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寒旱地区太阳能集中供热系统保持室内恒温的研究

时间:2016-05-03来源: 作者: 点击: 322次

赵忠霞1,2

(1.酒泉职业技术学院  甘肃省太阳能发电系统工程重点实验室;2.酒泉新能源研究院,甘肃 酒泉  735000)

    摘要:系统冷水补水:系统中的水在正常循环工作下不会减少,该功能仅在采暖期初次使用和维修调试时使用,采用浮球阀自动补水;

太阳能系统采用温差循环:在日照正常情况下,通过检测设在太阳能集热器阵列末端出口测温点的温度T2和水箱下部水温T1,当T2-T17℃(可设定)时,循环泵启动,将集热器中的热水顶入保温水箱,当T2-T13℃(可设定),循环泵停止;

系统辅助加热:系统采用电辅助加热管作为补充,当太阳能无法满足系统需求,保温水箱水温T340℃(可设定)时,电加热启动,当T350℃(可设定)时停止。

关键词:恒温;供热循环;自动控制

中图分类号:TK161       文献标志码:B          文章编号:

0 引言

太阳能是一种取之不尽、用之不竭的洁净能源,用太阳能代替常规能源对节能和环保都具有十分重要的意义,因而正日益受到世界各国的重视。

酒泉市属半沙漠干旱性气候,其特点为气候干旱降水少,蒸发强烈日照长,冬冷夏热温差大,秋凉春旱多风沙。

酒泉市年平均日照时数为3056.4小时,日照百分率平均69%,10月份多达78%。这么多的可再生资源如果加以合理利用将会是一笔巨大的无限资源。

酒泉市乃至全国的太阳能资源基本上都应用于工业生产上,但是在生活以及农业上应用较少,究其原因主要是太阳能集中供热系统费用较昂贵,单个家庭很难承受,而且工程建造较麻烦,本文针对寒旱地区太阳能丰富这一特点对其在养殖场中的使用进行深入探究。


1 系统概述

1.1 系统构成

本系统的总体要求是针对冬季供暖和过渡季节提供养殖场所需要的热量。基于太阳能集中供热系统对气候有依赖性这一特点,在系统设计中必须充分考虑系统的启动、能量的储存、太阳能与常规能源的切换以及系统的安全性等一系列因素。

太阳能集中供热示范系统主要由真空管太阳能集热器、储热水箱、储冷水箱、生活用热水箱、循


环水泵、冷却塔、空调箱、辅助供热锅炉和自动控制系统等几大部分组成。

1.2 工作原理

天气比较寒冷时,室内温度主要靠太阳能供热来维持,当太阳辐射能提供的热量不能够满足室内温度要求时,此时就依靠自动控制系统自动开启供热锅炉加热的水进行补充室内的热量。过渡季节提供生活用热水的功能更为简单,只要将太阳能集热器加热的热水流经生活用热水箱中的换热器,就可将水箱中的存水加热。

2 系统设计

2.1 太阳能集热器与建筑相结合

本项目的采暖面积和实际采暖能耗,结合采暖季内的太阳能辐照量的大小以及采暖工艺温度,设计了一套方便、经济、高效的太阳能+电辅助采暖、热水系统。从使用的舒适性和运行成本来看,太阳能面积充足则舒适性和运行成本低,消耗常规能源少,但投资大;为此在相同的系统下配置了2个不同面积太阳能,并从设备造价和运行成本上分析,供选择。

在建筑的平屋顶安装太阳能集热器,在用户内院里安装1台保温水箱和水泵等设备。当阳光充足的时候,采用屋面安装太阳能集热器生产的采暖热水供热,遇到太阳能不足或阴雨雪天时,利用水箱中电辅助加热补充。

生活热水通过安装在保温水箱中的换热盘管进行换热。自来水与采暖循环水不直接接触,保证生活热水的水质。具体工作原理如下:

系统冷水补水:系统中的水在正常循环工作下不会减少,该功能仅在采暖期初次使用和维修调试时使用,采用浮球阀自动补水;

太阳能系统采用温差循环:在日照正常情况下,通过检测设在太阳能集热器阵列末端出口测温点的温度T2和水箱下部水温T1,当T2-T1≥7℃(可设定)时,循环泵启动,将集热器中的热水顶入保温水箱,当T2-T1<3℃(可设定),循环泵停止;

系统辅助加热:系统采用电辅助加热管作为补充,当太阳能无法满足系统需求,保温水箱水温T3≤40℃(可设定)时,电加热启动,当T3≥50℃(可设定)时停止;

供热循环:采暖散热系统按地板辐射设计,供回水温度为45/35℃(可设定),使用较大温差运行,采暖散热效果好,循环泵的功率小且节能;

防冻功能:由于采暖期夜晚室外温度低,为了防止系统内的水上冻,而导致系统无法运行,我们采用了两种方式解决。一是太阳能集热器采用双真空集热管,真空管内不走水,减小集热器的上冻可能性;二是通过定时排空的方法,在傍晚无阳光时自动开启排空电动阀,排空集热器循环泵管道内的水,从根本上解决了抗冻保温问题,减少了能量损失;

生活热水:为了保证生活热水的水质,和最大化利用太阳能,在保温水箱内装有盘管与自来水进行间接加热。自来水与采暖循环水不直接接触,且生活热水与冷水同压同源,便于用水端的冷热混水;

自动化控制:系统采用PLC控制,采暖出水温度T4只设定上限保护温度(如50℃,可设定),在保护温度以内由室内温度T5(如室内温度可设定18℃,可修改)控制供热温度,采用三通温度调节阀混合采暖回水达到需要的工艺温度。


2.2 太阳能集热器

1)太阳能集热器的定位

太阳能集热器正南,设置于建筑平屋面上;太阳能集热器采用竖插管,其倾斜角度约为45°,便于四季吸收热量。

2)太阳能集热器型号的选型

选用太阳能集热器的型号为φ58×1800×20 (单个模块的面积为3.75㎡)的模块组,该模块组采用热管真空管,真空管内部不走水,能够有效的减低系统上冻的可能性,同时水容量少,其集热效率高、加热速度快、能量损失少、安全可靠。

3)太阳能集热面积的计算

 完全使用太阳能满足采暖需要的面积按下式计算:

 式中:Ac——集热器面积,待定m2;

Qd——建筑物设计日采暖热负荷,49.50MJ;

 ——敦煌地区采暖期倾斜表面平均日辐照量,17.7MJ/㎡·d;

 ——集热器日平均热效率,经验值取0.40~0.55;此处取值为0.5。

 ——管路及蓄热水箱热损失率,0.15;

经计算,得出:  =34.4㎡。

4)集热面积的复核

建筑物的耗热量指标为整个采暖期的平均值,实际上采暖耗热量是随室外温度的降低而变大的,采暖期初和期末,室外温度高,耗热量低,中期室外温度低,耗热量大。而布置上述面积的太阳能只能保证采暖期初和期末的采暖耗热,因此在屋面最大化布置太阳能面积共10㎡,来提高采暖的舒适性和运行成本。

综上所述,本项目选用了两种配置的太阳能面积:分别为15㎡和10㎡;

3 结论与展望

实践已经证明,采用热管式真空管集热器与地暖相结合的太阳能辅热技术方案是成功的,它为太阳能利用技术开辟了新的应用领域。

已建成的太阳能辅助供热综合实训室具有以下几个显著的特点:第一,实现了太阳能利用设施与建筑的有机结合;其次,太阳能辅热系统可以保持室内处于25℃的恒温。由于同一套太阳能系统可以满足全年不同季节的供暖以及提供生活热水的要求,同时提升了太阳能系统的利用率和经济性,因此太阳能空调及供热综合系统具有明显的推广价值。

但是,太阳的优点突出显著的同时,我们也已看到了它存在的局限性,所以在推广过程中也会遇到各式各样的问。比如:虽然希望安装太阳供热系统的用户比较多,但是由于改造过程相对复杂,成本造价相对较昂贵,无法实现商品化经营,所以太阳能供热系统在农村推广起来相对较困难。虽然太阳能集中供热系统可以减少常规能源的消耗,大幅度降低运行费用,但目前系统的初投资仍然偏高,所以一方面希望当地政府能够积极响应国家环保号召,另一方面我们正在坚持不懈地降低真空管集热器的成本同时也以便与太阳能集热器配套逐步进入家庭;为此,使越来越多的单位和家庭具备使用太阳能空调的经济承受能力。

近年来,地球表面温度逐年上升,人民也越来越清楚地意识到燃煤对我们环境所造成的无法避免的破坏,所以太阳能供暖系统的优越性就是的越来越多的人发现其综合优势,而且其已经取得显著的经济、社会和环境效益,相信在不久的将来太阳能集中供热系统会从地区范围推广到全国范围。

参考文献

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9 郑瑞澄.中国太阳能供热采暖技术的现状与发展.绿色建筑[J],2012,12

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 收稿日期:

作者简介:赵忠霞(1987-),女,硕士研究生,Emailzzx518815@163.com

基金项目:甘肃省科技计划资助(项目编号:1309RTSF043);甘肃省科技创新平台专项资助(项目编号:144JTCF256)。

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