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中国北方以太阳能为基础平台的采暖和生活热水系统

作者:admin 发布日期: 2019-09-29 二维码分享
1.以太阳能为基础平台的采暖和生活热水系统简介
本系统以太阳能平板集热器获得基础热能,选用燃气壁挂炉(可采用多能互补)辅助模块按需补热,满足中国北方村镇冬季地板采暖和全年生活热水的全天候实用型热水系统方案。
1.1系统特征
1.1.1以太阳能为基础平台:本系统.大的特征是,采用太阳能热水前置式采暖循环方式,既“先用后储”的串供式布局,是优先将太阳能集热器的热水直接推入地板采暖与基础储热,然后再将余热回水推回储热水箱。它有别于现行行业普片采用的后置式采暖方式。(将太阳能与储热水箱形成循环回路,先加热水箱,水箱热了再另路进地板循环采暖,既“先储后用”的并供式布局)。而本方案前置式采暖设计,符合太阳早起晚落的日照规律,系统“见光就热”启动快,得热量大,可以.大化的利用太阳能这一天赐无偿地免费基础能源。在北京冬季的晴天里,(2005年为国家海洋局极地办南极中山站采暖预研项目,在北京做过实地试验),基本上可以达到每1平方太阳能平板集热器带动4-5平方地暖房间面积的即时采暖。既24平方太阳能平板(12块板),可直接带动100-120平方房间的地暖,达到在阳光充足的晴天里的即时采暖要求。天气再好时还可以适当为夜晚储备一定的备用热能,而且这时采暖和全年生活热水所使用的基础热能就是免费的,系统的伺服运行费用也十分少。本系统采用“非承压运行而承压给水”的方式运行,简单可靠投入低,既廉价又舒适。
1.1.2可采用多能互补辅助模嗯
块:本系统另一特征是,可采用并联式多能辅助模块,能充分地结合项目当地具体可行的辅助能源条件,因地制宜的选择一种适合用户自己方便的辅助模块灵活地并入太阳能系统运行。如天然气(本方案选用燃气壁挂两用炉)、沼气(太阳能可增益产气)、生物质能(秸秆或甲醇)电能(.好是谷电或热泵)等按需辅助补热,又可以建立起全天候的昼夜采暖保障系统。这样既充分保证系统采暖的连续性和舒适性,又基本上可将全年的综合采暖使用费,控制在单一传统采暖系统的二分之一到三分之一。
1.2.1系统运行原理图

以太阳能为基础平台(燃气壁挂炉辅助)的采暖和生活热水系统组成与运行原理图
1.2.2系统主要组成
太阳能热水系统主要由集热、储热、辅热、用热、控制等5大分系统组成。
2.系统运行模式与原理:
2.1太阳能直接采暖运行
在阳光充足时,当太阳能集热器内温度探头 T1与保温水箱里的T2温差大于设定值(3至8℃)时,太阳能控制器自动启动循环水泵,将水箱中的水推入集热器吸收太阳热能,再直接推入室内地暖管采暖后,直接推回到水箱底部。采暖后的余热逐步储存在水箱里形成基础水温。而此时常闭电磁阀关闭水箱的上回路。
2.2太阳能储热运行
在阳光充足,室内又不需要采暖时。设置常闭电磁阀开启,打开水箱的上回路。当太阳能集热器内温度探头 T1与保温水箱里的T2温差大于设定值(3至8℃)时,太阳能控制器自动启动循环水泵,将水箱中的水推入集热器吸收太阳热能,再直接推回到水箱上部。太阳能热量完全储存在水箱里,供生活水加热和需要采暖时使用。
2.3太阳能直接采暖加壁挂炉补热运行
在太阳条件不充足,室内又需要采暖时,当太阳能集热器内温度探头 T1与保温水箱里的T2温差大于设定值(3至8℃)时,太阳能控制器自动启动循环水泵,同时启动并行的壁挂炉按需辅助补热,而此时常闭电磁阀关闭水箱的上回路。循环水泵将水箱中的水推入集热器吸收太阳热能,再直接推入室内地暖管采暖,部分回水直接推回到水箱底部,另一部分回水则被壁挂炉吸入补热后,再中途回兑加入地暖管采暖的循环,根据室内采暖温度探头 T3的信号,自动控制壁挂炉的火力,并保障其采暖温度的维持与稳定。
2.4壁挂炉采暖运行
在太阳条件不足,室内需要采暖时,启动壁挂炉按需加热室内地暖盘管采暖,回水全部经过壁挂炉重复加热循环,根据室内采暖温度探头 T3的信号,自动控制壁挂炉的火力,并保障其采暖温度的维持与稳定。
2.5生活热水的运行
自来水经过吸热盘管吸取水箱中基础热量,温度达到用水要求时壁挂炉就不启动,若温度达不到用水要求时,壁挂炉就会启动并按需补足生活水的热量(两用壁挂炉具备生活水优先加热的功能)。
2.6太阳能平板集热器防冻运行
本系统采用“高板低箱”的方式,系统的内存水会自动回流,排空防冻。系统太阳能平板集热器必须保证高于室内水箱(若低于水箱需另改设计),其室外联通管路必须有一定的顺水坡度。在冬季太阳能平板集热器停止工作后,集热器及室外系统的内存水会在重力的作用下,全部自动回流到水箱,平时处于净空的防冻状态。
2.7太阳能平板系统防过热运行
在本系统的非采暖季,尽量多的采用生活热水跨昼夜、阴雨天或季节性蓄备,或通过生产(如农产品、小制品烘干等)、游泳池等主动用能方式,积极消化和平衡平板集热器所生产的太阳能过剩热量来防止系统过热,若仍有大量过剩热量,可采用限停限温(集热器空晒),也可适当覆盖遮挡前部分集热器,或适当种植一些瓜豆等藤本植物,来进行部分绿色环保型的有效遮挡限制(冬季采暖季植物会全部落叶)。
3.系统设计
3.1系统设计参数
3.1.1  项目地点:北京昌平小汤山附近农村,北纬40.17°,东经116.39°;
(2005年在此地做过实地试验)
3.1.2  采暖面积AO:100㎡;
3.1.3  集热器类型:2㎡太阳能平板集热器;
3.1.4  集热器方位、角度:S正南,∠30°;
3.1.5  蓄热水箱:1000L,常压不锈钢保温水箱;
3.1.6  辅助热源:18kw,天然气壁挂冷凝两用炉;
3.1.7  采暖季天数:125 d;
3.1.8安装平面太阳能辐射量:全年6257.81MJ/㎡,采暖季1801.45 MJ/㎡,采暖季日平均值14.41 MJ/(㎡·d);(取值)
3.1.9  户均人数:3人
3.1.10平均日用热水定额:50L/人
3.1.11 设计热水温度:55℃:
3.1.12设计冷水温度:10℃:
3.1.13设计采暖室外平均温度:-1.6℃:
3.1.14设计采暖室内平均温度:18℃:
3.1.15建筑采暖负荷qH取36W/㎡;
3.1.16 集热器面积:24㎡;
3.2供热负荷

3.3  太阳能采暖太阳能集热器设计
3.3.1太阳能采暖时集热器面积计算公式:

计算结果见表3.3.2
3.3.2采暖集热器面积计算表

根据太阳能工程平板集热器类型规格:2㎡太阳能平板集热器;2×12=24㎡,选择集热器12块,总面积:24㎡;
4.太阳能系统节能减排效益分析
4.1基础参数
4.1.1太阳能系统增投资:28000元(不包括供暖末端和辅助锅炉);
4.1.2太阳能系统维修费100元/年
4.1.3太阳能辐射量:采暖季1801.45 MJ/㎡,全年6257.81MJ/㎡;
4.1.4热负荷:采暖负荷,3600W,热水负荷,327W;
4.1.5非采暖季热水保证率取....;
4.1.6电:北京正常电价(不含采暖补贴)取0.8元/(kW?h),
4.1.7每千瓦时电的热值为3600KJ 
4.1.8太阳能系统寿命取20年
4.2 太阳能系统节能量

4.3.节能费用预评估

太阳能系统20年采暖加生活热水合计共节约:116606元
4.4  系统投资的经济效益

太阳能系统增投资回收期约为4年
4.5减排效益

4.6实地太阳能采暖试验类似案例
太阳能热水
2005年在北京昌平小汤山附近农村农舍太阳能采暖实地试验(南极中山站采暖项目预研)照片
参考文献:
[1] 何梓年、朱敦智主编,太阳能供热采暖应用技术手册,北京:化学工业出版社,2009.5.
[2] 李恒旺,中国实用新型, CN200720001918.3非承压运行而承压给水的太阳能系统装置。
[3] 李恒旺,中国发明.., CN200710004131.7非承压运行而承压给水的太阳能系统装置。