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太陽能集中供應熱水工程設計


現代社會,經濟高速發展同環境污染、能源短缺間的矛盾日益突出,環保、綠色、節能成為人類尋求生存和長期發展的首要問題。太陽能集中熱水供應系統具有節能、使用方便、無污染、經濟效益明顯等優勢,而成為主要的太陽能應用形式。太陽能集中供應熱水工程由集熱系統、保溫系統、循環系統、循環泵、控制系統、管路配件等共同組成,可依據用戶要求、安裝場地、用水量進行靈活的組合。因此,對太陽能集中供應熱水工程設計進行探討,對于太陽能在熱水集中供應領域中的應用優化具有積極的現實意義。


平板太陽能集熱器

01
太陽能集中熱水供應系統的適用范圍
歸結起來,太陽能集中熱水供應系統的適用范圍包括如下幾個方面:第一,日照時數/年在1200小時以上,太陽輻射量/年在3500焦每平方米以上的地區;第二,具備太陽能集中熱水供應系統的安裝條件;第三,能夠保證太陽能集中熱水供應系統的建筑安裝部位每天至少4小時的日照;第四,系統的安裝不會對鄰近建筑的日照構成遮擋;第五,系統工作溫度在130攝氏度范圍內,熱水工作溫度在75攝氏度范圍內。

02
太陽能集中供應熱水工程設計的原則
太陽能集中供應熱水工程的設計過程當中,應遵循如下原則:

1、安全性。工程自身具備較高的安全性,在真空管發生意外破壞的情況下,對系統的整體運行不產生影響,同時,還應有防雷、防風、防凍的相關保護措施;

2、穩定性;應具有較高的熱效率和穩定的性能,可實現定溫補水等;

3、全天候性。考慮復雜天氣因素的影響,其加熱應備有相應的輔助能源;

4、智能型。備有只能控制系統,在顯示水溫的同時,可依據溫度設定要求,來自動啟動或關閉加熱輔助能源,且控制系統分為自動運行和手動操作兩種工作方式;

5、節能性。太陽能應用限度最大化,盡可能地節約常規能源;

6、水質要求;太陽能集中供給的熱水應無異味、無鐵銹和其它影響人體健康的物質。

因為太陽能的低密度,所以其加熱過程緩慢,不能如常規熱源那樣一次將冷水加熱到所需溫度的熱水,因此其加熱、換熱、儲熱方式及所用設備均有別于常規熱源。因為太陽能的不穩定,所以系統需設輔熱設備,而輔熱設備的設置必須以充分利用太陽能為原則。再者,由于系統要設置太陽能與輔熱兩套加熱系統,勢必大大增加一次投資,因此太陽能系統的產熱量宜以滿足一年中大部分時段的平均日用熱水量為合理,即用水人數、定額均應按此原則確定,并選擇合適的太陽能保證率。

03
太陽能集中供應熱水工程的設計要點分析
(一)集熱系統的設計

1、系統規模設計

集熱系統的規模不宜過大,集熱器陣列的總出水口同儲熱水箱間的距離應控制在300米范圍內。在小區規模較大時。可以鄰近幾幢或單幢為一個小系統,且通過增設站室便可實現節能的效果。

2、選擇加熱系統

加熱系統分為直接加熱和間接加熱兩種方式,且兩者各有利弊,直接加熱可實現較高的加熱效率,而間接加熱則能夠有效防止水垢的產生,使集熱器使用壽命得到延長。實際應用中,對于間接加熱系統的應用更為適宜,且實際應用中,集熱器需進行承壓處理,需增設循環泵和換熱設備。

3、選擇儲熱設備

儲熱設備的選擇是以間接加熱系統的確定為前提的,儲熱設備包括儲熱水箱和儲熱水罐兩種。對于較大熱水供應量的工程,選擇儲熱水箱更為適宜,其原因在于這一儲熱方式的出水量每天可達上百立方米,而儲熱水罐的應用則適合熱水供應量較小的工程,在施工現場就可完成拼裝,投資小、占地小。

(二)輔熱設備的設計

1、計算輔熱設備負荷

依據相關規范要求,對于太陽能集中供應熱水工程輔熱設備負荷的設計,應當不考慮太陽能效用,而將日常所需熱量作為輔助設備作為依據。

2、選擇輔助熱源和輔熱設備

選擇輔助熱源時,宜選熱力管網、燃氣、燃油、熱泵、電等。對于小型太陽能集中熱水供應系統宜選擇電作為輔助能源。在儲熱水罐(箱)中直接放入電熱元件即可實現,但這一輔助熱源的應用需要增加相應的防垢措施,否則其自身所形成的水垢會導致難以有效散熱,燒壞元件。而對于規模較大的太陽能熱水系統則宜選用電熱鍋爐作為輔助能源,而達到耐用安全的目的。在選擇輔助設備時,可依據常規熱源方式進行選擇,且在設備型號與臺數的確定上,應同太陽能自身不穩定特點相結合,選擇兩臺或多臺匹配設備,即無太陽能時,設備同時運行,有太陽能時,一臺運行,從而達到節能高效的目的。太陽能輔助加熱空氣源熱泵機組的應用比較普遍,其原理是在機組的蒸發器上增加了一輔助換熱器。熱泵在低溫環境下制熱運行時,高于環境溫度的太陽能熱水流經該輔助換熱器,與將進入蒸發器的室外空氣進行熱量交換提高其溫度,從而使制冷劑在相對較高的環境里蒸發吸熱,提高了蒸發溫度,改善了太陽能供熱系統的工作狀況。

3、布置集熱和輔熱設備

在儲熱水罐中,應將電熱元件置于適當位置,當無太陽能時,亦可依靠電熱及熱水儲量來基本滿足熱水需求。當太陽能熱水系統較大,且集熱與輔熱都采用水箱時,亦相互獨立,并進行串聯的布置,前者為集熱水箱,起到預熱作用,后者為供熱或輔熱水箱,這樣當太陽能不充足時,亦可起到對冷水進行預熱處理,而當無太陽能的情況下,只需通過輔助熱源來加熱輔熱水箱內的水,便可正常供熱,且不會對集熱水箱的集熱產生影響。

(三)系統工程安全設計

1、防過熱、防爆安全設計

太陽能集中供應熱水工程設計中,防高溫、防爆安全措施是十分重要的設計內容。通常情況下,包括如下幾方面設計內容:第一,集熱系統的管道上應設放氣器、安全閥、膨脹管。且未降低集中介質損耗,可適當提升系統內部的壓力;第二,設置空氣散熱器,即當集熱器中水溫過高時,利用空氣散熱器來散出熱量,從而防止過熱現象;第三,采用遮陽設備。集熱系統所采用的閥件、管件、管材等應為耐高溫材質,且極熱管上所連接的設備、閥件及密封材料也應為耐高溫材質。

2、防凍安全設計

對于北方寒冷地區和存在凍結可能地區,在系統工程設計過程當中,應就防凍問題進行考慮。防凍措施主要包括倒循環、添加防凍劑、排回、排空等,且這些方法各具利弊,其應用過程中應始終圍繞“因地制宜”的原則進行。其中,倒循環這種方法較為簡單,也比較常用,但存在耗電的缺點,可通過集熱管道保溫、降低集熱系統阻力損失、確定合理的傳感器溫度來緩解這一問題。

04
結語

太陽能集中熱水供應系統具有舒適、經濟、節能、實用、方便等優勢,且系統工程設計涉及多種因素。明確系統應用范圍,以系統工程的設計原則為前提,借鑒上述內容,有效地開展,從而有效保障太陽能集中供應熱水工程設計的節能性、合理性。


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