太阳能光热利用季节蓄热水箱供热采暖系统项目论文.doc

跨季节蓄热太阳能集中供热系统论证分析
河北经贸大学跨季节蓄热太阳能集中供热系统示范项目设计
北京四季沐歌太阳能技术集团有限公司 朱宁 王潇洋 温仁新
一、 跨季节蓄热太阳能集中供热系统定义
所谓跨季节蓄热太阳能集中供热系统，是与短期蓄热或昼夜型太阳能集中供热系统相对而言的。从某种意义上讲，现在普遍流行的小型家用太阳热水器系统以及其它类似装置就属于短期蓄热太阳能供热系统的范畴。由于地球表面上太阳能量密度较低，且存在季节和昼夜交替变化等特点。这就使得短期蓄热太阳能供热系统不可避免地存在很大的不稳定性，从而使太阳能利用效率也变得很低。
随着能源和环保问题日益成为人们关注的焦点,太阳能供暖和热泵技术的不断完善,使得跨季节太阳能蓄热供暖技术越来越体现其在节能和环保方面的优势。系统基本工作原理如下：在春、夏、秋三季，太阳集热器采集的能量，一方面满足当日的生活热水或其他需求；另一方面，有相当一部分多余的热量被送入蓄热装置中储存起来。冬季使用时，除了使用当天的太阳能以外，储存的热量经供热管网送至供热中心，然后由各个热力交换站按热量需求进行分配，并负责送至各热用户。如果储存的热量不足以达到供热温度，可以由供热中心通过控制其它辅助热源进行热量补充。这样一来，实现了太阳能的跨季节储存和使用，在很大程度上提高了太阳能利用率。
二、 客户需求
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、采暖等的需求越来越高。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，北京四季沐歌太阳能技术集团有限公司纷纷投入大量技术精力，派专业技术人员开拓大型太阳能集热工程和采暖工程市场。
采用太阳能供热采暖，节能减排效果明显。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，北京四季沐歌太阳能技术集团有限公司相继建成了一些太阳能供热采暖示范项目，如北京平谷新农村建设项目的新农村住宅、西藏拉日铁路火车站、西藏拉萨墨竹工卡县嘎则新区甲玛沟矿区宿舍楼、山东省淄博市侯庄中学、宁夏灵武智能型五连栋节能日光温室建设、四川烟草公司烟草育苗大棚、西藏扎曲河果多水电站业临时主营地等多处应用在供暖及热水。
三、 设备选型
太阳能供热采暖系统由太阳能集热系统、蓄热系统、末端供暖系统、热水系统、自动控制系统和其它能源辅助加热/换热设备集合构成。
1． 太阳能供热采暖系统集热器比较表
名称
优势
劣势
平板型太阳能
集热器
与建筑结合美观。
内部为铜质结构、吸收传热效率高。
可用于承压系统运行。
玻璃盖板为钢化玻璃。抗冲击能力强。
成本较高。
北方冬季集热效率偏低。
北方地区建议使用防冻液作为介质。
全玻璃真空管型太阳能集热器
性价比高。
全年均可提供充足的热量。
投资回收期短。
1、系统稳定性差，容易出现炸管。
内插金属流道
真空管集热器
全年性能都较高。
集热器集热效率高。
系统在生产和安装过程中的技术要求较高，系统复杂。
价格相对高。
综合考虑各种集热器的性能、热容和造价等因素。在跨季节蓄热太阳能集中供热系统集热器的最终选型上,我们认为全玻璃真空管型太阳能集热器较为理想。

2． 太阳能供热采暖系统液态工质集热器太阳能供热采暖系统可结合的供暖末端系统类型可分为下列三种系统：
1) 低温热水地板辐射太阳能供暖系统；
地板辐射采暖是采用水温度不得高于45℃。
①　 优点：a.高效节能。b.舒适保健。c.热稳定性好。d.节省空间。e.隔音环保。f.寿命长。
②　 缺点：
a.占用建筑层高.b.地面二次装修时，易损坏地下管线。c.室温的温升比散热器系统慢。
　适用范围：适用于精装修公寓、住宅。
2) 水—空气处理设备太阳能供暖系统（风机盘管）；
一般风机盘管供水温度不须超过60℃, 温度在40℃以上的热源即可保证风机盘管系统有效地运行。
①　 优点：
a.温升快。b.布置方式灵活。c.容易实现自动控制。
②　 缺点：
a.舒适性差。b.运行有噪音。c.造价和运行费用高。
适用范围：适用于人停留时间较短的场所，如办公室及宾馆，而不用于普通住宅。
3) 散热器太阳能供暖系统；
水暖散热器是要求的供水温度达到75℃左右。
①　 优点：
a.热源干净环保。b.造价低。c.维护方便。
②　 缺点：
a.舒适性差。b.占用空间。c.供水水温要求高。
适用范围：普通住宅（城内大多数住宅小区）
综上所述：地板辐射采暖的供热水温度低，高效节能、健康环保、无噪音、节省室内使用空间、与太阳能液态工质集热器结合热利用率高等优势广范的利用于住宅、办公场所，被广大群众所接受并利用。
3． 太阳能供热采暖系统按蓄热介质的类型可分为下列四种方式[2]：
图1
1）热水蓄热
热水蓄热装置的结构如图1所示。水箱壁面由混凝土浇注而成。
2）砾石－水蓄热
图2
砾石－水蓄热装置的结构如图2所示。在内壁敷设有不透水塑料材料的蓄热槽中，填充了一定密度的砾石－水混合物，作为主要蓄热材料。
3）埋管蓄热
埋管蓄热装置的结构如图3所示。通过地下埋管，热量直接被存储或释放至埋管周围的土壤中。
4）蓄水层蓄热
图3
蓄水层蓄热装置的结构如图4所示。系统主要由冷井和热井组成。蓄热时，地下水从冷井中抽出，经太阳能系统加热后，重新注回热井；释热时，地下水的流程正好与蓄热时相反。
图4
在实际工程中，具体采用哪种蓄热方式主要取决于当地的地理位置、气候、地质水文等条件，要进行必要的技术经济分析。此外，对于埋管蓄曝和蓄水层蓄热，要进行先期的地质勘探工作，并获得有关管理部门的施工许可证。
四、 设计依据
1． 标准或规范：
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)
2． 设计条件
1）气候条件
项目地点，季候时长，年总日照时数。
2）室外设计参数
集热器倾斜面上日均辐照量：参照06SS128图集中城市辐照量数据表；
年均基础水温，洗浴用水温度，冬季通风室外计算温度，冬季室外平均风速、冬季大气压力、冬季采暖天数。
3）室内设计参数
建筑物
温度（℃）
建筑物
温度（℃）
浴室
25
办公用室
16~18
民用建筑的主要房间
16~24
食堂
14
取采暖季平均室内温度为18℃。
1）采暖耗热量计算分析
依据设计参数条件，如果是节能建筑，则参照《民用建筑节能设计标准》(JGJ26-95)的规定，并依据建筑物的实际情况，确定太阳能采暖的耗热量指标。本工程的采暖的耗热量指标参照下表，取为50W/㎡。

五、 项目案例
1、 气候条件
项目地点：河北石家庄；
季候时长：地区的太阳辐射的季节性变化显著，地面的高低气压活动频繁，四季分明，寒暑悬殊，夏冬季长，春秋季短，春季长约55天，夏季长约105天，秋季长约60天，冬季长约145天；夏季经常达到34度，雨量集中于夏秋季节，总降水量为401.1-752.0毫米。冬季降雪量偏多，总雪量为10.0-19.2毫米；其中春夏日照充足，秋冬日照偏少；
年总日照时数：1916.4-2571.2小时。
2、 室外设计参数
集热器倾斜面上日均辐照量：16.05MJ/（㎡.d）参数天津辐照量数据见下表：

年均基础水温：10℃
洗浴用水温度：50℃
冬季通风室外计算温度：-8℃
冬季室外平均风速：1.8m/s
冬季大气压力：101.69KPa
冬季采暖天数：120天
3、 太阳能供热采暖系统的负荷应按如下原则计算：
太阳能供热采暖系统的供暖热负荷为建筑物耗热量根据国标《采暖通风与空气调节设计规范》GB50019和《民用建筑节能设计标准》(JGJ26-95)，建筑物耗热量应按下式计算：
Q1=A×Q×H=480000×50×86400=2.07×1012（J）=2.07×106（MJ）
式中：A：采暖面积,480000㎡；
Q：采暖每平方米耗热量,取为50W/㎡；
H：采暖时间，24h即24h×3600s/h=86400s；
4、 太阳能供热采暖系统的热水供应负荷为建筑物的日平均用热水量。日平均用热水量应按下式计算：
全校师生约30000人，按全年全校每天用水人数2667人洗浴，约用水量80吨考虑，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30L/（人·次）。则日均生活用水的设计负荷为：
QW=mqrCW*(Tend-TL)=2666×30×4.187×（50-10）=9.42×107（KJ）
式中：QW——日平均用热量；
M——用水计算单位数，2666人；
qr——热水用水定额，根据《建筑给水排水设计规范》GB50015 规定，按热水最高日用水定额的下限取值。30L/人·d；
CW——水的定压比热容，4.18kJ/(kg℃)；
TL——水的初始温度，10℃；
Tend——贮水箱内水的设计温度，50℃；
六、 系统运行说明

特别说明:整个系统，包括太阳能集热器、洗浴供热水箱供热水箱、跨季节储热水箱、归丽晶药罐、控制箱、相关水泵及管件阀门等。
（一）总体设计思想 机械循环 定温放水 确保供水 安全稳定 最大限度节约能源
1、太阳能集热系统对跨季节储热水箱进行循环加热,直至跨季节储热水箱内水温达到设定高温。当跨季节储热水箱温度下降到一定温度值时再次进行循环加热。跨季节水箱加热循环等程全部由蝶阀进行调节。
2、洗浴供热水箱通过自来水压力进行补水，自来水在进入生活洗浴供热水箱前通过板式换热器提取跨季节储热水箱中的热量进行间接加热。当跨季节储热水箱内的水温达到设定温度时，输送到池浴锅炉加热系统进行二次加热后使用。
3、翅片式散热器供热循环：首先采用跨季节储热水箱内热量通过板式换热器加热后的采暖循环热水，如跨季节储热水箱内水温降低到一定温度时，采用跨季节储热水箱内的热水直接与采暖末端进行循环；当跨季节储热水箱温度再次降至直接采暖温度以下时，采用锅炉与采暖末端进行循环加热。此功能为手动操作。
4、图书馆风机盘管供热循环：采用跨季节储热水箱内的热水直接与风机盘管末端进行循环，当跨季节储热水箱温度再次降至直接采暖温度以下时，采用锅炉与采暖末端进行循环加热。此功能为手动操作。
5、太阳能系统自动控制功能有：温差循环、防冻循环。其他补水、供热采暖系统控制为人为操作。
七、 系统效益分析
河北经贸大学太阳能季节性蓄热采暖及热水综合利用项目总投资7000余万元，由国内太阳能行业唯一上市企业四季沐歌太阳能总体设计。采用横双排全玻璃真空管集热器1380组，共使用真空管69000支，总计集热面积为1.16万平方米，总蓄热容量达2万余吨（补充内容：蓄热方式为228个89吨碳钢板水箱，注意如参观者不问可不主动提及），采暖末端采用翅片式散热器。
在节能减排方面，以系统运行寿命15年计算，扣除非采暖季的热能消耗，该项目可减少2.7万余吨二氧化碳排放（年减排1800余吨二氧化碳），节电7006万余度，节约标准煤近1万吨。该项目能满足河北经贸大学近3万师生采暖及热水需求。

现场实际安装情况：

八、 结论：
四季沐歌跨季节蓄热太阳能集中供热系统吸取国外众多经验，通过互联网实现对太阳能热水工程系统的异地监控，实时监测各个终端传感器数据、节能数据和二氧化碳减排量，同时可以远程查询、修改系统运行参数及诊断系统故障，对太阳能系统的正常运行进行实时控制，让客户不再有后顾之忧，真正做到为用户提供24小时智能管家式服务。