太阳能热水系统在寒冷地区的应用资料.docx

1、太阳能热水系统在寒冷地区的应用资料太阳能热水系统在寒冷地区的应用一、前言随着国民经济的发展，能源需求量日益增加，能源利用情况紧张，而常规能源的大量使用必将对环境造成不利影响。太阳能作为可再生能源的一种，取之不尽，用之不竭，同时又不会增加环境负荷，将成为未来能源结构中的重要组成部分。我国属太阳能资源丰富的国家之一，年辐射总量大约在3300-8300MJ/（m2.a），全国2/3以上面积地区年日照小时数大于2000h，每年陆地接收的太阳辐射能相当于2.4万亿吨标准煤，具有太阳能利用的良好条件。在建筑能耗中，生活热水、供暖能耗占了相当的比例，利用太阳能来满足生活热水、供暖这些低品位能耗的要求具有巨大

2、的节能效益，因此，太阳能采暖技术越来越受到人们的重视。二、太阳能资源利用的国际市场欧洲各国由于重视节能和利用可再生能源，加上城镇和郊区基础设施完善，多年来积累了对供热基础设施进行节能改造、兴建可再生能源供热（生活热水和采暖）设施的大量经验。 欧洲各国的城镇基础供热（basicheating）大多是由区域供热（districtheating）设施提供的。而中欧、北欧国家的供热设施最为完善，传统上多采用建设大型热力站的方式为住户供热，这就使得大型太阳能热力站（Largescale Solar Heating Plant）技术在欧洲得到了大量的工程应用。 欧洲大规模太阳能热水技术的工程应用普遍具有以

3、下特点： 统一规划设计 新建和供热系统节能改造并存，系统类型多样 太阳能热水系统作为辅助系统与区域供热系统结合 全天候运行 既提供生活热水，也提供采暖 整合供热先进技术和设备，系统效率高 多元化组合能源系统（燃气、燃油、燃木屑、生物质能、电等）。 平板式集热器为主，安装部位有屋面、墙面、地面，可替代屋面板（德国、挪威）、与屋顶窗合（丹麦）等。 丹麦Marstal太阳能热力站为供热系统节能改造项目，利用太阳能和生物燃料替代废油为当地居民2700人提供区域供热。丹麦的另一座AEroskobing太阳能热力站，总集热面积4900m2，为550户居民供热，相当于每户平均安装太阳能集热面积9m2，年供热

4、能力21GWh，相当于全年热负荷1618，夏季可提供相当于全部需求75以上的热水，其余用热需求由燃秸秆锅炉完成。上述两座热力站均通过新建太阳能供热系统，与原有区域供热设施相连，并采用热泵技术进行蓄热，以提高太阳能供热的比例。 瑞典Kungalv太阳能热力站，是城镇供热系统的组成部分，总投资273万欧元（273欧元m2集热器），邻Munkgarde区域热力站而建。该区域热力站由设计能力为5MW的太阳能热力站与一个12MW的燃木屑锅炉、两个12MW的燃油锅炉相连，配备了1000m3的蓄热水箱，800个面积为125m2的平板集热器按阵列布置在一块废弃的农田上。2002年，太阳能供热系统的产能已接近4

5、GWh，整个热力站的年供热能力接近90GWh。 芬兰赫尔辛基北部的维埃基新城，2002年建成“生态维埃基（Ekoviikki）”居住宅区大型太阳能热力站系统，系统由8个多层住宅系统复合而成，每个多层住宅系统有80250m2的集热面积，总集热面积共1248m2。集热器安装在坡屋面上，每块集热器面积特制为10m2。太阳能热力站与居住宅区低温循环供暖系统联合使用，为368户、35625m2的住宅提供生活热水和供暖。目前，50以上的采暖和生活热水可由太阳能提供。太阳能热力站建设费用80万欧元，而太阳能热水系统所增造价，仅使住宅销售价格提高了0.5。 大型太阳能热力站的优势在于整合能源资源结构、整合优势

6、供热技术和设备，提高区域供热效率。但是，由于一次性投资大、回报时间长等原因，造成大型太阳能热力站在欧洲市场上缺乏经济竞争力，但从技术的层面来讲，欧洲的工程技术经验值得我们研究和借鉴。另外，开发和利用太阳能，在我国小城镇建设住宅区级太阳能供热系统，不仅仅是解决对于某些国家和地区来说的能源绿不绿或用不用的问题，而是要解决能源有无的问题。 我国近10年来太阳热水器行业发展迅速，目前已拥有世界上独一无二的不靠政府补贴的巨大市场。但是，尽管我国太阳能热水市场的总量在世界上居于首位，但人均却只有中等水平。加强太阳能热水技术、特别是集中式太阳能供热技术的集约化、标准化、产业化工程应用，将成为推动和扩大太阳能

7、产品市场发展的有效途径。可以预言，如果说分户式太阳能热水系统为中国成功地启动了太阳能热水产品市场的话，那么根据气候特点和太阳能利用条件，统一规划和建设大规模集中式住宅区级太阳能供热系统，可以使太阳能热水产品市场得到进一步扩大，并为寒冷地区供热工程的进一步发展带来新的机遇。 不难看出，寒冷地区未来太阳能热水系统和产品市场的潜力更为巨大，如能通过技术开发和市场引导，可以有效地利用太阳能为寒冷住户改善生活居住条件，提高生活质量。一方面，通过规划设计合理的太阳能供热服务半径，不仅可以实现为寒冷地区提供生活热水、还可以实现为寒冷地区住宅解决基本采暖的目标。另一方面，对于现有寒冷地区的供热基础设施的节能改

8、造来说，建设与原有供热设施相结合的大型太阳能热力站，通过合理的能源组合，实现增效和节能，可以有效地减少常规能源的使用，减少CO2排放，保护城市的生态环境。三、太阳能供热系统实例 中国延安干部学院添建工程充分考虑到了这一点，其太阳能供热系统是由太阳能采热、换热两个独立系统组成。其中太阳能集热系统采用国外先进设备，集热板采用进口蓝膜平板集热器，提高系统集热效率，运用温差循环系统原理，是目前国内西北地区最大、最先进的系统模式，被陕西省住房和城乡建设厅列为太阳能光热示范项目的工程。该工程为国内寒冷地区今后大体量太阳能供热工程的实施提供了借鉴经验。3.1工程概况中国延安干部学院添建项目是为了进一步贯彻中

9、央和中央领导“继续大规模培训干部，充分发挥党校、行政学院、干部学院作用，大幅度提高干部素质”的指示精神，完善原学院工程在教学、生活等功能方面需要，经国家发改委立项批准于2010年3月开始建设。太阳能热水工程是体现添建工程节能、环保、绿色理念的措施之一，被陕西省住房和城乡建设厅列为太阳能光热示范项目的工程。添建工程由中国建筑西北设计研究院设计，生活热水供应范围仅限于添建范围建筑，总建筑面积约3.4万平方米，设计热水日供应量26t/d，热负荷5810000KJ。中国延安干部学院添建项目热水供应系统的热媒采用太阳能主供热和锅炉辅助供热系统，以确保系统的安全可靠。太阳能热媒作为主供热热媒，当交换出的生

10、活热水能够满足要求时，锅炉系统的辅助换热系统就关闭；当遇到冬季、阴雨等天气，太阳能主换热不能满足要求时，锅炉系统的辅助换热作为补充和保证。3.2太阳能供热系统的选型及构成 3.2.1 地理位置及光照条件延安市所处地理位置为北纬37度37分，太阳能资源分类为二类分布区，年平均光照22003000小时，年利用太阳能3001191MJ，太阳能保证率可达到50以上。为了最大限度缩短太阳能热水系统管道长度、减少热量损失、并充分考虑到系统与建筑群的协调统一，太阳能集热板矩阵布置在中国延安干部学院东侧锅炉房、动力中心、花房屋面上，一字排列，太阳能集热板矩阵全长155米。3.2.2 太阳能集热系统防冻设计要点

11、 太阳能集热系统防冻设计是严寒寒冷地区太阳能液态工质集热器系统应用的关键问题之一，主要包括系统工艺设计和控制策略设计。 太阳能集热系统常见的防冻措施主要有集热系统防冻液防冻、集热系统排空防冻、集热系统排回防冻、电伴热带防冻和蓄热水箱水反冲循环防冻等几种。（1）集热系统防冻液防冻 该方法通过在集热系统中充注防冻液防冻，适用于金属流道集热器间接系统，尤其在平板太阳能集热系统中应用较多，国外较常见。 该方法的主要优点为防冻可靠，防冻温度可调；缺点主要有：a.防冻液较贵，投资会增加；热容较大，夜间降温后白天太阳能将其加热有损失；b.常用防冻液在高温条件下会分解，具有腐蚀性，需采取措施保证其工作温度在分

12、解温度之下；c.常用防冻液寿命一般5年左右，需要更换防冻液，带来费用增加。（2）集热系统排空防冻 该方法在循环泵停止运行后，集热系统中的水通过重力作用落回贮热水箱，屋面集热系统不存水，从而防止冻结发生。该方法多用于平板集热器直接系统，国内应用较普遍。 该方法的主要优点为简单，易操作，投资小；缺点主要有：a.系统采用直接系统，一般用于寒冷地区，严寒地区慎用；b.管路频繁排空充满，容易锈蚀，水质易受污染，对管路寿命有影响；c.集热器和管路的安装坡度有严格要求，以保证集热系统中的水能完全排空，实际施工中难度较大，往往会有局部水未排空造成冻坏。（3）集热系统排回防冻 该方法在循环泵停止运行后，通过重力

13、差将储液罐中的空气顶入集热系统，使屋面上系统中充满空气以达到防冻效果，系统示意如下图所示。该方法主要用于金属流道集热器承压的闭式小型系统，尤其在平板太阳能集热系统中应用较多，主要在国外系统中应用。集热系统排回防冻示意图该方法的主要优点如下：a.简单可靠，可用于严寒和寒冷地区，直接和间接系统均适用；b.屋顶管路内空气热容较小，可有效降低日夜间管路介质的再热损失；c.储液罐内的空气固定，对管路有保护作用，腐蚀小；闭式系统也可有效保护水质。 该方法也存在如下缺点：a.储液罐中空气容积有限，只能用于小型系统中；b.系统采用闭式系统，并增加了储液罐，投资有所增加；c.系统必须精心设计，确保空气能将介质顶

14、回。（4）电伴热带防冻 该方法通过在集热系统管路上敷设电伴热带，当管路温度低于设定温度时，电伴热带启动利用电加热管路，防止管路冻结。该方法应用范围较广，国内应用较多。 该方法的主要优点为简单易行，但也存在如下缺点：a.需要消耗额外的电能防冻，系统能效会降低；b.无电缺电地区无法应用，不可预见的停电可能对系统造成重大破坏；c.不合格的产品和安装方式可能有火灾隐患；d.主要针对管路防冻，对集热器本身有防冻要求的系统作用不大。（5） 蓄热水箱水反冲循环防冻 该方法通过在集热系统典型位置设置温度测点，当该温度低于设定值时开启循环泵，将贮热水箱中高温水引出冲刷系统以实现防冻。该方法适用性较好，可用于多种

15、集热系统，国内应用较多。 该方法的主要优点为简单易行，无需增加其他设备；主要缺如下：a.需要消耗额外的电能和蓄热量来防冻，系统能效会降低；b.无电缺电地区无法应用，不可预见的停电可能对系统造成重大破坏；c.长期无日照的情况下可能导致水箱水温过低失去防冻效果。 经过各方研讨对比决定，该工程选择防冻液防冻，根据相关文选资料显示延安地区历史最低气温是1991年的-23，所以太阳能集热器换热介质选用凝固点在-30的防冻液。防冻液采用乙二醇，乙二醇是集防腐、阻垢、防冻和长效为一体的环保防冻导热液。良好的抗低温性能和防腐性能，特别适合于高寒地区的太阳能系统导热，导热性能优良。在高温情况下（120）性能非常

16、稳定，其热压膨胀性远低于做为普通介质的水。可保护铁、铝、铜、锡等绝大部分金属，聚乙烯、聚丙烯等合成材料不受腐蚀。3.2.3 系统构成及设计指标（1）热水产量：65吨/d（2）最低运行温度：-30度（系统充防冻介质：乙二醇）（3）换热方式：热交换器间接换热+锅炉辅热（4）集热板倾角：45（5）运行方式：PLC智能化自动控制，双系统并列运行。（6）集热板面积936 m2（共468块集热器，其中1#系统270块，2#系统198块）（7）集热器器类型：进口蓝膜平板集热器（8）管道：镀锌钢管，卡箍（耐高温硅胶密封圈）和丝扣连接（9）系统保温：50mm厚离心玻璃棉外加不锈钢铁皮保护壳（10）支架：404热

17、镀锌角钢定型支架，不锈钢螺栓连接（11）各系统支架接地电阻13.2.4 集热器的选型目前常用的液态工质太阳能集热器主要分为平板型太阳能集热器和真空管型太阳能集热器两类。真空管型集热器又可分为全玻璃真空管太阳能集热器、热管真空管太阳能集热器和U形管真空管太阳能集热器三种。其中全玻璃真空管太阳能集热器流道为玻璃管腔，其他三种集热器流道为金属流道，承压性和可靠性较好。太阳能集热器最重要的性能参数是其热性能。太阳集热器的热性能用稳态条件下的瞬时效率方程表示如下：= 0- a1Ti- a2 G(Ti)2稳态条件下运行太阳集热器的瞬时效率，即集热器实际获得的有用功率与集热器接收的太阳辐射功率之比；0 a1

18、 a2通过检测拟合得出的常数项和系数；G太阳总辐射辐照度，W / m2；Ti归一化温差，Ti=（ti-ta）/ G。典型平板和真空管太阳能集热器的效率曲线如下图所示。真空管集热器和平板集热器相比较，真空管集热器的优点是集热效率高、成本低、积尘少、防风性好；缺点是软性连接不能承压运行、易破损、热容大。平板集热器的优点是：春、夏、秋三季集热效率高、热容小、可承压运行、寿命长、故障率低、易于与建筑结合、有效采光面积大；其缺点是：冬季效率低、防冻性能差、风阻大、易积雪积尘、造价高。对于该系统，主要适用的集热器类型为真空型和平板型两种。经过比较，最终选择安全性能更为优越的平板型集热器。鉴于建设方对系统效

19、率的要求，综合考虑该地区的气温情况，该集热系统选用进口蓝膜平板集热器，提高系统集热效率，并确保该项目的安全可靠。太阳能能集热板设置在原一期工程锅炉房、添建工程动力中心及花房屋面，有效的利用了原一期及添建工程的建筑空间，节约了投资。 3.2.5 集热器倾角设计根据GB/T 50364-2005，集热器倾角应与当地纬度一致；如系统侧重在夏季使用，其倾角宜为当地纬度减10；如系统侧重在冬季使用，其倾角宜为当地纬度加10。全玻璃真空管东西向水平放置的集热器倾角可适当减少。中国延安干部学院添建工程太阳能集热器方位选择朝南放置，考虑到当地的光照条件春夏均无问题，为了使秋、冬季集热系统能获得最佳太阳辐射，倾

20、角比当地纬度大8（当地纬度为37度36分），确定集热器的安装倾角为45。集热器的布局与连接方式：集热器的布局有多种形式，主要根据现场位置、集热器位置和集热器数量面积的多少确定。可单排、双排或多排布置，排与排之间可并联、串联或交串联。具体如下：平板集热器单排并联，不应多于50M2（25块），对大于100M2集热器的系统，不应采用双排串并联，应采用多排并联的布局。该工程选用多排并联布置，排与排之间间距2.0米，充分利用了太阳的光照面积。3.2.6 太阳能集热器的支架用于支承固定集热器起到防风抗震的作用，为使支架整体协调、美观、坚固耐用，采用热镀锌角钢定型组装件制作，支架与槽钢底座、槽钢底座与混凝土

21、条形基础刚性连接，避免了直接与屋面连接，破坏楼顶防水层，造成漏水的问题。并排支架焊接联为一体，确保集热器抗风沙强度。经中国西北设计院审核计算，符合负荷要求。支架通过镀锌扁刚与建筑物接地系统联通，满足防雷要求。3.2.7辅助加热系统辅助加热系统主要有电辅助加热系统、燃油锅炉辅助加热系统、燃气锅炉加热系统、蒸汽辅助加热系统、暖气加热系统。无论采用何种辅助加热系统，其功率大小的选择都应按在太阳能不工作时，完全靠辅助加热系统能保证热水供应来确定。不同的辅助加热系统主要应注意以下问题：1.电辅助加热系统 电辅助加热系统主要应确定电加热的功率大小。电加热功率大小的确定主要考虑两个因素，一个是需要多大电功率

22、，另一个是用户能提供多大功率的电量。若后者大于前者，则按前者确定，若前者大于后者，则只有按后者确定。需要多大电功率P需的确定： 日用水量（Kg）*温升（）*水的比热 （KW）P需= 时间（h）*860（大卡/h） 也可按每千瓦电功率每小时可加热25Kg的水来确定（温升30）需要电功率的大小。注：凡安装电加热系统的工程，一定要按有关规定做好接地保护和漏电保护。2燃油、燃气锅炉加热系统 目前国内的燃油锅炉主要是柴油炉、煤油炉和燃油炉；燃气锅炉主要有天燃气、液化石油气、煤气锅炉，无认哪些燃油、燃气锅炉，都分为承压和不承压两类。目前使用的大部分以无压锅炉居多。燃油、燃气锅炉功率大小的确定与需要电功率的

23、计算方法相同。3.3太阳能供热系统原理及运行方式3.3.1太阳能供热系统原理太阳能供热系统的运行方式主要有以下几种：1自然循环系统原理：在光照条件下，集热器内的水被加热，与贮热水箱内的水相比，集热器内的水温较高，比重减小变轻，上升到处于较高位置的水箱内，水箱内的水由于温度低、比重大，自动流到较低位置的集热器内，如此不断循环，将贮热水箱内水加热。优点：不需电等常规能源，也不需专人管理，可实现自动循环。缺点：水箱必须置于太阳能集热器高的位置，由于冷热水比重差很小，因此循环缓慢，要求较粗管径和严格的坡度，以减小阻力，因而不宜做成较大的系统。 适用范围：较小系统（30M2以内），单台家用、小型工程、多

24、个小系统并联。2强制循环系统温差强制循环系统:在光照条件下，集热器内水被加热升温。当集热器水温高于水箱水温时，温差控制器自动打开循环水泵，将集热器内热水泵入水箱；当集热器内水温低于水箱水温时，自动关闭水泵。定流量强制循环系统:有阳光时水泵自动循环，无阳光时水泵自动停止。两种强制循环系统比较:温差强制循环系统：此系统可实现智能化控制，热效率较高、热损失较少， 比定流量循环系统更科学、合理。定流量循环系统：此系统靠光控实现智能化控制，与温差循环系统相比，缺点是系统经过一段时间循环后，水箱内的水温升高到一定的温度，集热器内水温可能会由于当时光照不强而低于水箱温度，这时由于有太阳光照，光控仪仍使水泵循

25、环，水箱内的高温水流经集热器和管路，造成系统热损失。而温差循环系统则不存在此问题，但定流量循环系统对于太阳能游泳池和太阳能温水养殖则比较适宜。适用范围：定时、定人洗浴的单位使用。3.定温放水系统原理：在太阳能集热器内加一温度探头，并与温控器相联，在光照条件下，当集热器内水温达到设定值时（可在100内任意设定），温控器使电磁阀工作，将冷水抽入集热器，并将集热器内达到设定温度的热水顶入贮热水箱，当集热器内水温达不到定值时，电磁阀自动停止。适用范围：不受采光面积限制，可24小时供热水。与辅助加热系统配合，用水量可多可少。不受洗浴人数限制，方便可靠。4.U型管二次回路系原理：将整个太阳能系统充满防冻液

26、，贮热水箱内加装换热器。有阳光时水泵自动循环，无阳光时水泵自动停止，如此不断循环将集热器内的防冻液加热后经换热器以热传导方式将贮热水箱内的水加热。优点：防冻，耐高寒。缺点：由于防冻液对人体有害，安装过程中必须确保管路不泄漏；由于水箱中的水是经过换热器的二次传加热的，所以热效率比真空管低。适用范围：适合北方高寒地区的定时、定人的单位使用。经过比对，该工程选用温差循环系统，在大型热水工程中，基本都采用这种运行方式。在太阳光照条件下，在太阳能集热器的出水末端和水箱内均增加一个温度探头，采用控制器控制，通过设定温差控制功能，当集热器内的水温与储热水箱中的水温之差达到设定值时，控制器开始动作，控制启动热

27、水循环泵，把集热器中的高温水和储热水箱中的低温水交换循环；当集热器中的水温与储热水箱中的水温之差低于设定值时，控制器开始动作，停止热水循环泵工作；如此不断循环，从而使整个储热水箱中的水温升高。 温差循环系统相对稳定，放水系统产热水速度又大大提高，通过采用循环泵，换热频率提高，可以始终保持储热水箱内的水温相对较高，当水箱为满水位时，当集热器的水温较高时仍然可以循环换热，大大提高集热器的利用率。3.3.2 运行方式当太阳能集热系统回水端温度高于热媒水箱水温7度时，控制系统开启循环水泵通过板式换热器自动循环换热，当太阳能集热系统回水端温度不高于热媒水箱水温3度时系统停止循环换热。热媒水箱与第一级容积

28、式热交换器由2台变频水泵来实现。控制条件是热媒水水温必须大于容积式热交换器进水温度5时变频水泵才具备启动条件。变频泵的运行频率取决于水泵出口压力，水泵出口压力取决于容积式热交换器热媒进口处自力式温控阀的开度。（为防止水温过高发生烫伤事故，温控阀关闭温度设定为45）生活热水经太阳能热媒水换热后进入第二级容积式换热器进行锅炉辅热，锅炉辅热取决于进入换热器的水温，水温决定了自立式温控阀的开度，温控阀关闭温度为45，锅炉辅助供热系统关闭。3.3.3 智能控制系统控制系统采用PLC智能控制系统，可自动控制或手动控制。为保证太阳能系统获得更好的效益，系统运行时可根据天气条件进行调节，并在太阳能与常规能源之

29、间进行灵活的切换。控制系统功能概述：输入：T1、T2、T3、T4、T5、W1、W2输出：DF1、DF2、P1、P2、P3温差循环：当T1-T57（可调）时，启动P1、DF1延时15秒（可调）启动P3；T1-T53（可调）时，关闭P1、DF1、P3；当T3-T57（可调）时，启动P2、DF2延时15秒（可调）启动P3；T1-T33（可调）时，关闭P2、DF2、P3。高温保护：T190（可调到100），P1、DF1不启动。T390（可调到100），P2、DF2不启动。低水位保护：当W215时，P1、P2不启动。3.4系统效能计算分析3.4.1 间接系统的年节能量Qsave=AinJT(1-c)cd

30、式中：Qsave为年节能量，MJ；Ain为太阳能集热器面积，取936； JT当地年总太阳能辐照量，取6680MJ/； cd为太阳能集热器年平均集热率，根据经验值取0.6； c为管路和水箱的热损失率，根据经验值取0.2。Qsave=9366680（1-0.2）0.6 =3001191MJ3.4.2 年节约天然气量 年节约量=11.079万m式中0.75为天然气锅炉的效率，36.12MJ/ m为天然气的发热量3.4.3 年节约煤量：年节约量=157.54吨式中0.65为燃煤锅炉的效率，29.308MJ/kg为标准煤的发热量3.4.4 该系统二氧化硫的减排量Qco2= Fco2式中：W为标准煤热量，

31、取29.308MJ/kg Eff为锅炉的效率，取0.65Fco2为二氧化碳排放因子，取0.866Qco2= 0.866 =500.25吨3.5集热效果系统建成投入试运行后，2011年9月29日在热媒水箱注水50吨、热媒水基础水温35度、室外温度25度、光照良好的情况下，经一日运行，热媒水温上升32度，由此推算系统集热量大约为5950000KJ；2011年12月8日气温较低（-5度）、光照较差条件下，系统运行后热媒水温上升8度，集热大约为2380000KJ。与设计每日平均集热量5810000KJ比较，系统集热效果达到所处季节的设计要求。四、结束语中国延安干部学院添建工程太阳能热水系统采用了先进的集热设备及设计方案，经过精心的施工及调试，经过一年多的运行考验，系统先进，安全，可靠。该系统不仅是目前国内西北地区规模上最大的同时也是最先进的，它的先进性不仅体现在所选用产品的安全可靠上，同时也体现在采用的设计标准和设计理念上。该系统不仅体现了“鲁班奖”工程-中国延安干部学院添建项目在践行绿色、环保、节能等方面的努力，同时也为国内寒冷地区今后大体量太阳能供热工程的实施提供了借鉴经验。