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太阳能集中热水供应系统在医院中的应用点击：1978 日期：[ 2014-04-26 21:35:59 ] |
| 太阳能集中热水供应系统在医院中的应用 罗琳1 陈郁2 (1中元国际工程设计研究院,北京 100089; 2深圳市金达市政工程设计有限公司,深圳 518101) 摘要：由于使用人群的特殊性,在医院的热水使用中,对水温的稳定比普通建筑要求更高。介绍了适合医院院区的太阳能集中热水供应系统,对太阳能储热系统、换热系统的设计及经济技术比较进行了阐述。该系统能充分利用太阳能资源,解决了太阳能热水系统在实际运用中与冷水系统不平衡,水温不恒定的问题。 关键词:太阳能集热系统 集热器 储热水箱 一次热源 太阳能换热系统 板式换热器 在医院院区集中热水供应系统中,太阳能的利用仍然存在一定的局限性,如何保证太阳能热水系统出水水温恒定,在分区供水系统中如何平衡太阳能热水系统和生活冷水系统的压力问题,如何提高太阳能的利用效率以及如何自动控制太阳能热水系统的正常运转,是设计中需要关注的几个重点问题。笔者在地坛医院迁建工程中将太阳能应用在整个院区的集中热水供应系统中,现将设计中的一些心得加以总结,与同行共同探讨。 1·太阳能热水系统方案的确定 常规的太阳能热水供应系统中,通常的做法是将太阳能加热后的热水集中在一个储热水箱,通过重力或者泵加压的方式将热水直接提供给用户使用。该种方式适用于由市政直接供水的系统,尤其在定时供水的系统中,能得到较为稳定的热水水温。而在医院的集中热水供应系统中,如果采用这套常规做法,会存在以下问题: (1)整个院区内,热水用水部位有门诊、病房、洗衣房、食堂、中心供应、办公等,热水用水时间分散,而太阳能蓄热受天气影响较大,达到使用温度需要一定的蓄热时间,难以保证在任何一个时段热水出水水温均能满足使用要求。 (2)在医院冷水系统的设计中,通常需要分区供水,低区由市政给水管道直接供给,中高区由泵加压供给。如果各区的热水均由储热水箱加压供应,无法实现冷水和热水系统同源,必然造成各分区冷热水系统的压力不平衡。 作为医院,由于大部分使用者为病人,对于热水的使用要求比健康的人群更高。所以在院区如何实现安全供水,保证水温和水量的稳定尤为重要。为了解决以上几个问题,可以采用间接式太阳能热水系统,即保留传统的容积式换热器,不直接使用太阳能热水,而是将太阳能热水作为一次热源,对冷水进行预热,经过预热的热水进入容积式热交换器,如能满足使用要求则直接供应到用户,如达不到供水水温,则经过预热的热水再次与蒸汽换热,达到供水温度后再提供给用户。这样既避免了太阳能热水的水量水温不稳定给使用者造成不便,也解决了冷水和热水系统不同源所造成的系统压力不平衡的问题。利用容积式换热器出水温度控制蒸汽阀门的启闭,并与锅炉的运行状况实现联动,达到节能的目的。太阳能热水系统原理见图1。 2·太阳能集热系统的设计 太阳能集热器通常设置在屋面,需要设计的面积可根据系统的日平均热水用水量和热水用水温度,按式(1)计算确定。 A1=QCΔTρf/[Jη1(1-η2)] (1) 式中A1———直接式系统的加热器总面积,m2; Q———日平均热水用水量,m3; C———水的比热,C=4.187 kJ/(kg·℃); ΔT———温度升高值,℃,为热水储水箱内水的终止设计温度和冷水温度的差值; ρ———水的密度,ρ=1 000 kg/m3; f———太阳能保证率,f=0.3~0.8,对于全年使用的太阳能热水系统可取中间值; J———当地年平均日太阳辐照量,在北京夏季晴好天气,J=23 MJ/m2,春夏秋三季平均J=20 MJ/m2; η1———集热器年或月平均集热效率,η1=0.25~0.5; η2———管路及储水箱热损失率,η2=0.2~0.3。在间接式太阳能热水系统中,由于太阳能热水系统仅作为热源使用,必然损耗一部分热量,造成热效率下降。因此在获得相同水温的情况下,采用间接式系统需要布置比直接式系统更多的集热器。间接式系统的加热器总面积按式(2)计算。 A2=A1[1+K1A1/(K2A3)] (2) 式中A2———间接式系统的加热器总面积,m2; K1———集热器总热损失系数,具体数值要根据集热器产品的试验测试结果而定,一般而言,真空管集热器取K1=1~2; K2———换热器传热系数,W/(m2·℃); A3———间接系统换热器换热面积,m2。 根据换热器面积,在院区可利用的屋面上布置太阳能集热器阵列。实际工程中由于屋面的面积有限,可利用的面积可能不能布置下所需的太阳能集热器。在这种情况下,就需要根据可利用的面积来反算太阳能系统可提供的热水温度。 设定屋面集热器的出水温度为E1,太阳能储热水箱出水口温度为E2,当E2>30℃(该温度值可根据工程的具体情况调整),且E1-E2≥5℃时,太阳能循环泵开启,将水箱内低温水和集热器中高温水换热,换热过程中集热器内水的温度也会逐渐下降。 而当E1-E2≤3℃时,微电脑控制器自动关闭循环泵,停止循环加热。直到集热器中的水在太阳辐照下温度升高再次达到设定温差时,再重复以上过程。通过温差强制循环,可不断对水进行加热,提升水箱水温,以备换热使用。 为了保证太阳能系统的合理运行,需要正确选择太阳能储热水箱及循环水泵。 (1)储热水箱容积的确定。太阳能系统的作用是集热、储热、换热。水箱则是储热的主要设备,同时可以起到稳定水温的作用,以利于换热的平稳进行。水箱容积过大,将延长把水箱水温加热到使用要求的时间,不利于热量的及时转化利用;水箱容积过小,循环泵的启动也会过于频繁,而且可能在太阳辐射热量最高的季节,出现水温加热到沸腾的情况。 一般来说,太阳能集热器需要的储热水箱容积为40~100 L/m2,当实际设置的太阳能集热器面积小于计算所得时,建议采用低值,以获得较为理想的热水温度。在具体的工程中亦可通过相关的模拟软件进行热性能分析,得到和工程实际情况相吻合的数值。 (2)太阳能循环水泵的选择。根据太阳能集热系统流量来选择太阳能循环水泵。太阳能集热系统流量由太阳能集热器的特性决定,一般应由集热器厂家提供,在没有资料的情况下,可按下值估算:真空管型为0. 015 ~ 0. 02 L/(s·m2),平板型为0.02 L/(s·m2)。根据太阳能系统设置的集热器面积就可计算出系统流量和循环水泵的流量。 3·太阳能换热系统的设计 被收集到储热水箱的热水作为一次热源,通过快速换热器及时将热量传递给冷水。在较大型的集中热水供应系统中,换热器可选择传热效率高的板式换热器,以提高系统的传热效率。换热器的换热面积按式(3)计算。 F=(1.1~1.2)W/(eKΔT′) (3) 式中F———换热器的换热面积,m2; W———设计小时耗热量,W; e———系数,取0.8~0.6; K———传热系数,板式换热器一般为1 500~2 000 W/(m2·℃); ΔT′———热源与热水的平均对数计算温差。一次热源的循环泵流量与太阳能循环水泵的流量相同。为了提高被加热水的出水温度,在选择热水循环泵时可考虑比一次热源循环泵的流量略低。 为保证换热充分,经过板式换热器加热后的水储存在热水压力罐中,并通过与板式换热器的不断换热进一步提高水温,这样既可稳定换热后的水温,又可起到调节热水量的作用。 一次热源循环泵和热水循环泵都通过温控阀自动控制,设太阳能储热水箱出水口温度为E2,当E2大于某个温度值时(该值为太阳能热水可作为一次热源的最低温度,可根据工程的具体情况确定),一次热源和热水循环泵启动。 4·太阳能系统的防冻防结垢设计 由于系统集热器部分和绝大部分管路都置于室外,北方地区冬季环境温度较低,集热器、管路有可能结冰冻胀造成设备损害,影响整个热水系统的正常运行。太阳能系统的防冻通常采用以下两种方式:①循环防冻;②用防冻剂作为循环介质。采用防冻剂作为循环介质具有不结冻,不结垢等特点,但是使用成本较高(防冻剂的单价为8~10元/L,且防冻液使用5、6年需更换)。实际工程中,在结冻现象不会频繁发生的地区,笔者推荐采用循环防冻的保护方式。即在集热器较冷端设置一个温度传感器,当检测到冷端的温度T<5℃时,启动太阳能循环水泵,使水箱和集热器中的水循环运行;当T>10℃时,微电脑控制器关闭循环泵停止循环。对于水系统的防结垢问题,可在进水端设置Na+交换器,对循环水进行除硬度处理。 5·热水系统的设计 冷水经过板式换热器换热后,进入容积式换热器中。在夏季晴好天气,当用水量较低的时段,可达到使用水温要求时,热水直接进入热水管网供给用户使用;当检测到容积式换热器出口的水温不能满足要求时,则开启蒸汽管入口处的温控阀进行二次加热。为了安全起见,整个容积式换热系统按冬季最不利的天气情况(即太阳能系统停用时的情况)进行设计。 6·太阳能热水系统的节能效益 太阳能热水系统的节能效益可从太阳能热水系统节能费用和太阳能环保效益两方面来进行评估。 6.1 太阳能热水系统的节能量 太阳能热水系统的节能量可用式(4)计算: Q=A2Jη1(1-η2) (4) 式中Q———太阳能热水系统的节能量,MJ。假设常规能源为燃气锅炉制备的蒸汽,绝对压力为0.4 MPa的饱和蒸汽的汽化潜热为2 133.8 kJ/kg,则节约的蒸汽量为1 000Q/2 133.8(kg)。按80 m3燃气制备1 t蒸汽,燃气的价格为1.9元/m3(北京地区的价格)来进行估算,可计算出年节约能量的费用,并可根据太阳能热水系统设备的一次投资费用和运行费用估算出投资回收期。计算出的投资回收期要求在太阳能热水系统的使用寿命内(一般太阳能设备的使用寿命为15 a)。通常来说,一个经济的太阳能热水系统,较合理的静态投资回收期应在10 a以内。以地坛医院迁建工程的太阳能热水系统为例,1 800 m2太阳能集热器一年能提供热量460×1010J,如采用燃气锅炉制备蒸汽,则可节省燃气约1.76×105m3,燃气价格按目前市场价1.9元/m3计,则一年可节约燃气费用约33万元。1 800 m2太阳能系统设备的固定投资约为200万元,不考虑价格上涨因素,预计静态投资收回期约为6 a。6年后将每年节约燃气费用约33万元,太阳能集热板的使用寿命一般为15 a,寿命期限内可节约燃气费用约297万元。 6.2 太阳能系统的环保效益 太阳能系统的环保效益主要体现在因节省常规能源而减少的二氧化碳排放量。在污染日益严重的工业化时代,二氧化碳的减排对环境保护和可持续发展起到了不可估量的作用。 7·系统存在的问题 由于太阳能的辐射热存在很大的差异,所以设计中采用较多的是太阳辐射热在一年的平均值,并用年最大的辐射热值去进行校核计算。而在实际运行中,如何使整套系统达到一个最佳的运行工况,实现真正的节能,还需要在日后的运行过程中,长期跟踪实际的使用情况,并根据实际情况调整自控运行的设定参数,使设计更加符合实际。 8·小结 综上所述,在医院集中热水系统的供应中,为了在任何用水时段内都提供安全可靠的生活热水,保障系统的正常运行,将太阳能热水系统的设计要点归纳如下。 (1)采用间接式太阳能热水系统,将太阳能热水作为一次热源,对冷水进行预热,保留传统的容积式换热器热水系统,以解决直接式太阳能热水水量、水温不稳定,以及在分区系统中冷水和热水系统不同源所造成的系统压力不平衡的问题。 (2)由于间接式太阳能热水系统造成了一定的太阳能热损失,为了提高系统的热利用效率,在一次换热时,可采用换热效率高的板式换热器及时将太阳能辐射热交换出来。 (3)为了保证系统的正常运行,对太阳能循环泵、一次热源循环泵、热水循环泵的启停,太阳能热水系统的防冻防过热等均应完全实现自动化控制。 (4)选择合适的参数来设计太阳能储热水箱和太阳能循环水泵。 (5)进行必要的经济技术分析来确保整个太阳能热水系统在今后的运行中实现真正意义上的节能。 ※通讯处:100089北京西三环北路5号中元国际工程设计研究院建筑一所 电话:(010)68732428 E-mail:ringring2006@126.com |
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