分析太阳能热水温度安全控制

摘 要 近年来，由于太阳能中低温利用技术的改进与成熟，太阳能热利用行业取得了骄人的成绩。随着高层建筑的增加，太阳能热水系统与建筑结合越来越紧密，太阳能热水工程逐渐走进千家万户。但太阳能热水工程因为水温不稳定产生诸多问题，本文通过案例来分析太阳能热水温度安全控制。 　　0 前言 　　社会不断发展，人们生活水平不断提高，对生活质量有了更高的要求，热水成为人们生活不可缺少的部分，但是能源的大量消耗与人们对热水的需求产生了矛盾，太阳能热水工程的诞生解决了这一矛盾。太阳能热水工程投资相对较低，对环境不会造成污染，是使用能源的最佳选择。 　　当前，我国的生活热水主要用于洗浴。随着太阳能热利用技术不断进步，在政策和市场推动下，太阳能热水工程取得了快速发展的繁荣局面。太阳能热水工程客户大多集中在集体或单位，热水使用方式为集中用水，用水量较大。本文介绍了太阳能热水工程因为水温不稳定造成的问题，本文通过案例来分析太阳能热水温度的安全控制。 　　1 项目概况 　　项目用水情况：海南昌江核电工程承包商生活区北区1号宿舍楼每天需供热水80t，2 号宿舍楼每天需供热水40t，1 号公寓楼每天需供热水20t，2号公寓楼每天需供热水20t，3 号公寓楼每天需供热水20t，4号公寓楼每天需供热水22t，专家公寓楼每天需供热水7t。海口地区全年太阳环境参数（见表1）： 　　根据招标方使用要求，满足用水条件出水温度≥45℃（一般洗澡用水温度），考虑管道热损，实际出水温度应当在50℃以上。 　　海口市位于北纬19°57′04″~20°05′11″，东经110°10′18″~110°23′05″。地处海南岛北部，北濒琼州海峡。地处低纬度热带北缘，属于热带海洋气候，春季温暖少雨多旱，夏季高温多雨，秋季多台风暴雨，冬季冷气流侵袭时有阵寒。年平均气温24℃。海口市3月份平均气温20℃以上，降雨不多，温暖舒适；4~10月海口温度保持较高水平，月平均气温均在25℃以上，极端最高气温不高，不超过39℃。12~2月月平均气温18℃，4~10 月是台风活跃季节，8~9 月最多。5~10 月为雨季，9 月为降雨高峰期，月平均降雨量250mm，海口全年光照总量约4600MJ/m2，有较好的太阳能资源，适合开发利用。 　　2 太阳能集热系统采光面积确定 　　依据GB/T18713-2002《太阳能热水系统设计、安装及工程验收技术规范》规定：太阳能集热采光面积计算公式： 　　Ac=QwCw（tend - ti）f/（JTηcd（1-ηL）） 　　Ac — 直接系统集热器采光面积，m2； 　　Qw—日均用水量，kg； 　　Cw—水的定压比热容，kJ/（kg·℃）； 　　tend—储水箱内水的终止温度，℃； 　　ti—水的初始温度，℃； 　　f—太阳能保证率； 　　JT—当地春、秋分所在月集热器受热面月均日辐照量，J/m2； 　　ηcd－集热器全日集热效率； 　　ηt－管路及水箱热损。 　　80t水太阳能集热器采光面积计算： 　　AC=80000×4.2×（50－24）×50%/（12000×50%×（1-0.25））得AC = 971（m2）； 　　以此类推，40t水太阳能集热器采光面积为485m2； 　　20t水太阳能集热器采光面积为243m2； 　　22t水太阳能集热器采光面积为267m2； 　　7t水太阳能集热器采光面积为85m2。 　　说明：太阳能全日集热效率按50%计算，春、秋分所在月均日太阳辐照量为12MJ/m2，管路及水箱热损按25%计算，太阳能自来水进水温度按年平均环温24℃计算。 　　根据计算得出数据，美大产品采用国标D47-1600 真空管，管径47mm，长度1600mm，AL-N/AL选择吸收涂层，吸收比>0.9，发射比<0.08。美大太阳能平均每支真空管采光面积为0.107m2，依据公司生产工艺，采用集热器模块规格为D47-1600×50 横插式集热模块。 　　同时考虑阵列排布因素，1号宿舍楼80t 水太阳能集热工程采用集热模块180组，采光面积963m2。并根据屋面实际情况，180 组集热器分成4 组分别循环；2 号宿舍楼40t水太阳能集热工程采用集热模块88 组，采光面积470m2，并根据屋面实际情况，88组集热器分成2 组分别循环；1 号、2 号、3 号公寓楼20t 水太阳能集热工程各采用集热模块48 组，采光面积265 m2，并根据屋面实际情况，48组集热器分成2组分别循环。4号公寓楼22t 水太阳能集热工程采用集热模块54组，采光面积289m2，并根据屋面实际情况，54 组集热器分成2组分别循环。 　　专家公寓楼7t 水太阳能集热工程采用根据实际场地情况采用竖插式承压式集热器，具体采用LPC47-1500×18集热模块66组，采光面积119m2。 　　3 集热器安装倾角计算 　　冬至日太阳高度角最大，夏至日太阳高度角最小，因此必须考虑全年光照对太阳能集热面积的影响。太阳在南北回归线±23.5°之间来回运动，海口纬度约在北纬20°，因此海口太阳高度角在-3.5°~ 43.5°之间变化。采用集热器真空管孔距为65mm，由于受光面是圆面，因此受太阳高度角影响较小，只要保证在夏至日及冬至日真空管自身不挡光即可，考虑系统受台风影响，工程系统横插式集热器整体倾角角度为12°。 　　4 系统设备选型 　　1 号宿舍楼太阳能集中供热水系统采用D47-1600mm×50集热器共180 组，采光面积963m2，并根据屋面实际情况，把集热器分成4个循环组分别进行集热循环，每组以5行9列布置，实际安装场地面积正好能满足集热器排布要求。太阳能保温水箱采用全不锈钢材料现场拼装焊接，聚氨酯现场发泡保温，水箱尺寸为5000×（7000+1000）×2000，放置于集热器阵列附近建筑预留水箱承重基础上。系统辅助加热采用商用电热水器（GPU-300/54kW），配置3台。系统共用D47-1600mm 国标全玻璃真空集热管9000 支，同时配置相应的控制系统、管道及辅助保护系统等组成整个太阳能集中供热系统。其他楼设备选型原理同1号楼。 　　 5 安全热水系统设置 　　根据浙江省《太阳能安全热水供应系统技术规范》要求，生活应用热水水温≤70℃，并且水温可调节。太阳能安全热水供应系统应根据不同地区和使用条件采取防冻、防结露、防过热、防雷、防雹、抗风、抗震和保证电气安全等技术措施。为此该工程从不同角度保证了热水的安全可靠性。 　　5.1 系统水温安全保证 　　5.1.1 定温放水：当太阳能集热器中的水温达到设定值（如55℃）时，上水电磁阀自动打开，自来水不断把集热水箱中的热水顶入储热水箱，当集热器温度下降到设定值（如45℃）时，自动关闭电磁阀。如此反复加热和补水，储热水箱水位逐渐上升，当储热水箱水位达到最高液位后，不再根据集热器温度控制补水。 　　5.1.2 温差循环：在储热水箱内，当集热器温度和水箱温度温差达到设定值时（如6℃），集热循环泵自动开启，通过强制循环把集热器内的热水置换到循环储热水箱内，当集热器温度和水箱温度温差下降到设定值时（如2℃），集热循环泵自动停止工作，并等待下一次循环。如此不断循环使保温水箱中的水温提升。 　　5.1.3储热水箱工作原理：储热水箱一直保持55~60℃的热水，水箱中的水位高低由太阳能集热能量和集热水箱温度高低控制，当储热水箱内的水量低于最低安全水位后，电磁阀自动打开补水，高于安全水位后自动停止；当太阳能无法补充热量时，选用一：自动加热，即保温水箱温度<40℃时，商用电加热器和循环泵同时启动加热，当储热水箱温度>55℃自动关闭；选用二：定时或手动，当储热水箱水温<40℃时，可由辅助电加热设备在夜间半价电时启动加热或第二天下午水温未达到设定的最低40℃时，启动加热至设定的55℃时自动关闭，也可以根据用水量和水温情况手动启动加热。 　　5.1.4 供热水管网工作原理：为提高用水舒适性，供水采用变频增压供水方式，保持供水压力稳定，为充分节约水资源，管网主管路可设置定时间段管道循环，即在设定时间段内，如果用水管道内水温低于设定温度，回水电磁阀自动打开，供水管道内温度较低的水回到保温水箱内，这样可以始终保持供水管内的水是热水，基本做到水龙头一开就有热水，保证用水舒适性。  　　5.1.5电辅助加热系统：当恒温水箱温度低于设定温度时电加热自动启动，高于设定温度时停止加热；定时和手动加热。 　　5.1.6 控制柜内增加高温保护装置对水箱内的温度起到高温保护，当水箱内的温度达到要保护的温度80℃时停止循环泵运行。 　　5.1.7 补水系统工作原理：低水位补水：当储热水箱内的水位低于最低安全水位时，补水电磁阀自动打开，将冷水注入集热水箱，同时再经集热水箱进入储热水箱内。 　　定时补水：系统可根据用水的时间定时定量注水，以保证充足的用水量。 　　手动补水：连续阴雨天气或用水量较大时，可手动打开补水阀，补到要求的水量。 　　5.2 系统防冻设置 　　当管路温度传感器测得温度<5℃时，相应的循环水泵自动启动进行防冻；当管路温度传感器测得温度>8℃时，循环泵自动停止。 　　5.3 系统防垢 　　由于水质、水温会导致水垢的产生，不仅影响系统集热效率，而且可能堵塞管道，因此在管路上安装过滤器和内磁处理器对水质进行处理。 　　内磁水处理器（见图1）是利用磁场对水进行处理，在不改变水的化学成分的前提下改变水的物理结构，从而达到防垢、除垢、杀菌、灭藻、防腐蚀、防锈水的目的。这是一种先进的物理法水处理，效果好，成本低，不需维护，无任何污染。该产品广泛应用于建筑、化工、电力、冶金、橡胶、轻纺、食品、制冷行业的循环水系统，空调制冷系统，热交换系统及热水锅炉系统。 　　利用钕铁硼稀土永磁材料蕴藏的巨大能量，经优化设计，形成多波峰垂直中心磁场。当水或流体以≥51.5m/s的速度流经垂直磁场时，将会产生电动势能，使晶格细化，即原水中的垢晶颗粒粒径由原来的约3.39μm，变为约0.22μm，且流速越快，产生的电动势能越大，效果也越理想，从而达到防垢、除垢的目的。 　　5.4 保温措施 　　高温热水管道采用橡塑保温管套管进行保温，0.5mm 厚铝皮防护，保护保温层不被氧化，提高使用寿命。 　　5.5 避雷措施 　　避雷措施依据GB50057《中华人民共和国国家标准建筑物防雷设计规范》进行设计。 　　由于考虑到公共场所的特殊性，避雷采用国家建筑物一级避雷，用滚球法计算时滚球半径取值20m。 　　每根避雷器防雷范围：R=1.5H接闪器尖端距离地面高度： 　　HX/RX≤1.5时，H=1.25HX+0.63R 　　HX/RX≥1.5时，H=HX+R 　　根据海南省气象资料反映，海口市属雷电多发区域，避雷防漏电对安全使用太阳能热水系统尤为重要，为此我公司拟委托专业资深的设计院对本工程的避雷及漏电保护设计进行全面审核。 　　由于太阳能集热器支架均为热镀锌钢铁，具有良好的导电特性，同时太阳能集热器安装基础为南低北高倾斜支架，倾角12°，新增加避雷针采用D10mm 圆钢，采用焊接方式与钢支架进行焊接，钢支架与建筑原避雷带采用4号热镀锌扁铁进行焊接，焊接要求及质量按GB50057避雷规范要求制作。 　　5.6 电线及信号线布置 　　电线及信号线必须套有电线管及信号线管，做到强弱电分离，确保系统运行不受干扰。 　　6 系统特点 　　1.本系统（见图2）采用分组控制，提高了整个系统的可靠性。单组的检修不影响其他几组运作。 　　2.优先使用较热热水，使热水得到充分利用。 　　本设计方案具有简洁、可靠、安全、方便的特点。（浙江美大新能源科技有限公司 陈建飞 祝晓梁）