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太阳能光热的成功案例及原理

主要业务方向：太阳能光伏发电、太阳能热水工程的epc总包项目实施，包括工程设计、物资采购、设备安装调试、后期运营维护；光伏光热智能化控制系统的研发、应用；冶金钢铁、物流行业的工业化、信息化、智能化系统集成开发应用。

方案---北京研博新创科技发展有限公司为河北省某市一中安装太阳能热水器
• 项目概况：
• 某市第一中学坐落于广袤的华北平原东部，该太阳能项目旨在为全校学生解决洗浴问题，采用太阳能+空气源热泵联合供热水。既满足学校用水需求，又响应国家所倡导的绿色环保政策的号召。
• 在某市第一中学太阳能项目中，采用的是集中集热集中储热的模式，在学校太阳能案例中属于很典型的一种。二、项目介绍
• 某市地处中纬度地带，属暖温带大陆性季风气候，四季分明。夏季炎热多雨，冬季寒冷干燥，春季干旱多风沙，秋季秋高气爽，冷热适宜。
• 1、用水情况：
• 某市第一中学是寄宿制学校，学生集中在宿舍洗浴间洗浴。故分别在南北宿舍楼各安装一套15T太阳能热水系统，以满足全校学生洗浴用热水。本系统按春、夏、秋、冬四季均使用太阳能系统洗浴进行设计，用水方式为全时供水。
• 2、项目建设内容：
• ①太阳能热水系统安装集热器：南楼宿舍楼集热器数量为32套，总计真空管1920支，集热面积198.4平方米；北楼宿舍楼集热器数量为32套，总计真空管1920支，集热面积198.4平方米。
• 整套太阳能热水系统共计真空管3840支，总计集热面积396.8平方米。
• ③安装空气源热泵：TFS-SKR840D型空气源热泵4台。
• ④安装水泵：水泵共计32台。其中热水系统8台。
• ⑥安装水箱：容积15m3不锈钢储热水箱2台，尺寸：2.5m*3m *2m；
• 容积0.5T圆形不锈钢水箱8台，尺寸：890mm（直径）*1550mm（高度），容积1m3圆形不锈钢储热水箱4台，尺寸：870mm*1800mm。
• ⑦安装归丽晶除垢器：日处理水16吨2台，日处理水1吨4台
• 1、控制系统
• 控制系统根据某市第一中学用水特点及要求，本项目太阳能控制系统具有以下特点：
• (1)控制系统采用可编程智能控制、液晶屏显示，以实现系统全自动、智能化控制(太阳能定温放水、自动补水功能、温控自动防冻、系统安全运行自动保护、辅助加热系统的自动运行等)，无需专人管理，保证控制系统稳定、可靠地运行；液晶屏显示界面友好，参数设置、修改方便，各种运行参数显示一目了然。三(2)控制程序将温度、水位、时间、流量等参数巧妙融合，实现充分和优先利用太阳能，将太阳能与辅助加热系统完美结合，最大限度地减少辅助加热系统的运行时间，降低电能的消耗。(3)控制系统设有应急手动功能，保证在控制系统出现问题时，能实现手动控制，系统在应急状态下能正常运行，保证学生的正常洗浴。
• (4)控制系统具有断电记忆功能，有记忆控制系统的设置数据和系统运行的各种参数，保证数据不丢失。
• (5)系统具有很强的抗干扰性和屏蔽性能，不因其他系统的信号干扰本系统的正常工作，或本系统的信号干扰其它系统的正常工作。
• (6)系统故障自诊断功能：能随时反应系统内设备和传感器的工作状态，能自动进行故障诊断。
• (7)系统管理功能：为确保系统的正常运行，设置管理员登陆密码，需输入密码才能进入界面进行操作设备。
• 2、太阳能集热器
• 太阳能集热器是太阳能热水系统的核心元件，其性能的好坏直接决定了系统能否取得应有的效果。本项目太阳能热水系统中真空管采用三靶镀膜技术和旋转磁扫描结构，加入稀有金属成分，改善镀膜层分子结构，真空管(真空度高达5×10-3Pa)，对阳光有很高的吸收率(a＞96%)和极低的热发射率(β＜4%)，具有集热效率高、热损小、耐高温(空晒温度高达330度)、抗高寒(-40度)等特点，从而减少了真空管由于长期空晒而造成的膜层老化、变色、性能衰减等问题，使用寿命长。采用了三高全玻璃真空管集热器，每个模块有60支管子组成。与普通集热器相比，该款集热器具有真空管排列密集，长度集热管数量多，吸热快、效率高；保温层采用50mm环保型无氟聚氨酯发泡保温，保温性好，绿色环保；内胆采用304/2B食品级不锈钢内胆，卫生洁净，外皮采用仿不锈钢拉丝板，外观漂亮大方。
• 太阳能热水系统工程集热器分别位于南北宿舍楼顶以上，均以南北4套，东西8套阵列方式排列摆放。有效的利用楼顶上的空间，与建筑相结合，与学校周围环境相辉映，犹如一道亮丽的风景线。
• 3、太阳能水箱
• 本项目太阳能水箱内胆材质304/2B食品级不锈钢，保温采用50mm聚氨酯现场发泡，外护材质0.5mm不锈钢。与其他类型水箱相比，不锈钢水箱具有以下特点：
• (1)款式新颖，技术一流：由单元矩形成型板任意拼装焊接，具有漂亮的外观，对应配套，选择灵活。
• (2)安全卫生，经久耐用：整个系统为封闭式，不锈钢材料表面光滑，不易附生藻类，水中沉淀物亦清晰冲刷。
• (3)安装方便，任意组合：采用单元矩形不锈钢成型板拼装焊接组成，可依据设备设置场所，任意组合成多边形、阶梯形、L形等形态各异的水箱。
• (4)选材优异 防蚀抗裂：选用性能优异的奥氏体、铁素体、超低碳不锈 钢板材拉伸压制，具有独特的耐腐蚀抗裂性能。
• (5)制作精良，保温优良、外形美观：以精密的成型模具液压拉伸成型，单元矩形凹凸水箱板成型精度高，保温效果好，昼夜温差小于3℃。太阳能热水系统工程热水箱采用两个容积为15T的方形水箱，外形尺寸为2.5*3*2（高度），均放置在屋顶。
• 太阳能开水系统工程热水箱采用4个容积为1T的圆形水箱，外
• 形尺寸为：870mm（直径）*1800mm（高度），8个0.5T的圆形水箱，外形尺寸为：770mm（直径）*1425mm（高度）。
• 4、辅助加热设备
• 1.空气源热泵
• 设备采用清华同方超低温热泵热水机组TFS-SKR840D。机组技术特点低温风冷热泵机组是推出的一种新型的风冷热泵产品，这种新型热泵机组克服了传统风冷热泵机组的运行温度限制，大大扩展了其温度应用范围，在-20℃的环境温度下依旧可以可靠稳定的运行；低温风冷热泵机组之所以能够如此高效、稳定的运行，是由于我们在机组系统中采用了经济器系统，以实现补气增焓。
• 机组还具有如下特点：
• 低温制热功能卓越：低环温热泵机组可在-20℃的环境中正常供热、结构结凑，换热面积大，空气流动阻力小，换热效率高、泄漏率低、机组组合方便，选型灵活，互为备用，运行经济、高温出水，最高可达60℃、配件精良、换热效率高、智能除霜、全电脑控制、低噪声。
• 太阳能热水系统工程每个系统均采用2台TFS-SKR840D空气源热泵机组作为辅助能源，并联连接，按需启动，确保在阴雨天气条件下热水的供应。
• 四、效益分析
• 1、系统总能量
• （一）太阳能热水系统
• 系统每天将30吨15℃的水升温到50℃，总共耗费的能量为：＝4.2×30×10^3×（50－15）≈4.4×106KJ
• 式中：Q—该热水系统运行需要的能量（KJ）
• Cp—水的定压热容（Cp=4.2KJ/(kg℃)
• △T—水的温差（即热水温度与基础水温之差）
• m—水的质量（kg）
• 若上述热量由燃油锅炉提供：
• 每天耗油量为：(4.4×10^6)/（46040×80％）≈120（Kg）
• 每天燃烧柴油费用：120×7.2元/ Kg≈864（元）
• 若上述热量由燃气锅炉提供:每天耗气量为：(4.4×106)/（16742×85％）≈310（m3）
• 每天燃气费用：310×4.2=1302（元）
• 若上述热量由电锅炉提供:
• 每天耗电量为：(4.4×106)/（3600×95％）≈1286（Kwh）
• 每天电费：1286（工业用电)＝1286（元）
• 若上述热量由空气源热泵提供:
• 每天耗电量为：(4.4×106)/（3600×95％）≈1286（Kwh）
• 空气源热泵的全年COP为3，每天消耗的电量为1286/3=428
• 每天电费：428（工业用电)＝428（元）
• 若上述热量由燃煤锅炉提供:
• 每天耗煤量为：(4.4×106)/（13536×55％）≈592（Kg）
每天燃煤费用：592×0.5≈296（元）
类别
耗量/天
单价（元）
费用总价（元/天）
类别
燃煤锅炉
燃油锅炉
燃气锅炉
电锅炉
燃煤锅炉
592kg
0.5
296
效率
55%
80%
85%
95%
燃油锅炉
120kg
7.2
864
能源费用
烟煤Ⅰ类500.0元/t
柴油7.2元/Kg
燃气：4.2元/m3
用电：1.0元/KWh
燃气锅炉
310m3
4.2
1302
电锅炉
1286kwh
1
1286
空气源热泵
428kwh
0.65
278

项目
太阳能热水系统
燃煤锅炉
燃油锅炉
燃气锅炉
电锅炉
系统每天热量
5.66×106KJ
设备投资
1001587
50000
50000
50000
50000
使用寿命
15
5
8
8
15
15年设备总投资(元)
1001587
150000
100000
100000
50000
每年用天数
80
365
365
365
365
每天燃料/电费（元）
428
296
864
1302
1286
每年燃料/电费（元）
34240
108040
315360
475230
469390
15年能源费用（元）
513600
1620600
4730400
7128450
7040850
15年人工费用（元）
0
300000
300000
300000
0
15年运行总费用（元）
1515187
2070600
5130400
7528450
7045850
太阳能与之相比节约
0
555413
3615213
6013263
5530663
• 注：
• 1、以上各个系统投资均未考虑银行利率。
• 2、燃油锅炉系统价格包括锅炉本体、油箱、抽油泵、锅炉房、管道管件保温材料等。
• 3、燃气锅炉系统价格包括燃气锅炉、水箱、锅炉房、管道管件保温材料、入户费等。
• 4、在运行的过程中，考虑阴雨天气等气候条件，此处按全年有80天使用电能来加热。
• 5、以上太阳能热水系统的投资经济性分析是建立在某辐射资源和某地区热水需求的条件下进行的分析。
• 6、太阳能热水系统的推广还应考虑减排温室气体和减少污染物排放带来的社会效益，不应局限于其经济性的的分析。
• 3、①某市第一中学热水系统，每年按285天使用太阳能将30吨15℃的水升温到50℃，总共节约的能量为Q1=30 000×4.2×35×285=1256850MJ。阴雨天气或阳光不足时，每年按80天使用空气源热泵将30吨15℃的水升温到50℃，总共节约的能量为Q2=（30 000×4.2×35×80）/3=117600MJ。
• 故每年总节约能量为：Q= Q1+ Q2=1374450MJ。
• 若上述热量由燃煤锅炉提供:
• 消耗标准煤量为：1374450/（29.308×65％）≈72339.4（Kg）
• 总之：每年节约标准煤72.3吨。15年节约标准煤1084.5吨。
系统运行原理
• 太阳能系统采用温差循环方式自主运行，加热水箱中的水。
• 当太阳能系统管路低于4℃时，太阳能循环泵自主启动，系统开始循环防冻。
• 辅助热源控制：
1、正常采暖模式，辅助加热在低谷电时段按需启动，（深冬时间使用该模式）。
低点谷时段，当水箱温度低于设定温度时，电锅炉启动。当水箱温度高于设定温度，电锅炉停止运行、
2、假日模式：辅助加热在低谷电时段仅仅保证系统的防冻（假日停工、停产阶段使用该模式）。
3、无辅助热源模式（刚入冬或冬季结束期间使用该模式）
防冻控制:采用循环防冻方式防冻。