浅析太阳能热水在实际工程中的应用

郑 鹏

（天津中发机电工程有限公司 天津 300384）

浅析太阳能热水在实际工程中的应用

郑 鹏

（天津中发机电工程有限公司 天津 300384）

针对原蒸汽锅炉系统热效率低，危险性大，结垢等因素，通过改造增加一套太阳能热水系统，经循环泵强制液体传热来提高热效率，既降低了投资成本，又节约了能源。

太阳能热水；集热效率；节能环保

太阳能是全球最丰富的可再生能源，在发电、空调、取暖、供水到各种各样太阳能动力装置得到广泛应用。本文主要介绍U型管式真空集热器在实际工程中的应用。U型管式真空管集热器具有比较高的集热效率，以金属作为吸热体，可以承压运行，还有防漏、防垢、耐久、安全可靠、维护简便等特点。

1 改造背景

1.1 改造对象

天津南开大学附属中学宿舍楼生活热水系统。

1.2 改造增加设备

本次改造核心内容是为学校宿舍楼增加一套太阳能热水系统，主要有集热器、热水循环泵、集热循环泵、蓄热水箱等。

1.3 改造前情况及改造原因

宿舍楼原生活热水由蒸汽锅炉系统提供，蒸汽锅炉危险性大、耗煤量大、做功慢、需二次换热、受热面积小、锅炉表皮温度高、烟囱排烟温度较高、锅筒及烟管易结洉、烟管内积灰等几个因素造成热效率降低。通过改造取消原蒸汽锅炉，增加一套太阳能热水系统，利用太阳能集热装置得到热水，供住宿学生使用。

2 改造

2.1 热水设计及参数

天津南大附中太阳能生活热水工程，为300人供应生活热水，按公共浴室（淋浴）热水用水定额取60L/每人每次，使用时间12小时，热水温度为60℃，总热水量为18m3/d，供40个淋浴喷头，小时最大用水量为21.6m3/h综合考虑现场实际情况。

太阳能集热板设置于食堂顶层，充分采集太阳能资源，箱间设置于一层原锅炉水箱间位置，保留原有20吨水箱作为生活水箱，新增一台15吨蓄热水箱。

2.2 相关计算

2.2.1 太阳能保证率，管路及储热水箱热损失率

太阳能保证率是衡量当地太阳能资源的一个重要参数，太阳能保证率越大表示当地太阳能越丰富。太阳能保证率是确定所需集热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。在国内前人的研究与实际工程实践中，太阳能保证率通常根据经验取得，一般取=70%，太阳能集热系统的集热器管路，换热器及水箱等主要部件均在室外，相对于在室内的情况，环境温度较低，取=20%。

2.2.2太阳能集热器年平均集热效率

U型管真空管集热器的效率为：

式中：

ηa——集热器瞬时效率

ti——集热器进口工质温度，℃

ta——年平均日室外温度，℃，经计算得12℃

G——年平均日射辐照度，W/m2

SY:年平均日均日照时数,JT:年平均集热器倾角表面日照辐量归一化温差X:

计算出U型管真空管集热器集热效率为ηcd≈0.7

2.2.3 U型管真空管太阳能集热器的集热总面积

参照国家相关标准，朝正南向直接式太阳能热水系统集热器面积按下式计算：

式中：

AC—直接系统集热器面积，m2

QW—日均用水量；

CW—水的定压比热容，4.187kJ/（kg·℃）；

tL——冷水设计温度或水的初始温度（自来水上水年平均温度），15℃；

tend——热水设计温度（储水箱终止温度），60℃；

ρ—水的密度，1kg/L；

f— 太阳能保证率，50%；

JT—当地集热器采光面上的年平均日太阳辐照量；按不同的月份计算出全年平均日太阳辐照量为16345KJ/m2；ηcd—集热器的年平均集热效率,50%；

ηL—储水箱和管道的热损失率，取15%；

经计算得出，所需集热器面积=245m2。

以上计算所得集热器面积为集热器吸热体面积，食堂顶层屋面满铺可以摆放152组u型真空管集热器，有效吸热体面积可达246.24m2，基本满足热水的设计量（18m3/d），由于太阳能是蓄热形式，学校学生的用水量不好控制，水温不可以高于40℃，因此需要在一楼设备间内增加一个15m3的蓄热水箱，同原热水箱之间换热。

3 改造结果

3.1 改造后变化

此次改造于2013年8月开工，2013年9月完成并投入调试，2013年10月正式投产运行。改造后系统不结垢，即使长期使用也不会影响其集热的效率，而且循环泵强制液体传热的循环效率高，运行稳定，使用安全，最重要的是绿色环保。

3.2 改造后节能量计算

按蓄热水箱60℃热水考虑：

直接系统的年节能量为：

式中：ΔQsave——太阳能热水系统的年节能量，MJ；

AC——系统的太阳能集热器面积，m2；

JT——太阳能集热器采光面上的年总太阳辐照量，取JT=17MJ/m2；

ηcd——太阳能集热器的年平均集热效率，取ηcd=70%；

ηL——管路、水泵、水箱的热损失率，取ηL=15%；

本系统的ΔQsave=904533.875MJ

4 节能经济效益分析

本次太阳能热水系统改造项目投资为68万元，包括水、电、部分土建装修及设备费用。运行产生的费用主要为人工费、电费。天津市2012年电价为1.1元/kw·h，折算电价为0.31元MJ，每年约节能28万元。

通过使用改造后的太阳能热水系统，有效地达到了节约能源，降低投资成本的目的。系统改造后，运行稳定，使用安全，维护方便，节能环保。