某机场供热站太阳能集热系统改造工程分析

刘 赟

(中国民航工程咨询公司，北京 100621)

1 概述

某机场所处的场址由于太阳能资源丰富，供暖采用太阳能加地热的复合热源的方式。目前太阳能集热系统存在着全年循环工质消耗量大的问题，增加了系统运行成本。鉴于以上情况，该机场委托设计部门对太阳能集热系统提出改造方案，并进行经济效益分析。

2 供暖系统现状和存在的问题

机场总供热面积约14 000 m2，热源工艺系统设置于供热站内，系统由太阳能集热系统、土壤源热泵系统组成。太阳能集热系统是供暖优先采用的热源，而供暖所需热量的剩余部分由土壤源热泵系统补充。太阳能集热系统由太阳能集热器、容积式换热器、循环泵、管道和控制系统等组成。太阳能集热器布置在机场办公楼、供热站、变电站屋面。连接太阳能集热器的管道通过热力地沟敷设至供热站。

为了防止供暖季管道冻裂，太阳能集热系统内的循环工质为乙二醇溶液。目前系统时有跑、冒、滴、漏发生，乙二醇溶液消耗量大，维护成本比较高。基于季节蓄热［1］的原因，太阳能集热系统在非供暖季同样需要运行，不断将热量储存于土壤中。如果此段时间内采用水替代乙二醇溶液作为循环工质，将大大减少泄漏损失和维护成本。

然而，现有系统进行循环工质的转换，困难较大，效率较低，原因有以下三点:1)若要对管道进行放空，需要人为放置储存容器、操作放空阀。并且由于系统内工质体积较大，需人为运转工质多次，效率较低。2)系统最低点为敷设于室外地沟内的管道，只在机房内对管道放空，不能使管道完全放空。这部分管道较多，会有大量工质得不到回收。3)屋面水平管道未设坡度，不能迅速排空管道。

3 改造方案

3.1 乙二醇溶液收纳系统设计

为了方便系统进行循环工质转换，在原系统的基础上增设一套乙二醇溶液收纳系统，其流程图如图1所示，具体设备组成如下:

1)乙二醇溶液收纳箱。

根据系统的容量，计算出乙二醇溶液的体积，以此确定乙二醇溶液收纳箱的有效容积。根据计算［2］，本系统的乙二醇溶液体积为17.5 m3。而供热站现有一个尺寸为1 800 mm×1 500 mm×1 500 mm的乙二醇溶液配置箱，有效容积约3.51 m3，远小于所需容积，因此拆除现有乙二醇溶液配置箱，重新设置一个乙二醇溶液收纳箱，尺寸为3 100 mm×2 800 mm×2 100 mm，容积为18.23 m3。

图1 乙二醇溶液收纳系统流程图

2)补水箱。

增设一个补水箱，尺寸为1 000 mm×1 000 mm×1 000 mm。补水箱进水分别接自来水管和乙二醇收纳箱，出水管接定压补水装置。供暖季补水箱内为乙二醇溶液，非供暖季为水。

3)排空阀。

乙二醇溶液收纳箱上空的系统供回水管上设置两组放空管。一组放空管接至乙二醇溶液收纳箱，管上设电动蝶阀，在供暖季向非供暖季过渡时，用来放空该管道标高以上的乙二醇溶液;另一组放空管接至机房排水沟，在非供暖季向供暖季过渡时，用以排空该管道标高以上的水。

4)乙二醇收集箱。

由于系统一部分管道敷设于室外地沟内，为保证系统内所有的乙二醇溶液均能收集于乙二醇溶液收纳箱，在室外系统最低点附近设置检查井，井内设一个尺寸为800 mm×1 000 mm的乙二醇溶液收集箱，箱内设置潜水泵，潜水泵出水管接至供热站内的乙二醇溶液收纳箱和排水沟。室外供回主管最低位置上设置放空管，放空管坡向乙二醇溶液收集箱并与之连接，管上设排空阀。

另外，由于现状屋面太阳能集热系统管道未设坡度，无法利用重力进行排空。因此重新安装水平干管使其具有4‰的坡度，坡向主立管。水平干管末端最高点设快速排气阀，保证系统充水时快速排气及系统排空时吸气。

3.2 收纳系统运行模式

1)供暖季。

系统循环工质为乙二醇溶液。乙二醇溶液收纳箱和补水箱之间管道的阀门F9和F12为开启状态，其他阀门呈关闭状态，定压补水装置向系统补充乙二醇溶液。

2)供暖季向非供暖季交替时。

系统循环工质由乙二醇溶液更换为水。停止定压补水装置，开启系统放空管上的电动阀F1，F2，高位管道内的溶液排空至乙二醇溶液收纳箱后，开启系统最低点的供回水管上的阀门F7，F8，F3，溶液排往乙二醇收集箱，经潜水泵加压，输送至乙二醇溶液收纳箱内。待管道内乙二醇溶液排空后，开启补水箱上自来水补水管阀门F10和F12，关闭其他阀门，开启定压补水装置，向系统充注水。

3)非供暖季。

系统循环工质为水。补水箱上自来水补水管阀门F10和F12为开启状态，其他阀门呈关闭状态，定压补水装置向系统补水。

4)非供暖季向供暖季交替时。

系统循环工质由水更换为乙二醇溶液。停止定压补水装置，开启系统放空管上的阀门F5，F6，高位管道内的水排空至排水沟。开启阀门F7，F8，F4，低位管道内的水排往乙二醇溶液收集箱，经潜水泵加压，排至排水沟。系统排空后，开启乙二醇收纳箱和补水箱之间的阀门F9和F12，关闭其他阀门，开启定压补水装置，向系统充注乙二醇溶液。

4 经济效益分析

4.1 系统补给量计算方法

每天补充的乙二醇溶液量M为:

其中，M为每天的补给量，m3/d;V为系统水容量，m3;a为系数，补给量按系统水容量的1%计算［3］;h为系统运行时间，h，太阳能集热系统不运行时，工质泄漏量很少，因此非运行状态下系统的泄漏量在此计算中忽略。

每天补充的乙二醇量M1为:

其中，M1为每天的乙二醇补给量，t/d;η为乙二醇溶液体积浓度，%;ρ为乙二醇的密度，t/m3。

一年中供暖季乙二醇补给量为:

其中，M2为一年中供暖季乙二醇补给量，t;D1为供暖季太阳能集热系统运行天数，d。

一年中非供暖季乙二醇补给量为(采用乙二醇溶液收纳系统后此项为0):

其中，M3为一年中非供暖季乙二醇补给量，t;D2为非供暖季太阳能集热系统运行天数，d。

系统一年所需乙二醇补给量为:

其中，M4为一年所需乙二醇补给量，t。

4.2 改造前后乙二醇的用量计算

1)系统一次充注量计算。

太阳能集热系统的水容量约为17.5 m3，循环工质采用体积浓度25%的乙二醇溶液，一次乙二醇的充注量为4.375 m3，液态下乙二醇的密度为1.11 t/m3，则一次乙二醇的充注量为4.86 t。

2)系统运行补给量计算。

根据过去3年能源管理系统采集的数据，一个供暖季为6个月，由于天气原因平均每个月太阳能集热系统运行的天数约为22 d，平均每天太阳能集热系统运行时间为5 h。非供暖季时间为6个月，系统平均运行天数约为95 d。则改造前后乙二醇的用量和费用对比如表1所示。

表1 改造前和改造后乙二醇的用量和费用对比表

从表1可以看出，经过系统改造，大幅度减少了乙二醇的消耗量，减少了乙二醇的采购费用，每年节约费用20.9万元。根据乙二醇溶液收纳系统的设备采购、安装费用约60万元，预计3年可回收投资成本，经济效益较好。

5 结语

本文介绍了某机场供热站太阳能集热系统改造设计方案。通过改造减少了全年系统内乙二醇溶液的泄漏量，节约了乙二醇和水，降低了系统运行成本和人力成本，带来较好的经济效益。