題:411合理配置熱水箱容積通常

7、可根據(jù)60℃水溫的熱水定額量進(jìn)行估算由于福建沿海地區(qū)氣溫相對較高每人每次熱水用量較少根據(jù)我們的設(shè)計經(jīng)驗一般取盥洗室為q=35～40kg人d。有浴盆時可取q=100kg人d。因此總水量可由下式取得L=k1nqkg(n為人數(shù))k1為一系數(shù)根據(jù)使用場合及使用經(jīng)驗或給排水設(shè)計手冊選取如酒店賓館可根據(jù)住客率來選取。84新能源福建能源開發(fā)與節(jié)約2003年第3期當(dāng)增加電補(bǔ)熱功率。此外若存在多個串聯(lián)水箱為滿足水溫要求則室內(nèi)取水熱水箱補(bǔ)熱功率應(yīng)適當(dāng)大些其

8、余熱水箱補(bǔ)熱功率可稍小些其補(bǔ)熱溫度上限設(shè)置亦可設(shè)置低一些只需保證一定的基礎(chǔ)水溫即可(根據(jù)用戶實際用水情況設(shè)置)這樣當(dāng)用戶實際用水量達(dá)不到設(shè)計負(fù)荷時不必將所有水箱水溫都加熱至設(shè)計使用溫度60℃可大大節(jié)約電能的消耗。7可靠的結(jié)構(gòu)、運(yùn)行設(shè)備的配置太陽能熱水系統(tǒng)一般置于屋頂受環(huán)境影響較大。因此固定部件要求牢固、耐蝕在可能出現(xiàn)大風(fēng)、臺風(fēng)的地域要特別注意防風(fēng)處理運(yùn)行設(shè)備如循環(huán)水泵、電磁閥、水溫水位傳感器等要求運(yùn)行的可靠性好水泵最好采用高性能的熱水泵

9、這是系統(tǒng)能否正常運(yùn)行的關(guān)鍵此外還得考慮設(shè)備的可維修性及可替代性以提高系統(tǒng)的使用效能。8安裝質(zhì)量安裝質(zhì)量關(guān)系到系統(tǒng)能否安全、可靠、高效的運(yùn)行直接影響到系統(tǒng)的節(jié)能效益及用戶的投資回報。安裝質(zhì)量差的系統(tǒng)很難發(fā)揮它的最大效能造成資源的浪費(fèi)。具體來說我們認(rèn)為安裝時一定要按設(shè)計要求施工管材管件要選用質(zhì)優(yōu)產(chǎn)品水箱、管路的保溫要選用優(yōu)質(zhì)保溫材料要充分考慮系統(tǒng)的運(yùn)行條件注意水箱與集熱器的相對高度避免集熱器缺水干曬集熱器、水箱、管路、水泵等一定要固定好焊接

10、部位應(yīng)牢固可靠外露金屬件該防銹的一定要處理好:集熱器的排列應(yīng)整齊管道、線路排列應(yīng)美觀管路的彎頭盡可能要少管道安裝盡可能具有一定的上升坡度不出現(xiàn)∩形反彎如無法避免應(yīng)考慮放氣裝置以避免氣堵設(shè)備管道無漏水現(xiàn)象線路應(yīng)外套線管漏電保護(hù)措施應(yīng)到位屋頂集熱面積、水箱等應(yīng)與建筑物避雷系統(tǒng)可靠連接。9節(jié)能分析以筆者設(shè)計的某一大型太陽能熱水系統(tǒng)為例根據(jù)使用人數(shù)考慮到福建沿海氣溫較高洗浴用水較少的特點(diǎn)按35kg人d熱水計設(shè)計用水量25t分為兩個水箱每個為12

11、15t根據(jù)屋頂面積情況確定使用集熱效率較高的熱管真空管式集熱器每m2集熱面積配水95kg室內(nèi)用熱水固定從一水箱取得為確保該水箱水溫與之相配的集熱面積較大一些(約大10%)由于用戶對這一供水系統(tǒng)要求較高且為集中某一時段供水我們采用了專業(yè)生產(chǎn)廠家的電熱水鍋爐配套考慮到極端情況該水箱所配電鍋爐功率較大(150kW)即使在太陽能完全不起作用情況下使用該鍋爐將水加熱至設(shè)計水溫約需3～4h在正常情況下電鍋爐功率可輪流分組投入延長鍋爐使用壽命。另一水

12、箱為前一水箱提供一定溫度(較低根據(jù)用水情況設(shè)置)的水集熱面積配置較小電鍋爐功率配置也較小(120kW)這種設(shè)計可在用戶用水量達(dá)不到設(shè)計負(fù)荷時節(jié)約后一水箱的補(bǔ)熱所耗電量集熱器采用串并聯(lián)連接強(qiáng)制循環(huán)方式整個系統(tǒng)可全自動運(yùn)行實現(xiàn)了前述討論的控制功能。該系統(tǒng)座落于福建沿海某市取該地區(qū)日照時數(shù)為2200h以平均每天7h計約相當(dāng)于314d。若每年取折合日照正常為270d可按水箱水溫從年平均基礎(chǔ)水溫t1=15℃上升至水箱平均水溫t2=50℃計算則利用

13、太陽能系統(tǒng)折合每天可獲得熱能為:Q=CpL(t2t1)=411810325103(5015)=3166106kJCp—水的定壓比熱相當(dāng)于1036kWh電產(chǎn)生的熱量(電加熱效率取0198)該建筑用電0172元kWh則年可節(jié)約電費(fèi)(Y)為:Y=NQ1ξ(N年折合日照天數(shù)Q1用電度數(shù)ξ當(dāng)?shù)仉妰r)Y=27010360172104=20114(萬元)該項目總投資52萬元若不考慮利息及其它因素則投資回收期為:n=52Y=2158(a)由此可見其節(jié)能

14、效果是相當(dāng)明顯的。10結(jié)束語太陽能熱水系統(tǒng)的使用與當(dāng)?shù)氐牡乩砼c氣象有著密切的關(guān)系而太陽光能又屬低品質(zhì)能源如何經(jīng)濟(jì)、高效地使用太陽能為人類服務(wù)是我們太陽能熱水系統(tǒng)設(shè)計與建造者共同的責(zé)任。故我們在進(jìn)行設(shè)計建造時應(yīng)充分考慮各種因素及問題綜合解決系統(tǒng)中諸如現(xiàn)場、集熱器選型、布置形式、控制系統(tǒng)等問題努力建造出安全、高效、可靠的太陽能熱水系統(tǒng)。[參考文獻(xiàn)][1]項立成等1太陽能的熱利用[M]1北京:宇航出版社1998[2]李申生1太陽能物理學(xué)[M]

15、1北京:首都師范大學(xué)出版社1996[3]董仁杰1彭高軍1太陽能熱利用工程[M]1北京:中國農(nóng)業(yè)科技出版社1996[4]張鶴飛1太陽能熱利用原理與計算機(jī)模擬[M]1西安:西北工業(yè)大學(xué)出版社1990[5]周程生1黃凱旋1廈門市科學(xué)技術(shù)協(xié)會第三屆青年學(xué)術(shù)年會暨中國科協(xié)第四屆青年學(xué)術(shù)年會衛(wèi)星會議論文集1閩南地區(qū)太陽能發(fā)展現(xiàn)狀及對策探討[M]1北京:海洋出版社2001作者簡介周程生1984年畢業(yè)于武漢水運(yùn)工程學(xué)院現(xiàn)任集美大學(xué)輪機(jī)工程學(xué)院講師05新