拉萨墨竹工卡县甲玛沟矿区宿舍楼短期蓄热采暖系统.doc

拉萨墨竹工卡县甲玛沟矿区宿舍楼短期蓄热采暖系统
北京四季沐歌太阳能技术集团有限公司 徐蒙 胡亚乐 王庆虎
近年来，我国经济迅速发展，人们生活水平显著提高，对生活热水、采暖等需求越来越高。然而，由于常规能源的短缺、价格的大幅波动和对环境保护造成的压力，在一定程度上限制了这些需求的满足。在此背景下，我公司投入大量资金开拓大型太阳能集热工程和采暖工程市场，经过多年的工程示范应用，我公司在太阳能采暖技术上进行了大量的技术研发和项目的设计实施，积累了丰富的经验。
采用太阳能供热采暖，节能减排效果明显；太阳能集热供暖项目具有很好的市场前景，称为“中国太阳能行业发展的蓝海”。随着我国建筑物供热能耗不断下降及太阳能热利用产品性能日益提高，太阳能供热采暖越来越受到人们的重视，相继建成了一些太阳能供热采暖示范项目，近几年来的实践证明，太阳能供热采暖技术上是可行的，但与国外相比还存在一些设计上的缺陷，本文将对拉萨墨竹工卡县甲玛沟矿区宿舍楼短期蓄热采暖系统进行分析，具体内容如下。
1、项目概况
本项目位于西藏拉萨墨竹工卡县嘎则新区甲玛沟矿区，项目包括宿舍楼共2栋，每栋共4层，高约14.4m，每栋楼面积约5083.48㎡，A楼和B楼南北前后约30米，设备间拟建在两栋楼之间的东面地面上。每栋楼1层32间宿舍，2层-4层各36间宿舍，两栋楼共计280间宿舍。
本项目利用太阳能供应采暖及热水两部分所需的热量，热水部分为280间宿舍，按照甲方要求每个房间100L/天计算，取一定预留，设计用水量30吨/天；采暖部分为两栋楼共计5083.48㎡×2=10166.96㎡采暖面积，采暖负荷按照甲方提供的数据：80W/㎡，则两栋楼的采暖总负荷为813.3568KW。采暖采用地盘管方式，采暖系统由设计院设计，设计采暖供水温度为50℃，回水35℃。采暖月份为10月1日——次年4月30日。本项目采用的为短期蓄热采暖技术，由于其局限性，不能完全保证整个系统热水和采暖24小时供应，故本系统选配电锅炉作为辅助能源进行设计。
2、设计依据
（1）《采暖通风及空调调节设计规范》（GB50019-2003）
（2）《建筑给水排水设计规范》（GB50015-2009）
（3）《屋面工程质量验收规范》（GB50207-2002）
（4）《建筑给水排水及采暖工程施工质量验收规范》（GB50242-2002）
（5）《民用建筑太阳能热水系统应用技术规范》（GB50364-2005）
（6）《太阳能供热采暖工程技术规范》（GB50495-2009）
（7）《民用建筑节能设计标准》（JGJ26-95）
（8）《家用太阳热水系统热性能试验方法》（GB/T18708-2002）
（9）《太阳能热利用术语》（GB/T 12936-2007）
3、设计条件
3.1 气候条件
拉萨处于青藏高原温带半干旱季风气候区内，年日照时数达3000小时，比邻省四川省省会成都市多1800小时，比中国最大的东部城市上海市多1100小时，在全国各城市中名列前茅，故有"日光城"之美称。拉萨海拔高达3650米，因而空气稀薄，气温低，日夜温差大。极端最高气温不超过30℃，极端最低气温则可达零下16℃以下。冬春干燥，多大风，年无霜期仅100-120天。年降水量有200-510毫米，集中在6-9月份，多夜雨。相对而言，3-10月份气候温暖而湿润，是西藏最好的旅游季节。
地区太阳能辐照量表
月份
一
二
三
四
五
六
七
八
九
十
十一
十二
辐照量
24.871
24.65
24.015
22.649
23.786
22.963
21.747
21.478
22.732
26.26
26.023
25.025
有效光照
262.4
237.5
258.4
261.8
289.9
269.36
237.8
229.1
240
294.3
279.4
270.5
平均温度
-2.2
1
4.4
8.3
12.3
15.3
15.1
14.3
12.7
8.3
2.3
-1.7

3.2 室外设计参数
集热器倾斜面上日均辐照量：23.85MJ/（㎡.d）
年均基础水温：7.66℃
洗浴用水温度：50℃
冬季通风室外计算温度：1.44℃
冬季室外平均风速：2.0m/s
冬季大气压力：65kPa
冬季采暖天数：211天
3.3 室内设计参数
设计采暖季平均室内温度为18℃。
3.4 采暖耗热量计算分析
采暖负荷按照甲方设计院提供的数据：80W/㎡，则两栋楼的采暖总负荷为813.3568KW。一天采暖负荷为：61489.77MJ
3.5 生活热水耗热量计算
本项目包括宿舍楼共2栋，每栋共4层，每栋楼1层32间宿舍，2层-4层各36间宿舍，两栋楼共计280间宿舍。每间宿舍4人，按每人每两天洗一次澡考虑，生活热水定额参照《建筑给水排水设计规范》（GB 50015-2009）中表5.1.1的规定，选取为50L/（人·次），则设计热水总用水量为30吨（预留2吨）。热水负荷为5317.06MJ
4、设计计算
根据太阳能供热采暖工程技术规范GB 50495－2009中3.3.1的规定，对采暖负荷和生活热水负荷分别进行计算后，应选两者中较大的负荷，由于本工程的特殊性，集热面积的确定按照热水负荷和采暖负荷之和进行确定，太阳能供热采暖系统的设计负荷应由太阳能集热系统和其他能源辅助加热/换热设备共同负担。
4.1 热水部分集热器面积的计算

式中：
——直接系统集热器采光面积，㎡；
——日均用水量，30吨；
——贮水箱内水的设计温度，50℃；
——水的定压比热容，4.18KJ/（㎏·℃）；
——水的初始温度，7.66℃；
——集热器倾斜面上的年平均日太阳辐照量，取23850KJ/㎡；
——太阳能保证率，根据系统使用期内的太阳辐照、系统经济性及用户要求和楼顶情况等因素综合考虑后确定，取值53.80%；
——集热器的年平均集热效率；国标经验值取0.4～0.55，公司取0.50；
——贮水箱和管路的热损失率；经验宜取值为0.10～0.20，本工程取0.2。
经过上述计算得出集热面积为453.60㎡。
4.2 采暖系统集热器总面积计算

式中：
—直接系统集热器总面积，㎡；
—建筑物耗热量，711.6872KW；
—当地集热器采光面上的平均日太阳辐照量，取10月~次年4月份共计7个月的平均值，24785KJ/㎡•天；
—太阳能保证率，34.94％；关于太阳能保证率的说明：太阳能保证率本质上是一个经济指标，理论上太阳能可以有较高的保证率，但不经济。太阳能保证率应根据工程特点、气候特点、太阳能资源和投资状况综合考虑。
—基于总面积的集热器平均集热效率，50%；
—管路及储热装置热损失率，21.94%。
经计算得到所需集热器总面积为：=1360.80m2。
4.3 储热水箱的选型
4.3.1 太阳能热水储热水箱的选取
太阳能热水每天的需求量约为28吨，保证一定的预留，设计太阳能热水水箱为30吨。
4.3.2 采暖储热水箱的选取
太阳能储热水箱的选取，参照GB50495-2009《太阳能供热采暖工程技术规范》中的数据，参照下表，由于本工程采暖太阳能保证率比较低，本采暖储热水箱计算取值为50L/㎡，采暖集热面积为1814.4㎡，则采暖水箱大小为1814.4㎡×50L/㎡=90.72吨。但是相对于短期蓄热太阳能供热采暖系统，保证率仅为35%时，水箱蓄热功能较小，主要作为缓冲作用，因此本工程采用采暖水箱30吨。
4.4 生活热水系统和采暖系统换热
计算思路为当天生活热水系统热量完全经过板式换热器系统换热给采暖系统，在6个小时内换热完成。
4.4.1 太阳能系统换热量

式中：
——直接系统集热器总面积，本计算取生活热水部分集热器面积453.6㎡；
——太阳能热水系统换热量，KJ；
——当地集热器采光面上的平均日太阳辐照量，23850KJ/㎡·天；
——集热器全日集热效率，根据计算取0.47；
——管路及储水装置热损失率，此处取0.2。
根据公式计算得太阳热水系统换热量=4067703.36KJ
此部分热量在6个小时内换热完毕，系统换热量功率=188.32KW。
4.4.2 板式换热器换热面积F的计算

式中：
——换热面积（㎡）；
——系统换热量（W），本计算取282.48KW；
——贮热水箱到热交换器的管路热损失率，一般为0.02-0.05，本计算取0.05
——传热系数，本计算取为3000[W/(㎡·℃)]；
——结垢影响系数，0.6~0.8，本设计取0.6；
——计算温度差，宜取5~10℃，取5℃。
换热设备的传热系数Uhx参考值
类型
容积式水加热器
半容积式水加热器
半即热式水加热器
板式换热器
(W/㎡·℃)
380~410
810~2500
1600~2100
2000~4500
根据公式计算得出板式换热器组换热面积=19.88m2
因此，取生活热水系统和采暖系统换热循环板式换热器组的换热面积为20m2。
4.5 辅助能源选型
采暖锅炉：两栋楼的采暖总负荷为711.6872KW，考虑系统需要热量完全由电锅炉提供，同时考虑高原地区电锅炉效率问题，本工程采暖锅炉采用1个720KW电锅炉。
生活热水锅炉：采用一个180KW电锅炉。
5、运行原理图及相关说明

5.1 基本控制功能
（1）集热温差循环功能
（2）集热管路防冻循环功能
（3）集热管道系统防冻功能
（4）太阳能采暖供暖水箱自动补水功能
（5）太阳能生活热水水箱自动补水功能
（6）生活用水供水控制功能
（7）采暖供热循环控制功能
（8）系统过热散热循环控制功能
（9）太阳能采暖供暖水箱与太阳能生活热水水箱换热控制功能
5.2其他说明
非采暖季节，对采暖系统集热器需要进行必要的遮挡等方法来防止过热。系统中温度等参数为可调，可根据实际情况进行调整。控制柜含变频供水功能。
6、经济效益分析
锅炉每燃烧一吨标准煤，大约产生二氧化碳2620公斤，二氧化硫8.5公斤，氮氧化物7.4公斤。因此燃煤锅炉排放废气成为大气的主要污染源之一。
6.1 太阳能热利用系统的常规能源替代量计算

式中：
—太阳能热利用系统的常规能源替代量(kgce)；
—年太阳能集热系统得热量(MJ)；
—标准煤热值（MJ/kgce），取29.306 MJ/（kgce）；
—以传统能源为燃料时的运行效率，按照项目立项文件选取，当无文件明确规定时，根据项目适用的常规能源，应按照下表选取。
以传统能源为热源时的运行效率
常规能源类型
热水系统
采暖系统
热力制冷空调系统
电
0.31注
/
/
煤
/
0.65
0.65
天然气
0.84
0.80
0.80
注：综合考虑火电系统煤的发电效率和电热水器的加热效率。
6.2 太阳能热利用系统的二氧化碳减排量计算

式中：—太阳能热利用系统的二氧化碳减排量（kg）；
—太阳能热利用系统的常规能源替代量（kgce）；
—标准煤的二氧化碳排放因子（kg/kgce），取=2.62kg/kgce。
6.3 太阳能热利用系统的二氧化硫减排量计算

式中：—太阳能热利用系统的二氧化硫减排量（kg）；
—太阳能热利用系统的常规能源替代量（kgce）；
—标准煤的二氧化硫排放因子（kg/kgce），取=0.0085 kg/kgce。
4、太阳能热利用系统的氮氧化物减排量计算

式中：—太阳能热利用系统的氮氧化物减排量（kg）；
—太阳能热利用系统的常规能源替代量（kgce）；
—标准煤的粉尘排放因子（kg/kgce），取=0.0074kg/kgce。
5、太阳能热利用系统的粉尘减排量计算

式中：—太阳能热利用系统的粉尘减排量（kg）；
—太阳能热利用系统的常规能源替代量（kgce）；
—标准煤的粉尘排放因子（kg/kgce），取=0.0037kg/kgce。
综上所述：本太阳能工程全年的系统产热量=24384493MJ，可节省标准煤1280100kg，二氧化碳减排量3353862kg，二氧化硫减排量10880.85kg，氮氧化物减排量9472.74kg，粉尘减排量4736.37kg。
7、总结
太阳能采暖系统虽然初投资较大，但其在国家能源结构调整、环境保护、改善生活条件及带动经济发展等方面具有较高的社会效益。
（1）太阳能采暖系统作为一项新能源的利用技术，符合国家资源节约与环境保护的基本国策，有利用国家整体能源结构的调整。
（2）从长远角度看，随着常规能源的价格不断上涨及污染治理成本的大幅度上升，太阳能采暖系统的社会及经济效益会更加明显。