浅谈太阳能热水器技术在铁路基层单位的应用

陈廷秀

(郑州铁路局郑州北建筑段，河南郑州 450052)

铁路单位普遍具有点多、线长、车间分散的特点。以郑州铁路局郑州北建筑段为例:郑州北建筑段主要承担管内郑州、新乡、鹤壁、安阳、长垣、东明、焦作、晋城、长治北等铁路各单位房建运营设备大维修、住宅设备大维修、生产用水、客车上水、职工生活用水以及林业技术管理工作，包括铁路沿线植树造林和铁路地界内的林木管理工作。单位目前现有房建、给水维修以及林场等20个车间。职工在铁路沿线作业，劳动强度大、体力消耗大，且大多数车间布置在铁路沿线，所在位置偏僻，离市区较远，再加之车间缺少洗浴设施，给职工的生活带来很大不便。

为了防治大气污染，保护和改善大气环境，郑州北建筑段积极开发利用太阳能，2011年将安阳林场浴池锅炉房内原提供洗浴用热水的1台0.2 t/h燃煤蒸汽锅炉拆除，安装了太阳能热水器;2012年对新乡给水车间浴池安装了太阳能热水器，以解决沿线单位职工洗浴用热水问题。

1 太阳能资源的特点

我国的太阳能资源非常丰富，全年太阳能辐照量在3 500 MJ/m2和日照时数在2 200 h以上的地区，占国土面积的76%。即使在资源缺乏地区，也有一部分日照时数在1 200 h以上，因此，上述地区基本上都适合设计、使用太阳能热水系统，而不必使用大量的燃气、燃煤和电力来提供生活热水〔1〕。

安阳林场地处河南省安阳市，新乡给水车间地处河南省新乡市。按照我国的太阳能资源分区划分，属于三等(资源较富区)太阳能辐照地区〔2〕。年太阳辐照量为 5 100 ～5 300 MJ/m2，年日照时数为2 200～3 000 h。年太阳辐照量和年日照时数满足《民用建筑太阳能热水系统应用技术规范》〔1〕要求和太阳能热水系统设计要求，适合安装使用太阳能热水系统。

2 太阳能集热器面积的选用

太阳能集热器的总面积是太阳能热水系统中的一个重要参数，它与系统的节能特性和经济性紧密相关〔2〕，另外，还要确定太阳能的保证率 f，太阳能保证率f是确定所需太阳能集热器总面积的一个关键因素，也是影响太阳能热水系统经济性能的重要参数〔2〕。太阳能保证率和太阳能集热器总面积即为太阳能热水系统设计应选取的集热器总面积设计值。安阳林场和新乡给水车间地处河南省，据资料可查，本地太阳能保证率为40% ～50%〔2〕，对于全年使用的太阳能热水系统太阳能保证率可取中间值，因此，安阳林场和新乡给水车间太阳能保证率选用45%。

根据安阳市和新乡市地理位置和气候特点，结合职工人数和洗浴时间安排情况，安阳林场和新乡给水车间安装太阳能集热器面积计算方法如下:

(1)热水量估算

安阳林场和新乡给水车间浴室日均洗浴人数60人次，公共浴池有淋浴器的热水定额标准为100 ～150 L/人次〔3〕，取 100 L/人次，用热水量为(热水温度按45℃计):100 L/人次 ×60人次 =6 000 L，则每天太阳能热水器需产生热水6 000 L。

(2)太阳能集热器面积计算

该太阳能集热器配置采用真空管太阳能热水器，集热模块串、并联安装，6 000 L热水需要热负荷为:

Q=6000 L×(45℃ －15℃)×4.187/1000=753.66 MJ

注:安阳林场和新乡给水车间贮水箱内水为地下水，地下水温度为 10 ～15℃〔1〕，取 15℃。

安阳地区和新乡地区年平均日辐照量为14.301 MJ/m2〔2〕(参考郑州市典型年设计用气象参数)，太阳能热水系统集热效率为76%，则太阳能集热器总面积为:

A=753.66 MJ÷(14.301 MJ/m2×76%)=69.34 m2

3 太阳能热水器主要设备的选用

安阳林场和新乡给水车间太阳能热水器安装主要设备如下:

(1)真空管太阳能集热器:集热器总面积为69.34 m2;规模:16组;排列方式:双矩阵形式。

(2)空气源热泵:型号:5 HP;数量:2台。单台输入功率:5.5 kW。

(3)冷热水箱循环泵:型号:HI-250 E;数量:3台。单台输入功率:1 kW。

(4)全功能智能控制柜，数量:1台。该控制柜能对太阳能热水系统实行全自动控制，自动进水、循环泵自动循环、防冻保护、水温自动加热等，保证全天候24小时供应热水(也可定时放水)、安全可靠、管理方便。

(5)贮水箱:双层不锈钢保温贮水箱，数量:2台，分冷热贮水箱，单台贮水箱容量6 000 L。

4 太阳能热水器应用的方法

安阳林场和新乡给水车间太阳能集热器采用真空管太阳能集热器，其每m2集热面在太阳能辐射时间〔在日照17 000 kJ/(m2·d)条件下〕从上午9时到下午3时，水温设定在40～60℃，春秋季产热水量60～70 L/(m2·d);夏季产热水量70～80 L/(m2·d);冬季产热水量50 ～60 L/(m2·d)(太阳能集热器产热水量参考郑州市各月的设计用气象参数:1～3月室外平均气温为3.2℃，4～6月室外平均气温为20.7℃，7～9月室外平均气温为24.6℃，10 ～12 月室外平均气温为8.2℃〔2〕)。

春夏秋三季洗浴用热水主要靠太阳能集热系统提供，阴雨天或冬季日照强度不高时采用空气源热泵系统辅助加热，形成组合能源系统。

该太阳能热水系统采用同程式强制循环系统，循环水泵的启动、水温及流量控制采用自动化系统控制，配备电气控制柜，实现太阳能自动控制，可实现水温、水位实时监控，定位自动上水，达到四季、全天候、智能化全自动运行。

5 太阳能热水系统的使用维护注意事项

(1)要有专人管理，经常巡视，做好运行记录。

(2)太阳能集热器表面经常落有尘土，影响集热效果，所以要经常冲洗集热器，一般1个月1～2次。

(3)在使用过程中如果发现集热器真空管破裂漏水，造成集热器温度过高，一般应停止运行。应先关闭电源，待天黑之后或第二天清晨太阳出来之前，换上新管，之后进行系统上水操作，继续运行(换管时应注意防止热水器内热水或蒸汽喷出伤人)。

(4)冬季，不能关闭太阳能热水系统的电源，避免温度过低破坏系统。如遇停电时间过长时，应排放太阳能设备内存水，保护系统安全。

(5)如果冬季停用太阳能热水系统时，应将太阳能设备、循环水泵及其它设备的水体排放干净，然后关闭电源。排水方法如下:

①首先将冷水进水阀门关闭;

②太阳能集热器下部供水管打开丝堵排水;

③循环水泵泵体一侧设有1个排气螺栓，将其打开排除泵体内的存水;

④恒温混水器底部设有排水阀门，将其打开排水。

6 费用分析

表1为郑州北建筑段安阳林场原燃煤锅炉与新安装的太阳能热水器运行费用分析。

表1 燃煤锅炉与太阳能热水器运行费用分析 万元

表1数据:操作锅炉人工费按2人配置，每人工资每天100元;煤燃料价格以2012年价格为准，锅炉每日运行10 h，运行时间360 d，煤燃料价格750元/t;锅炉补水泵开启时间每日按10 h计算，耗电量按单台水泵功率1 kW计算，电费价格:0.83元/(kW·h);炉渣运费40元/t。太阳能集热器在春夏秋三季天气晴好时提供热水无需产生费用，如遇连续阴雨天或者冬季利用空气热源泵加热提供热水。全年空气热源泵、循环泵开启时间按150 d计算(春夏秋三季空气热源泵开启时间按30 d计算，冬季空气热源泵开启时间按120 d计算)，空气热源泵、循环泵开启时间每日按10 h计算。

7 结论

积极利用太阳能资源和推广利用太阳能热水器技术，是解决我国煤炭、石油、天然气等常规能源短缺问题的重要措施之一，既可满足人们对生活热水的需求，同时对于节能降耗、减少成本支出亦具有重大的意义。

［1］GB50364—2005，民用建筑太阳能热水系统应用技术规范［S］．

［2］郑瑞澄．民用建筑太阳能热水系统工程技术手册〔M〕．北京:化学工业出版社，2012:1，26 －27，32，89，91，314．

［3］GB50015—2003，建筑给水排水设计规范［S］．