很重要大型住宅小区太阳能热水工程项目.docx
《很重要大型住宅小区太阳能热水工程项目.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《很重要大型住宅小区太阳能热水工程项目.docx（13页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
很重要大型住宅小区太阳能热水工程项目
大型住宅小区太阳能热水工程项目
大型住宅小区太阳能热水工程项目
可行性研究报告
项目名称：
大型住宅小区太阳能热水工程（该项目建筑面积达90万m2）
领域：
新能源、环保与节能
申报单位：
起草人：
高毛红（山东桑乐太阳能有限公司,山东省能源研究）
申报时间：
2005.7
一、立项的背景和意义：
面对能源危机和环境问题，国家对可再生能源的利用高度重视。
《中华人民共和国可再生能源法》已由中华人民共和国第十届全国人民代表大会常务委员会第十四次会议于２００５年２月２８日通过，自２００６年１月１日起施行。
在可再生能源法中，国家鼓励单位和个人安装和使用太阳能热水系统，国家设立可再生能源发展专项资金支持可再生能源开发利用的科学技术和示范工程。
我国建筑能耗已占全国总能耗的三分之一以上，已经严重制约了国民经济的发展。
建筑节能意义重大，其中炊事、热水占有相当比例。
该申请项目的示范项目选在威海“五洲·太阳城”住宅区，区内总建筑面积90万m2，整个楼盘分7个小区总计5600余户。
该项目抛弃建筑物上安装太阳能集热器的传统做法，设计建立太阳能热水站工程，采用集中供热水，单户计量收费方式为住户提供生活热水。
该项目建成后，将达到显著的节约建筑能耗、减少环境污染、保持建筑原型设计的三项完美结合效果。
可对大面积住宅小区的太阳能热水工程提供很好的示范作用，该项目规模和设计内容属国内首创。
二、检索查新结论：
暂未进行正式查新。
依平日工作需要时的搜索情况看，暂无发现国内外有如此规模的住宅区集中供热水采用太阳能热水工程。
三、国内外研究综述：
太阳热水系统作为目前技术较成熟、经济效益显著的环保节能型新能源，发展迅速。
据2003年底统计，国内太阳能热水器年产量达1200万m2，累计保有量5000万m2，从业人员达25万多人，年产值120多亿元，年替代能源约600万吨标准煤，太阳能热水器的生产能力和保有量都已居世界第一。
世界上太阳能热利用推广较好、技术成熟的地方是在欧洲。
截止2001年底，全欧洲太阳能热水器累积安装使用量大约为1000万m2，主要是与建筑结合的、二次循环式的太阳能热水系统为主，产品成本和技术含量都比我国高。
2001年全欧洲销售量约为120万m2，形成了大约15亿欧元的市场，而且年增长率约在20%左右。
太阳能热水系统的类型，国内外可大致分成两类：
一类应用于单个家庭，一类应用于家庭以外且用水量较大的用户，国内标准就是将600公斤以上的太阳能热水系统定为太阳热水工程。
太阳热水工程近几年来发展迅速。
不同的太阳集热器，不同的系统工作原理，不同的控制操作方法，应运而生。
而且基本上是围绕着：
①中小规模（几十吨水左右）；②用水集中（客房、浴室）；③单体控制（单套系统）进行设计和施工。
由于水平高低不等，质量参差不齐。
造成一些太阳能热水系统热性能不高、运行不稳定、故障频繁、达不到长期可靠运行的目的。
近几年，大型住宅区的出现，提出了太阳能热水的迫切需求，但国内较大规模的太阳热水工程还在起步阶段，有待解决和研究的问题很多，主要是以下几个方面：
1.太阳集热器的选用：
由于全玻璃真空管的光热性能和绝热防冻性能良好，可全年使用。
所以近年来国内大部分太阳热水工程主要采用全玻璃真空管集热器。
又出于成本考虑，系统的工作原理又都采用开放循环式，真空管内充满循环水。
由此造成真空管有一支破碎，系统将不能正常运行的结果。
尤其是大规模太阳热水系统，真空管数量巨大，对系统的长期正常运行提出了质疑。
如何在性能、成本、可靠性几种因素的优化中选用正确的集热器是首要的关键问题之一。
2.太阳热水系统的运行设计：
太阳能属低品质能源，存在着间断性和低密度两大缺点，但太阳能又是免费能源，所以受到普遍欢迎。
对于太阳热水系统追求的最佳设计、运行的结果，应该是系统的得热量最大、设备投资成本最低、运行能耗最少、控制操作最简单、并且能达到长期运行可靠，检测维修方便。
但由于国内整个太阳能产业还是一个新兴产业，尚处于发展初期，行业内依据国标少，参照国标多。
所以经常是设计无依据，技术不规范，施工不标准，造成许多太阳热水工程运行不理想，不能长期正常运行而失败。
3.太阳热水系统的管路匹配：
随着太阳热水工程越做越大，管路设计是容易疏忽但却非常重要的内容。
太阳热水工程管路主要由两部分组成：
第一部分是太阳能系统自身的工作循环管路。
第二部分是供热水管路。
第一部分中的管路无国标可依，一般是由设计单位依原理而定，既要考虑满足循环，又要尽量减少管道的热损。
第二部分中的管路，如果在由建筑设计院设计时，一般都按国标给排水标准设计，但在由太阳能企业设计时，往往管径标准低于国标，主要原因基于两点：
一是过去通用的热水供应是依靠锅炉产生的，而锅炉是在地面，管路也是由下而上设计，国标是综合水压、流量并能满足顶层用水流量后而决定了管径，而且要能满足全负荷运行要求。
现在太阳能系统热水箱大部分在屋顶，管路是由上而下设计，供热水时，上层和下层分配热水非常容易达到要求，管径无需很粗便可正常使用。
二是管路粗造成热损大，能正常使用才是目的，而且随着恒压变频泵的使用，利用稳定的供水压力一样能满足全负荷运行。
所以说，如果不能实现管路的最佳化设计，就可能出现不是系统循环不好，就是管路热损增加。
有时多花了钱，系统的整体运行效率并不高。
目前，由于太阳热水工程的规模不大，所以输送管线不长，都是近距离输送。
4、太阳热水系统主要设备的选材和控制电器的选用：
住宅建筑的设计寿命都在50年以上，作为理想的配套使用的太阳热水工程自然是运行寿命越长，节能价值越高。
在家庭电器中应该说太阳热水系统的运行环境最为恶劣，一方面，系统的主要部分安装在室外，要经受外部自然环境的考验，酷暑严寒，风霜雨雪。
另一方面，要经受内部水质条件的考验，水温过高后产生的水垢对系统长效运行影响很大。
再加之电磁阀、水泵、继电器系统等设备运行的可靠性，合起来决定了整体系统的运行水平和寿命。
换个说法就是太阳热水工程的设备寿命实质是材料寿命。
工程热性能是否长期稳定实质是对水垢的处理水平。
工程运行的故障率实质是电器设备的产品质量。
5.太阳热水系统的控制：
目前国内的太阳热水工程的运行控制，基本是单元工程控制，为了实现全天候提供热水，一般利用单片机嵌入式系统和继电器控制系统对工程运行和供水进行控制。
由于其在控制技术方面的缺陷，整个系统的自动化程度不高，控制模式死板，系统在太阳辐照变化不定、又要随时满足热水供应的要求下，系统不能自动调整到最佳运行状态。
而且，目前国内太阳热水工程无法对系统性能进行自我测试和优化。
系统运行过程中，设计者和使用者对系统性能和效果没有一个直观量化的指标显示，无法对系统进行自动优化控制，系统不能自动检测和运算出系统的得热量（新国家标准要求）。
所以现有的工程存在如下问题：
①、由于嵌入式单片机和继电器控制在工业控制方面的缺陷，系统的可靠性和抗干扰性稍差，而且与其他控制模块没有标准的接口，系统扩展能力差。
②、可操作性差。
控制系统的操作人机界面并不友好，需要专业的人员进行维护和管理。
有时一些较复杂的工程需要几套控制系统控制才能达到特殊需要，这就给维护和管理带来很大困难。
③、在系统热性能方面，虽然国标规定了日有用得热量和平均热损系数两个重要性能指标，但现在的系统测试都非常复杂，系统很难进行测试。
在欧洲，大部分通过测量特殊设计的储水箱进出口温度及水流量，计算出热水系统的全天得热量，对应每天不同的积累太阳辐照量——全天得热量图的试验点；反复测量9-15个试验点，通过最小二乘法拟合得出系统热性能。
④、对于一个小区内几个或十几个太阳热水工程同时进行远程检测，国内还是空白。
四、主要研究内容：
1、集热器的优化和选型：
如果大面积太阳热水工程采用真空管集热器，首先考虑的是可靠性，如果集热器的摆放又不在一个平面，需要集热器在一定压力下循环运行时，常规全玻璃真空管集热器很难正常工作，虽然可以通过技术手段实现，但付出的代价太大。
本项目采用特殊设计的集热器：
U形管─真空管集热器，此集热器由申请项目单位自主开发设计，已通过德国国家实验室ISFH测试，并设计特有的安装方式。
通过国内几个小型工程的运行测试，效果很好。
该申请项目将首次大规模使用该种集热器。
该住宅区5600户，如果每户每天消耗热水按150公斤计算，每天总量840吨，按山东地区太阳热水工程的采光面积常规设计，需要太阳能集热器采光面积约14700m2。
这个量很大，集热器更需要可靠的安装和运行。
2、实现大规模太阳热水工程的运行优化：
为达到太阳能系统正常的循环运行，一般情况下是完全可以通过技术手段和相关设备实现目的的。
但如果设备繁多，控制复杂，将会对系统的可靠性、操作性带来困难，这不是可以推广的控制系统。
我们通过多年的设计、实践、改进，在满足用户较高的使用要求下，系统控制经过了由简单到复杂，再由复杂到简单的过程。
在中规模全天候、全自动太阳热水工程的控制中实现了在正常使用状态下，主要工作设备只有冷水电磁阀工作的状态。
使运行能耗降到了最低，可靠性也大幅度提高。
只有当太阳能系统遇到特殊情况出现时，这套智能控制系统才通过程序自动进入适应状态，变化运行。
通过该项目将验证这套智能控制系统在大规模工程中的运行性能。
3、对大规模太阳热水系统输送管道的设计和优化：
解决大规模太阳热水系统热水输送管道设计问题。
在对住宅区内几十栋甚至上百栋住宅楼供热水管道的设计时，着重线路优化为核心，再从管材、管径、流量、压力、保温等重要因素的综合计算中，优化出最佳设计参数。
同时计算出大规模太阳热水系统热水输送管道的热损对太阳能系统的损失比例和影响程度。
4、配套设备的优化：
①、解决大型太阳能系统电气设备性价比的采购。
及运行耗能量的性价比。
②、解决大系统的水垢处理设备的设计及清理问题。
③、解决大系统的抗风、防雷问题。
5、提升大规模太阳热水系统的控制水平。
主要研究内容：
1、整个系统监控点的合理设计。
2、运行性能参数采集点的设计和实验测试。
3、变频供水系统。
4、传感及控制系统。
5、远程监控系统。
本项目将在我们已有的大面积太阳热水工程控制技术的基础上，引入工业控制领域的PLC可编程序控制器技术和通讯领域的远程监控技术，针对以往工程的缺陷进行研究。
五、主要创新点、先进性：
1、首创大面积住宅小区太阳能集中供热水工程（建筑面积达90万2）。
2、首创太阳热水工程通过长距离管道输送热水。
3、首创大规模太阳热水工程智能化全自动运行，实现远程监控、微机管理。
控制系统项目创新点：
①、太阳能系统采用集热器模块组合，控制系统也可分为不同的控制模块，可方便的实现整个系统功能的扩展，提高了系统的适应能力。
②、利用PLC可编程控制器及其模块对系统的温度、水位等信号进行检测，控制辅助电加热、泵、阀等执行器件的工作，利用触摸屏人机界面对系统进行控制，系统可靠性高、抗干扰能力强，触摸屏人机界面友好，可操作性强。
③、PLC现场控制系统可以与远程工业控制计算机组建网络进行通信，通过远程工业控制计算机对系统进行情况远程监控，可以利用工控计算机对大型系统多个现场控制点进行控制，提高了系统的可管理性和可维护性。
远程监控可在单位总部监控室内监控全国的大面积太阳能供热水系统的运行情况，进行在线调试、数据采集和故障处理等。
④、系统本身可以进行自我测试和自我优化。
远程工控计算机监控现场运行情况并存储信息，经过复杂数据可得出整个系统直观的得热量、平均热损系数等性能曲线，利用存储的运行信息可实时调整系统参数，进行优化控制，使系统达到最佳运行效果。
4、首创大规模太阳热水工程自检自测自动计算系统得热量（首家达到国标要求）。
5、实现大规模太阳热水工程的热性能达到国家标准。
日辐射量为17MJ/m2时，日有用得热量≥7.5MJ/m2，平均热损系数≤90W/（m3·K）。
6、实现大规模太阳热水工程的经济效益和社会效益指标：
三年收回投资，五年正常运行，10年维护运行，15年维修运行。
六、现有基础、研究方法和技术路线：
1、依托单位
山东省能源研究所（山东桑乐太阳能有限公司）是山东太阳能学会理事长单位，自上世纪80年代开始，就致力于太阳能热利用及其控制方面的研究及市场推广。
自建所（公司）以来至今共设计、施工的太阳热水工程数百个。
使用的集热器种类繁多，建造的工程类型十几种。
早在1994年就获得国家经贸委、国家计委、国家科委联合颁发的优秀节能产品推荐证书。
1994年在行业内首家推出了太阳能热水器配套控制仪表；96年首创“分体外插式辅助电加热器”，使太阳能热水器实现了全天候使用；96年推出的热水王使太阳能热水器实现了全天候全自动；98年将嵌入式单片机技术应用于大面积太阳能供热水系统，使系统实现了全自动；2000年推出的智能王，使太阳能热水器实现了智能化；2004年推出了数码王，使太阳能热水器进入了数字化时代。
本单位在太阳能热利用和控制方面已形成技术和产品优势，在该产业领域名列全国前三名，形成了稳定的市场，年销量超过20万m2，销售收入达1.4亿元。
2、现有研究基础、特色和优势
现阶段已达到的主要技术指标：
该项目集热器采用全玻璃真空管集热器或U型管真空集热器，控制系统采用PLC可编程控制器、触摸屏人机界面和远程监控的工控计算机进行控制，不仅实现了系统的全天候全自动，而且实现了智能化和信息化，使大面积太阳能供热水系统又上了一个新台阶。
本项目属于产学研合作项目。
我们致力于太阳能热利用及其控制技术方面的研究已有二十余年，积累了丰富的经验，并培养了一大批技术专家和人才，其中正研7人，博士1人，客座博士2人，副高30多人，中级职称人数若干，在技术和人才方面实力雄厚。
经过近十年发展，不但拥有大批专家和人才，而且拥有先进的科研开发设施和现代化厂房及生产设备，在原有10000平方米车间的基础上，又新建了12000万平方米的现代化厂房和设备，现已具备年产50万m2的生产能力。
经过多年的市场开拓，建立了庞大的销售网络，在全国有1000多家专卖店，产品远销台湾、德国、南非等地。
以上的技术人才、厂房设备和销售网络的优势，为本项目研制和产业化提供了必要的条件，保证了项目的顺利实施。
3、研究方案、技术路线、组织方式与课题分解
该项目是一项多学科、多专业组合优化工作。
主要由集热器阵列、蓄热水箱、循环管路、变频控制供水系统、泵阀选用、辅助加热系统、传感系统、PLC可编程控制系统、人机界面触摸屏和远程监控系统等组成。
系统的组成如图1所示，下面重点对系统的工作原理和控制要点作介绍：
图1太阳热水工程原理、供热水及其控制系统
工作原理：
U型真空管集热器吸热后使其联管内水温升高，当达到设定水温时，电磁阀1打开，自来水将集热器内的热水推进蓄热水箱，当定温点水温降低后，电磁阀自动关闭，当光照继续加热集热器内水温达到设定温度后，电磁阀1又自动打开，这样反复加热脉冲式送水，如果集热器和水箱匹配，光照结束后，水箱内充满所要热水。
如果水箱提前充满（有剩余热水），系统自动进入温差循环状态。
定温电变成高温点，水箱内是低温点。
通过循环泵与蓄热水箱循环使蓄热水箱温度继续升高。
辅助热源（预定天然气锅炉）在太阳能量不足时工作，作为太阳能的补充，同样实行定温直流方式，系统全自动运行。
有情况变化，电脑芯片的程序也随之变化按已定程序工作适应变化。
变频控制系统通过变频器控制水泵给各终端供水，终端供水水压恒定，而且使供水管路中存水与蓄热水箱之间定温循环，实现出水即热。
PLC可编程控制系统利用传感系统采集现场数据，并对数据进行分析和处理，触摸屏人机界面对系统参数进行设置，控制泵阀和电加热等执行器件的工作，使整个系统可靠运转。
PLC可把系统数据通过远程通信传送给工业控制计算机，通过工业控制计算机可对系统进行远程监控。
①、集热器
系统采用U形管─真空管集热器,集热器单体采用模块化制作，太阳能集热器阵列采用集热器模块化组合。
U形管─真空管集热器是在全玻璃真空管中插入弯成U形的金属管，在U形管和玻璃真空管之间有与二者紧密接触的金属翅片，进行热量传导。
此集热器为我公司研制的新型产品，除具全玻璃真空管集热器的优点外，集热器可在承压下运行，更适合较复杂的运行状态，更适合安装现场的变化要求，可更好的优化系统，该集热器已通过德国国家实验室ISFH测试。
②、变频控制供水系统
变频控制系统通过变频器控制水泵给各终端供水，使终端供水水压恒定，而且实现出水即热。
原理如下：
通过远传压力表传递压力给变频器，变频器控制热水循环泵使整个供水管路恒压，解决了太阳能供水水压不足的缺陷。
为实现供水出水即热，避免管道冷水的影响，在供水管路放置温度传感器检测供水管路温度，当温度低于系统设定温度时，打开电磁阀，这样远程压力表、变频热水循环泵和蓄热水箱组成一个回路，变频泵使管路冷水与蓄热水箱热水循环，直到管道温度高于系统设定温度时电磁阀关闭循环停止，这样实现了整个系统供水的出水即热。
图2变频控制供水系统
③、传感系统
控制系统设置了多个温度传感器、水位传感器等对系统运行情况进行检测，为了对系统自身进行自我测试和自我优化，在系统集热器周围安装了太阳辐射仪，太阳辐射仪可以对太阳能辐射能量进行检测，可以与系统的运行情况形成对照表，测试整个系统的运行效果和热性能。
PLC可编程控制系统和触摸屏人机界面
PLC可编程控制系统是整个系统的大脑，控制整个系统的运行。
（1）集热器和蓄热水箱通过循环泵换热，通过太阳能辐射能量和温差双重控制循环泵，提高系统热性能。
太阳能辐射能量通过太阳辐照仪检测，当单位太阳能辐射能量达到一定值时泵运行，低于一定值时泵停止。
检测集热器高温点温度T1和循环泵入口处温度T2，当T1-T2≥△T1时泵运行，当T1-T2<△T2时泵停止。
（2）蓄热水箱与电热水箱的循环控制和电热预约控制。
系统根据使用要求设定好每天的用水时间、用水量等用水要求，PLC根据此要求对系统进行模糊控制，当太阳能量不能满足使用要求时，可自动开启辅助电加热系统进行补充。
系统检测电加热水箱的水温T3，通过此温度控制蓄热水箱与电热水箱的循环。
T3≥TP时电加热关闭，泵运行；T3依次循环，直至达到使用要求。
TP为系统设定热水温度。
（3）太阳能系统管道的防冻控制。
在我国北方地区，在寒冷季节太阳能循环管道容易冻堵，系统采用自限温电伴热带敷设预热管道或管道循环防止冻堵。
系统检测管道最低温度T4，当T4<4℃时电伴热带或管道循环启动，当T4≥10℃时电伴热带或管道循环关闭，实现防冻的自动控制。
触摸屏与PLC通过数据线进行通信，通过操作触摸屏对系统进行控制。
触摸屏使人机界面更友好，操作更方便。
④、远程监控系统
PLC可与工控计算机之间进行远程通信，通过工控计算机可远程监控系统的运行。
通信方式分有线和无线两种方式：
（1）有线通信方式，如下图所示：
图3有线通信方式
通信方式为串行通信，通信接口为RS232接口，由于RS232接口传输距离近，直接采用RS232方式不能满足传输要求，这样通过RS485方式，RS232与RS485之间采用通信转换。
（2）无线通信方式，如下图所示：
图4无线通信方式
此通信方式为GPRS的无线通信方式。
此通信方式先向INTERNET运营商申请ADSL等宽带业务，监控中心采用ADSL等INTERNET公网连接，采用公网固定IP，监控点直接向中心发起连接，运行可靠稳定。
监控中心工控计算机可与多个PLC控制系统组成网络，实现监控中心对多个现场控制系统的监控。
利用监控中心工业控制计算机的强大功能，可对现场的数据进行存储和处理。
根据每日系统的产热水量可以计算出系统的得热量，利用太阳辐照仪可求得系统的太阳辐射热量，自动生成日、月、年系统得热量和太阳辐射热量对照表，对系统热性能进行评价。
根据存储的得热量数据，可调整系统的运行参数，使系统运行到最佳效果。
远程监控可实现在单位总部监控室内监控全国的大面积太阳能供热水系统的运行情况，进行在线调试、数据采集和故障处理等。
七、该项目的经济效益和社会效益分析：
1、节能效果：
为了准确地计算太阳热水器节约常规能源的数量，一般以节约多少标准煤为衡量依据：
Gc＝Qs365B／Hcη1η2
式中：
Gc———太阳热水器年节约标准煤数量，㎏
Qs———太阳热水器单位采光面积的日有用得热量，KJ/㎡
B———全年的日照百分率，％（可查，北京为63％）
Hc———标准煤的热值，29307.6KJ/㎏
η1———管道输送效率，％（可取85％～90％）
η2———锅炉运行效率，％（可取55％～68％）
太阳热水器节约其他常规能源的计算，为便于说明计算方法，首先做出有关参数的选定：
①、各种常规能源的低位发热值不同，计算中按有关资料的数据
②、使用电、气、油、煤等能源装置的运行效率不同，分别设η电＝90％，η气＝80％，η油＝70％，η煤＝60％
③、管道输送效率η1均按90％考虑
④、太阳能资源使用北京地区的数据。
采用公式Gc＝Qs365B／Hcη1η2计算的结果如下
单位面积太阳热水器年节约能源量
能源种类
装置效率
（％）
输送效率
（％）
低位发热值
每㎡热水器
年节约能源量
电
90
90
3600KJ／KWh
660KWh
天然气
80
90
36006.5KJ／㎡
74㎡
液化气
80
90
43542.7KJ/㎏
61㎏
城市煤气
80
90
16747.2KJ/㎏
160㎏
200＃重油
70
90
41900KJ/㎏
73㎏
100＃重油
70
90
40600KJ/㎏
75㎏
渣油
70
90
41800KJ/㎏
73㎏
0＃柴油
70
90
42900KJ/㎏
71㎏
石煤
60
90
5032KJ/㎏
709㎏
褐煤
60
90
11720KJ/㎏
304㎏
无烟煤
60
90
24420KJ/㎏
146㎏
烟煤
60
90
17690KJ/㎏
201㎏
沼气
80
90
17937KJ／㎡
149㎡
中图分类号：
TM513文献标识码：
B文章编号：
1671－5292（2004）06－0075－03
如果该项目采光面积选定14700㎡（每户每天150公斤）全年节约：
电
天然气
液化气
城市煤气
200＃重油
100＃重油
渣油
0＃
柴油
石煤
褐煤
无烟煤
烟煤
沼气
9702000
度
1087800㎡
896700
kg
2352吨
1073吨
1102吨
1073吨
1044吨
10422吨
4468吨
2146吨
2955吨
2190300㎡
如果每度电按0.54元计算，全年可节约523万余元，
如果天然气按每方2元计算，全年可节约217万余元。
如果0＃柴油按每吨4000元计算，全年可节约417万余元。
2、环保效果：
太阳热水器的环境效益主要表现在它对环境污染物的减排能力，即向大气环境减少排放CO2、SO2和粉尘的数量。
通过计算，太阳热水器每节约1t标准煤，就等于减少向大气排放：
CO2
SO2
粉尘
0.72吨
0.02吨
0.2吨
如果该项目采光面积选定14700㎡（每户每天150公斤），每年按节约烟煤2955吨计算，可减少向大气排放：
CO2
SO2
粉尘
2127.6吨
59.1吨
591吨
3、经济效益
据建筑行业披露的信息，全国在建住宅区50万平米以上规模的就有400个。
太阳能集中供热
升级会员 