《太阳能热水系统在寒冷地区的应用》由会员分享，可在线阅读，更多相关《太阳能热水系统在寒冷地区的应用（21页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、.专业整理.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的节能效益，因此，太阳
2、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下特点： 统一规划设计
3、 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，年供热能力21GWh，相当于
4、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4GWh，整个热力站的年
5、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、整合优势供热技术和设备，提高区
6、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产品市场发展的有效途径
7、。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造来说，建设与原有供热
8、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央和中央领导“继续大规
9、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，当交换出的生活热水能够满足要求时，
10、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 太阳能集热系统防冻设计
11、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解温度之下；c.常用防冻
12、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，通过重力差将储液罐中的空气顶入集
13、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回。（4）电伴热带防冻
14、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，可用于多种集热系统，国内应用较多。
15、 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：
