分析太陽能熱水溫度安全控制

摘 要 近年來，由于太陽能中低溫利用技術(shù)的改進(jìn)與成熟，太陽能熱利用行業(yè)取得了驕人的成績(jī)。隨著高層建筑的增加，太陽能熱水系統(tǒng)與建筑結(jié)合越來越緊密，太陽能熱水工程逐漸走進(jìn)千家萬戶。但太陽能熱水工程因?yàn)樗疁夭环€(wěn)定產(chǎn)生諸多問題，本文通過案例來分析太陽能熱水溫度安全控制。 　　0 前言 　　社會(huì)不斷發(fā)展，人們生活水平不斷提高，對(duì)生活質(zhì)量有了更高的要求，熱水成為人們生活不可缺少的部分，但是能源的大量消耗與人們對(duì)熱水的需求產(chǎn)生了矛盾，太陽能熱水工程的誕生解決了這一矛盾。太陽能熱水工程投資相對(duì)較低，對(duì)環(huán)境不會(huì)造成污染，是使用能源的最佳選擇。 　　當(dāng)前，我國的生活熱水主要用于洗浴。隨著太陽能熱利用技術(shù)不斷進(jìn)步，在政策和市場(chǎng)推動(dòng)下，太陽能熱水工程取得了快速發(fā)展的繁榮局面。太陽能熱水工程客戶大多集中在集體或單位，熱水使用方式為集中用水，用水量較大。本文介紹了太陽能熱水工程因?yàn)樗疁夭环€(wěn)定造成的問題，本文通過案例來分析太陽能熱水溫度的安全控制。 　　1 項(xiàng)目概況 　　項(xiàng)目用水情況：海南昌江核電工程承包商生活區(qū)北區(qū)1號(hào)宿舍樓每天需供熱水80t，2 號(hào)宿舍樓每天需供熱水40t，1 號(hào)公寓樓每天需供熱水20t，2號(hào)公寓樓每天需供熱水20t，3 號(hào)公寓樓每天需供熱水20t，4號(hào)公寓樓每天需供熱水22t，專家公寓樓每天需供熱水7t。?？诘貐^(qū)全年太陽環(huán)境參數(shù)（見表1）： 　　根據(jù)招標(biāo)方使用要求，滿足用水條件出水溫度≥45℃（一般洗澡用水溫度），考慮管道熱損，實(shí)際出水溫度應(yīng)當(dāng)在50℃以上。 　　?？谑形挥诒本?9°57′04″~20°05′11″，東經(jīng)110°10′18″~110°23′05″。地處海南島北部，北瀕瓊州海峽。地處低緯度熱帶北緣，屬于熱帶海洋氣候，春季溫暖少雨多旱，夏季高溫多雨，秋季多臺(tái)風(fēng)暴雨，冬季冷氣流侵襲時(shí)有陣寒。年平均氣溫24℃。?？谑?月份平均氣溫20℃以上，降雨不多，溫暖舒適；4~10月?？跍囟缺３州^高水平，月平均氣溫均在25℃以上，極端最高氣溫不高，不超過39℃。12~2月月平均氣溫18℃，4~10 月是臺(tái)風(fēng)活躍季節(jié)，8~9 月最多。5~10 月為雨季，9 月為降雨高峰期，月平均降雨量250mm，?？谌旯庹湛偭考s4600MJ/m2，有較好的太陽能資源，適合開發(fā)利用。 　　2 太陽能集熱系統(tǒng)采光面積確定 　　依據(jù)GB/T18713-2002《太陽能熱水系統(tǒng)設(shè)計(jì)、安裝及工程驗(yàn)收技術(shù)規(guī)范》規(guī)定：太陽能集熱采光面積計(jì)算公式： 　　Ac=QwCw（tend - ti）f/（JTηcd（1-ηL）） 　　Ac — 直接系統(tǒng)集熱器采光面積，m2； 　　Qw—日均用水量，kg； 　　Cw—水的定壓比熱容，kJ/（kg·℃）； 　　tend—儲(chǔ)水箱內(nèi)水的終止溫度，℃； 　　ti—水的初始溫度，℃； 　　f—太陽能保證率； 　　JT—當(dāng)?shù)卮?、秋分所在月集熱器受熱面月均日輻照量，J/m2； 　　ηcd－集熱器全日集熱效率； 　　ηt－管路及水箱熱損。 　　80t水太陽能集熱器采光面積計(jì)算： 　　AC=80000×4.2×（50－24）×50%/（12000×50%×（1-0.25））得AC = 971（m2）； 　　以此類推，40t水太陽能集熱器采光面積為485m2； 　　20t水太陽能集熱器采光面積為243m2； 　　22t水太陽能集熱器采光面積為267m2； 　　7t水太陽能集熱器采光面積為85m2。 　　說明：太陽能全日集熱效率按50%計(jì)算，春、秋分所在月均日太陽輻照量為12MJ/m2，管路及水箱熱損按25%計(jì)算，太陽能自來水進(jìn)水溫度按年平均環(huán)溫24℃計(jì)算。 　　根據(jù)計(jì)算得出數(shù)據(jù)，美大產(chǎn)品采用國標(biāo)D47-1600 真空管，管徑47mm，長(zhǎng)度1600mm，AL-N/AL選擇吸收涂層，吸收比>0.9，發(fā)射比<0.08。美大太陽能平均每支真空管采光面積為0.107m2，依據(jù)公司生產(chǎn)工藝，采用集熱器模塊規(guī)格為D47-1600×50 橫插式集熱模塊。 　　同時(shí)考慮陣列排布因素，1號(hào)宿舍樓80t 水太陽能集熱工程采用集熱模塊180組，采光面積963m2。并根據(jù)屋面實(shí)際情況，180 組集熱器分成4 組分別循環(huán)；2 號(hào)宿舍樓40t水太陽能集熱工程采用集熱模塊88 組，采光面積470m2，并根據(jù)屋面實(shí)際情況，88組集熱器分成2 組分別循環(huán)；1 號(hào)、2 號(hào)、3 號(hào)公寓樓20t 水太陽能集熱工程各采用集熱模塊48 組，采光面積265 m2，并根據(jù)屋面實(shí)際情況，48組集熱器分成2組分別循環(huán)。4號(hào)公寓樓22t 水太陽能集熱工程采用集熱模塊54組，采光面積289m2，并根據(jù)屋面實(shí)際情況，54 組集熱器分成2組分別循環(huán)。 　　專家公寓樓7t 水太陽能集熱工程采用根據(jù)實(shí)際場(chǎng)地情況采用豎插式承壓式集熱器，具體采用LPC47-1500×18集熱模塊66組，采光面積119m2。 　　3 集熱器安裝傾角計(jì)算 　　冬至日太陽高度角最大，夏至日太陽高度角最小，因此必須考慮全年光照對(duì)太陽能集熱面積的影響。太陽在南北回歸線±23.5°之間來回運(yùn)動(dòng)，?？诰暥燃s在北緯20°，因此海口太陽高度角在-3.5°~ 43.5°之間變化。采用集熱器真空管孔距為65mm，由于受光面是圓面，因此受太陽高度角影響較小，只要保證在夏至日及冬至日真空管自身不擋光即可，考慮系統(tǒng)受臺(tái)風(fēng)影響，工程系統(tǒng)橫插式集熱器整體傾角角度為12°。 　　4 系統(tǒng)設(shè)備選型 　　1 號(hào)宿舍樓太陽能集中供熱水系統(tǒng)采用D47-1600mm×50集熱器共180 組，采光面積963m2，并根據(jù)屋面實(shí)際情況，把集熱器分成4個(gè)循環(huán)組分別進(jìn)行集熱循環(huán)，每組以5行9列布置，實(shí)際安裝場(chǎng)地面積正好能滿足集熱器排布要求。太陽能保溫水箱采用全不銹鋼材料現(xiàn)場(chǎng)拼裝焊接，聚氨酯現(xiàn)場(chǎng)發(fā)泡保溫，水箱尺寸為5000×（7000+1000）×2000，放置于集熱器陣列附近建筑預(yù)留水箱承重基礎(chǔ)上。系統(tǒng)輔助加熱采用商用電熱水器（GPU-300/54kW），配置3臺(tái)。系統(tǒng)共用D47-1600mm 國標(biāo)全玻璃真空集熱管9000 支，同時(shí)配置相應(yīng)的控制系統(tǒng)、管道及輔助保護(hù)系統(tǒng)等組成整個(gè)太陽能集中供熱系統(tǒng)。其他樓設(shè)備選型原理同1號(hào)樓。 　　 5 安全熱水系統(tǒng)設(shè)置 　　根據(jù)浙江省《太陽能安全熱水供應(yīng)系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》要求，生活應(yīng)用熱水水溫≤70℃，并且水溫可調(diào)節(jié)。太陽能安全熱水供應(yīng)系統(tǒng)應(yīng)根據(jù)不同地區(qū)和使用條件采取防凍、防結(jié)露、防過熱、防雷、防雹、抗風(fēng)、抗震和保證電氣安全等技術(shù)措施。為此該工程從不同角度保證了熱水的安全可靠性。 　　5.1 系統(tǒng)水溫安全保證 　　5.1.1 定溫放水：當(dāng)太陽能集熱器中的水溫達(dá)到設(shè)定值（如55℃）時(shí)，上水電磁閥自動(dòng)打開，自來水不斷把集熱水箱中的熱水頂入儲(chǔ)熱水箱，當(dāng)集熱器溫度下降到設(shè)定值（如45℃）時(shí)，自動(dòng)關(guān)閉電磁閥。如此反復(fù)加熱和補(bǔ)水，儲(chǔ)熱水箱水位逐漸上升，當(dāng)儲(chǔ)熱水箱水位達(dá)到最高液位后，不再根據(jù)集熱器溫度控制補(bǔ)水。 　　5.1.2 溫差循環(huán)：在儲(chǔ)熱水箱內(nèi)，當(dāng)集熱器溫度和水箱溫度溫差達(dá)到設(shè)定值時(shí)（如6℃），集熱循環(huán)泵自動(dòng)開啟，通過強(qiáng)制循環(huán)把集熱器內(nèi)的熱水置換到循環(huán)儲(chǔ)熱水箱內(nèi)，當(dāng)集熱器溫度和水箱溫度溫差下降到設(shè)定值時(shí)（如2℃），集熱循環(huán)泵自動(dòng)停止工作，并等待下一次循環(huán)。如此不斷循環(huán)使保溫水箱中的水溫提升。 　　5.1.3儲(chǔ)熱水箱工作原理：儲(chǔ)熱水箱一直保持55~60℃的熱水，水箱中的水位高低由太陽能集熱能量和集熱水箱溫度高低控制，當(dāng)儲(chǔ)熱水箱內(nèi)的水量低于最低安全水位后，電磁閥自動(dòng)打開補(bǔ)水，高于安全水位后自動(dòng)停止；當(dāng)太陽能無法補(bǔ)充熱量時(shí)，選用一：自動(dòng)加熱，即保溫水箱溫度<40℃時(shí)，商用電加熱器和循環(huán)泵同時(shí)啟動(dòng)加熱，當(dāng)儲(chǔ)熱水箱溫度>55℃自動(dòng)關(guān)閉；選用二：定時(shí)或手動(dòng)，當(dāng)儲(chǔ)熱水箱水溫<40℃時(shí)，可由輔助電加熱設(shè)備在夜間半價(jià)電時(shí)啟動(dòng)加熱或第二天下午水溫未達(dá)到設(shè)定的最低40℃時(shí)，啟動(dòng)加熱至設(shè)定的55℃時(shí)自動(dòng)關(guān)閉，也可以根據(jù)用水量和水溫情況手動(dòng)啟動(dòng)加熱。 　　5.1.4 供熱水管網(wǎng)工作原理：為提高用水舒適性，供水采用變頻增壓供水方式，保持供水壓力穩(wěn)定，為充分節(jié)約水資源，管網(wǎng)主管路可設(shè)置定時(shí)間段管道循環(huán)，即在設(shè)定時(shí)間段內(nèi)，如果用水管道內(nèi)水溫低于設(shè)定溫度，回水電磁閥自動(dòng)打開，供水管道內(nèi)溫度較低的水回到保溫水箱內(nèi)，這樣可以始終保持供水管內(nèi)的水是熱水，基本做到水龍頭一開就有熱水，保證用水舒適性。  　　5.1.5電輔助加熱系統(tǒng)：當(dāng)恒溫水箱溫度低于設(shè)定溫度時(shí)電加熱自動(dòng)啟動(dòng)，高于設(shè)定溫度時(shí)停止加熱；定時(shí)和手動(dòng)加熱。 　　5.1.6 控制柜內(nèi)增加高溫保護(hù)裝置對(duì)水箱內(nèi)的溫度起到高溫保護(hù)，當(dāng)水箱內(nèi)的溫度達(dá)到要保護(hù)的溫度80℃時(shí)停止循環(huán)泵運(yùn)行。 　　5.1.7 補(bǔ)水系統(tǒng)工作原理：低水位補(bǔ)水：當(dāng)儲(chǔ)熱水箱內(nèi)的水位低于最低安全水位時(shí)，補(bǔ)水電磁閥自動(dòng)打開，將冷水注入集熱水箱，同時(shí)再經(jīng)集熱水箱進(jìn)入儲(chǔ)熱水箱內(nèi)。 　　定時(shí)補(bǔ)水：系統(tǒng)可根據(jù)用水的時(shí)間定時(shí)定量注水，以保證充足的用水量。 　　手動(dòng)補(bǔ)水：連續(xù)陰雨天氣或用水量較大時(shí)，可手動(dòng)打開補(bǔ)水閥，補(bǔ)到要求的水量。 　　5.2 系統(tǒng)防凍設(shè)置 　　當(dāng)管路溫度傳感器測(cè)得溫度<5℃時(shí)，相應(yīng)的循環(huán)水泵自動(dòng)啟動(dòng)進(jìn)行防凍；當(dāng)管路溫度傳感器測(cè)得溫度>8℃時(shí)，循環(huán)泵自動(dòng)停止。 　　5.3 系統(tǒng)防垢 　　由于水質(zhì)、水溫會(huì)導(dǎo)致水垢的產(chǎn)生，不僅影響系統(tǒng)集熱效率，而且可能堵塞管道，因此在管路上安裝過濾器和內(nèi)磁處理器對(duì)水質(zhì)進(jìn)行處理。 　　內(nèi)磁水處理器（見圖1）是利用磁場(chǎng)對(duì)水進(jìn)行處理，在不改變水的化學(xué)成分的前提下改變水的物理結(jié)構(gòu)，從而達(dá)到防垢、除垢、殺菌、滅藻、防腐蝕、防銹水的目的。這是一種先進(jìn)的物理法水處理，效果好，成本低，不需維護(hù)，無任何污染。該產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于建筑、化工、電力、冶金、橡膠、輕紡、食品、制冷行業(yè)的循環(huán)水系統(tǒng)，空調(diào)制冷系統(tǒng)，熱交換系統(tǒng)及熱水鍋爐系統(tǒng)。 　　利用釹鐵硼稀土永磁材料蘊(yùn)藏的巨大能量，經(jīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，形成多波峰垂直中心磁場(chǎng)。當(dāng)水或流體以≥51.5m/s的速度流經(jīng)垂直磁場(chǎng)時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)能，使晶格細(xì)化，即原水中的垢晶顆粒粒徑由原來的約3.39μm，變?yōu)榧s0.22μm，且流速越快，產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)能越大，效果也越理想，從而達(dá)到防垢、除垢的目的。 　　5.4 保溫措施 　　高溫?zé)崴艿啦捎孟鹚鼙毓芴坠苓M(jìn)行保溫，0.5mm 厚鋁皮防護(hù)，保護(hù)保溫層不被氧化，提高使用壽命。 　　5.5 避雷措施 　　避雷措施依據(jù)GB50057《中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》進(jìn)行設(shè)計(jì)。 　　由于考慮到公共場(chǎng)所的特殊性，避雷采用國家建筑物一級(jí)避雷，用滾球法計(jì)算時(shí)滾球半徑取值20m。 　　每根避雷器防雷范圍：R=1.5H接閃器尖端距離地面高度： 　　HX/RX≤1.5時(shí)，H=1.25HX+0.63R 　　HX/RX≥1.5時(shí)，H=HX+R 　　根據(jù)海南省氣象資料反映，?？谑袑倮纂姸喟l(fā)區(qū)域，避雷防漏電對(duì)安全使用太陽能熱水系統(tǒng)尤為重要，為此我公司擬委托專業(yè)資深的設(shè)計(jì)院對(duì)本工程的避雷及漏電保護(hù)設(shè)計(jì)進(jìn)行全面審核。 　　由于太陽能集熱器支架均為熱鍍鋅鋼鐵，具有良好的導(dǎo)電特性，同時(shí)太陽能集熱器安裝基礎(chǔ)為南低北高傾斜支架，傾角12°，新增加避雷針采用D10mm 圓鋼，采用焊接方式與鋼支架進(jìn)行焊接，鋼支架與建筑原避雷帶采用4號(hào)熱鍍鋅扁鐵進(jìn)行焊接，焊接要求及質(zhì)量按GB50057避雷規(guī)范要求制作。 　　5.6 電線及信號(hào)線布置 　　電線及信號(hào)線必須套有電線管及信號(hào)線管，做到強(qiáng)弱電分離，確保系統(tǒng)運(yùn)行不受干擾。 　　6 系統(tǒng)特點(diǎn) 　　1.本系統(tǒng)（見圖2）采用分組控制，提高了整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。單組的檢修不影響其他幾組運(yùn)作。 　　2.優(yōu)先使用較熱熱水，使熱水得到充分利用。 　　本設(shè)計(jì)方案具有簡(jiǎn)潔、可靠、安全、方便的特點(diǎn)。（浙江美大新能源科技有限公司 陳建飛 祝曉梁）