節(jié)能型太陽能熱水系統(tǒng)的設計與研究

1、節(jié)能型太陽能熱水系統(tǒng)的設計與研究周程生黃凱旋李品芳(集美大學輪機工程學院福建廈門361021)摘要本文根據作者在設計工作中的體會詳細討論了節(jié)能型太陽能熱水系統(tǒng)設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。關鍵詞太陽能熱水系統(tǒng)節(jié)能中圖分類號:TK51315文獻標識碼:B文章編號:10073132(2003)030048031引言隨著我國經濟建設的快速發(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)以其獨特的節(jié)能及環(huán)保優(yōu)勢越來越廣泛地被人們所認同太陽能熱水系統(tǒng)的設計與建造技術也在不斷地完善。但是由于目前太陽能熱水系統(tǒng)的設計沒有統(tǒng)一的標準可循許多太陽能熱水系統(tǒng)的建造者根據自己的經驗進行設計、建造積累了許多寶貴的資料。然而由于承建者的設計、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)設計建造過程中的一些體會提出來進行討論并對系統(tǒng)的節(jié)能效果進行簡要分析。我們認為一

3、個具有較好熱性能的太陽能熱水系統(tǒng)應該具備下列特點:滿足用戶基本使用要求適合現場條件的高效率的集熱元件合理的系統(tǒng)設計最大限度地發(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)可靠的結構、運行設備配備高水平的安裝質量。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)的基本條件在設計過程中應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、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)較常出現的是晴天較少出現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、用水設備、洗浴習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)在設計時應特別考慮熱水箱的承重問題所以太陽能系統(tǒng)的設計應與土建、水電設計一起提前加以考慮并應主動取得建筑設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該確保集熱器的產品質量。4合理的系統(tǒng)設計系統(tǒng)的設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心的問題之一為此我們認為在設計過程中應該注意下列問題:411合理配置熱水箱容積通常

7、可根據60℃水溫的熱水定額量進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我們的設計經驗一般取盥洗室為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)k1為一系數根據使用場合及使用經驗或給排水設計手冊選取如酒店賓館可根據住客率來選取。84新能源福建能源開發(fā)與節(jié)約2003年第3期當增加電補熱功率。此外若存在多個串聯(lián)水箱為滿足水溫要求則室內取水熱水箱補熱功率應適當大些其

8、余熱水箱補熱功率可稍小些其補熱溫度上限設置亦可設置低一些只需保證一定的基礎水溫即可(根據用戶實際用水情況設置)這樣當用戶實際用水量達不到設計負荷時不必將所有水箱水溫都加熱至設計使用溫度60℃可大大節(jié)約電能的消耗。7可靠的結構、運行設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、耐蝕在可能出現大風、臺風的地域要特別注意防風處理運行設備如循環(huán)水泵、電磁閥、水溫水位傳感器等要求運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)能否正常運行的關鍵此外還得考慮設備的可維修性及可替代性以提高系統(tǒng)的使用效能。8安裝質量安裝質量關系到系統(tǒng)能否安全、可靠、高效的運行直接影響到系統(tǒng)的節(jié)能效益及用戶的投資回報。安裝質量差的系統(tǒng)很難發(fā)揮它的最大效能造成資源的浪費。具體來說我們認為安裝時一定要按設計要求施工管材管件要選用質優(yōu)產品水箱、管路的保溫要選用優(yōu)質保溫材料要充分考慮系統(tǒng)的運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:集熱器的排列應整齊管道、線路排列應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∩形反彎如無法避免應考慮放氣裝置以避免氣堵設備管道無漏水現象線路應外套線管漏電保護措施應到位屋頂集熱面積、水箱等應與建筑物避雷系統(tǒng)可靠連接。9節(jié)能分析以筆者設計的某一大型太陽能熱水系統(tǒng)為例根據使用人數考慮到福建沿海氣溫較高洗浴用水較少的特點按35kg人d熱水計設計用水量25t分為兩個水箱每個為12

11、15t根據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(較低根據用水情況設置)的水集熱面積配置較小電鍋爐功率配置也較小(120kW)這種設計可在用戶用水量達不到設計負荷時節(jié)約后一水箱的補熱所耗電量集熱器采用串并聯(lián)連接強制循環(huán)方式整個系統(tǒng)可全自動運行實現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)日照時數為2200h以平均每天7h計約相當于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—水的定壓比熱相當于1036kWh電產生的熱量(電加熱效率取0198)該建筑用電0172元kWh則年可節(jié)約電費(Y)為:Y=NQ1ξ(N年折合日照天數Q1用電度數ξ當地電價)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、效果是相當明顯的。10結束語太陽能熱水系統(tǒng)的使用與當地的地理與氣象有著密切的關系而太陽光能又屬低品質能源如何經濟、高效地使用太陽能為人類服務是我們太陽能熱水系統(tǒng)設計與建造者共同的責任。故我們在進行設計建造時應充分考慮各種因素及問題綜合解決系統(tǒng)中諸如現場、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][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[M]

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