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1、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年月日通过，自年月日起施行。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
2、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
3、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
4、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：中小规模（几十吨水左右）；用水集中（客房、浴室）；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
5、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
6、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
7、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
8、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。
9、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
10、的得热量（新国家标准要求）。所以现有的工程存在如下问题：、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。、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。、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
11、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。、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
12、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，
13、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：、解决大型太阳能系统电气设备性价
14、比的采购。及运行耗能量的性价比。、解决大系统的水垢处理设备的设计及清理问题。、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
15、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：、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。、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。、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
16、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。、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7.5 MJ/m2，平均热损系数90W/(m3K)。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
