太阳能燃气锅炉耦合供能恒温泳池系统模拟与研究

周 鑫, 孟 欣

陕西理工大学 机械工程学院, 陕西 汉中 723000

随着经济的快速发展,人们生活水平不断提高,游泳作为一项广受大家喜爱的体育运动,在全民的普及范围越来越大,而恒温泳池甚至成为很多小区和学校的标配。现有的恒温泳池常选用锅炉或热泵作为供热设备为其提供恒温热水,高能耗伴随着高成本,既增大了业主的使用成本,也不利于我国“双碳”目标的实现。而太阳能作为一种免费的绿色可再生能源具有巨大的节能和环保优势,因此将绿色可再生的太阳能与燃气锅炉或热泵高效集成,采用耦合供能的方式为泳池提供恒温热水以及洗浴热水,将有效降低系统对天然气或电能的消耗。

陕西省西安市地处关中平原中部,属暖温带半湿润大陆性季风气候,冷暖干湿四季分明。本文以西安地区为例,采用太阳能天然气锅炉耦合方式为泳池提供恒温热水以及洗浴热水,并在此基础上进行建模,使用POLYSUN软件对系统全年运行过程进行模拟,探究温带半湿润大陆性季风气候地区不同季节及室外环境温度对太阳能出力的影响,以及在太阳能介入的情况下,系统的节能经济效益。目前国内外学者已经在太阳能燃气锅炉或者太阳能热泵的耦合方式[1-3]、系统节能情况[4-7]、运行状态[8-9]等方面进行了一些研究,但是针对传统燃气锅炉为恒温泳池提供恒温热水以及洗浴热水的能耗较高,燃烧还会产生温室气体。本文提出太阳能燃气锅炉耦合应用为恒温泳池提供恒温热水以及洗浴热水,进一步降低系统综合能耗。

1 太阳能燃气锅炉耦合系统设计

1.1 系统耦合方式

本文提出的太阳能燃气锅炉耦合系统是在传统的燃气锅炉恒温泳池热水系统的基础上引入一套太阳能集热系统,通过缓冲水箱以及控制阀,实现太阳能燃气锅炉高效耦合为恒温泳池提供热能。系统实现在保证恒温泳池水温要求以及洗浴热水的基础上,首先充分利用免费的太阳能为系统提供热源,当遇到太阳能不足时燃气锅炉启动为系统补充热能。

1.2 太阳能燃气锅炉耦合系统设计

设计如图1所示的太阳能燃气锅炉耦合系统,主要包括太阳能集热器、蓄热水箱、燃气锅炉、板式换热器、洗浴热水端和泳池供热端。基于安全优先的考虑,太阳能集热系统、洗浴热水系统和泳池供热系统均采用间接换热方式。

图1 太阳能燃气锅炉耦合系统

1.2.1 恒温泳池热负荷计算

恒温泳池热负荷计算依据为《游泳池给水排水工程技术手册》[10],维持泳池恒温的总热量需求Q总由下式计算:

Q总=Qc+Qz+Qb+Qcr,

(1)

式中,Qc为池水初次加热所需热量,Qz为泳池池水表面蒸发损失的热量,Qb为补充水加热所需的热量,Qcr为泳池水面、池壁、池底传导热损失和管道热损失。

池水初次加热所需热量Qc由下式计算:

Qc=Vcρc(Td-Tf),

(2)

式中,Vc为泳池的池水容积,此处选用3 600 000 L;ρ为水的密度,此处取0.999 7 kg/L;c为水的比热容,此处取4.186 8 kJ/(kg·℃);Td为泳池设计温度,此处取26 ℃;Tf为泳池初次注水水温,按初次注入水温10 ℃计算。算出泳池初次加热所需热量Qc=66 968.7 kWh。初次加热时间按48 h计算,则每小时需热量为1 395 kW。

泳池池水表面蒸发损失的热量Qz由下式计算:

(3)

式中,β为压力换算系数,此处取133.32 Pa;γ为与池水温度相等的饱和蒸汽的蒸发汽化潜热,单位kJ/kg;vw为池水表面风速,单位m/s;Pb为与池水温度相等的饱和空气的水蒸汽气压力,单位Pa;Pq为游泳池环境空气的水蒸汽分压,单位Pa;B/B′为标准大气压与当地大气压比值;As为游泳池的水面面积,此处取1 500 m2。算得Qz为215.5 kW。

补充加热所需的热量Qb由下式计算:

Qb=ρcVb(Td-Tf)/t,

(4)

式中,Vb为池水补水量,池水补水量按池水容积的5%计,此处为18 000 L/d;t为加热时间,此处取24 h。算得Qb为139.5 kW。

泳池水面、池壁、池底传导热损失和管道热损失,取池水面积热损失的20%,算得Qcr为43.1 kW。

最后算得恒温的总热量需求Q总为1 793 kW。

1.2.2 热水负荷计算

一天的生活热水负荷Qd由下式计算:

(5)

式中,c为50 ℃水的比热容,取4.178 kJ/(kg·℃);q为热水用水定额,根据《建筑给排水设计规范》[11]规定,50 ℃水温时每天人均生活热水定额在49～98 L/(人·天),此处取50 L/(人·天);ρ为50 ℃时水的密度,此处取988.1 kg/m3;tr为生活热水的热水温度,此处取50 ℃;t1为生活热水的冷水温度,此处取5 ℃;m为用水人数,此处取30。

计算得出一天的生活热水负荷Qd为3.2 kW。

系统的总负荷QH为1 796.2 kW。

1.2.3 太阳能集热器面积计算

因西安地区冬季温度较低,太阳能集热循环采用间接供热方式向恒温泳池供热,间接系统集热器面积计算如下:

(6)

1.3 设备选型

1.3.1 太阳能集热器

通过用POLYSUN软件对选择不同面积太阳能集热器的太阳能燃气锅炉耦合系统进行模拟,太阳能集热器的面积分别为300、350、400、450 m2。根据表1,比较使用不同面积太阳能集热器的耦合系统所节省燃料最大量,以及考虑投资和冬季太阳辐射情况,最终选取了某公司品牌平板型集热器200块,单块规格为2 m×1 m,单块采光面积1.8 m2,总面积400 m2,单位面积流量15 L/(h·m2),安装倾角45 °。导热流体采用质量分数33.3%下的丙烯混合物。

表1 不同面积太阳能集热器参数比较

1.3.2 燃气锅炉

由于平板集热器容易受到外界环境、气候等因素的影响,不能保证足够的太阳能辐射,采用燃气锅炉补充热能,以保证系统的稳定运行。燃气锅炉选用某公司500 kW带内置泵的燃气锅炉,该燃气锅炉热效率90%,功率500 kW,最小功率80 kW,流量43 000 L/h,质量560 kg,安全温度140 ℃。该燃气锅炉产生的热量最小值大于泳池恒温总热量需求,如遇极端天气,太阳能集热器无法正常工作,燃气锅炉也可独立供热满足供热需求。

1.3.3 蓄热水箱

蓄热水箱主要为恒温泳池提供热水时起到储存热水的作用,该系统中选择国内某公司生产容积2 000 L的蓄热水箱,该水箱材料为钢,墙体厚度2.5 mm,水箱顶和底厚度均为100 mm,水箱高度2.5 m,保温材料采用100 mm厚硬聚氨酯泡沫。

1.4 泳池设计参数

根据上面的理论分析,本文选取西安地区某地下一层游泳训练馆燃气锅炉供能下的恒温游泳池为实验研究对象。在此基础上搭建太阳能集热系统与燃气锅炉共同作为恒温泳池的供能设施,利用蓄热水箱、循环管路、换热器、泵以及控制器设备对供能系统进行耦合。表2为该室内恒温泳池设计参数。表3为太阳能燃气锅炉耦合供能恒温泳池主要设计参数。

表2 室内泳池设计主要参数

表3 太阳能燃气锅炉耦合供能恒温泳池主要设计参数

2 系统建模分析

2.1 方案建模

本文所采用模拟软件为瑞士国际太阳能测试中心研发的太阳能系统模拟软件POLYSUN。模型调用软件库中西安地区的气象数据,并对太阳能燃气锅炉恒温泳池系统全年运行情况进行模拟,并对模拟结果进行分析。图2为太阳能燃气锅炉耦合供能恒温泳池系统图。系统通过主缓冲水箱向泳池供热以及洗浴热水,其中燃气锅炉直接与主缓冲水箱相连,太阳能集热回路以间接换热方式与主缓冲水箱相连,泳池恒温水通过板式换热器提取主缓冲水箱热量。

图2 太阳能燃气锅炉耦合供能恒温泳池系统

2.2 温控启停控制

太阳能燃气锅炉恒温泳池系统中,当太阳辐射较强时,太阳能集热器为蓄热水箱提供加热;当太阳辐射较弱,太阳能集热器无法满足泳池热水需求时,燃气锅炉介入参与供热,辅助加热控制器控制燃气锅炉的启停,辅助加热控制器的启动差值为5 ℃,断开差值为10 ℃。即当蓄热水箱温度低于燃气锅炉加热设定温度5 ℃时,辅助加热控制器控制燃气锅炉启动参与供热;当太阳能集热器出口温度高于设定温度10 ℃时,说明太阳能辐射较强,太阳能集热器可以独自满足供热需求,辅助加热控制器控制燃气锅炉停止供热。

2.3 模拟结果分析

2.3.1 系统能耗分析

运行系统得到图3—图5的温度模拟图。图3和图4分别选取2021年1月和7月中典型的一个周作为时间变量对集热器出口温度与平均室外温度进行模拟,由于夏季室外温度较高,水表面散热量较少,夏季泳池温度高于冬季。随着室外温度的提高,集热器出口温度呈增高趋势,并会随着昼夜交替呈现峰谷状态。夏季的太阳辐射强度高于冬季,故而冬季典型周集热器有效利用的时间约为50 h,而夏季典型周集热器有效利用的时间约为110 h,说明在夏季典型周集热器主要为系统供热。

图3 2021年1月12—18日集热器出口温度与平均室外温度模拟

图4 2021年7月12—18日集热器出口温度与平均室外温度模拟

图5 系统耦合供能各回路温度模拟值

图5为太阳能燃气锅炉耦合系统全年运行时间段内泳池水温、太阳能集热回路温度、锅炉供水温度、室外环境温度、冷水温度的模拟数据。观察发现冷水温度与室外环境温度变化趋势相同,但要维持恒温泳池水温为始终保持设定的26 ℃,需要锅炉与太阳能集热共同作为系统能源供给方,并随着太阳能供应热量比重的增加可有效降低锅炉的使用时间,进而降低系统对燃料和电能的消耗。

太阳能燃气锅炉耦合系统2021年各月能耗如图6、图7所示,一年内,系统的总能量消耗量主要来自太阳能集热器提供给系统的光热能量。从图6中可以看出在4—10月份太阳能作为主要能量来源为泳池提供能量,均在10 000 kWh以上,太阳辐射强度逐渐增强,太阳能集热系统可及时为泳池提供热水,减少了燃气锅炉的使用时间,从而降低燃气的消耗。相反,在低温的几个月里太阳辐射强度减弱,供给系统光热能量减少,基本都小于10 000 kWh,太阳能集热系统不足以保证泳池水温,增加了燃气锅炉使用时间,燃气锅炉所消耗的燃料和电能明显增加,消耗的燃料和电能均在800 kWh以上。

图6 供给系统光热能量 图7 燃气锅炉所消耗的燃料和电能

2.3.2 系统经济性分析

该系统设计的使用寿命为20年,通过观察表4数据可知,相较于传统的燃气锅炉提供恒温热水以及洗浴热水,用太阳能燃气锅炉耦合系统在一年中可以减少消耗天然气14 598.5 m3,按2021年西安市非居民天然气销售价格2.67元/m3计算,相较于传统的燃气锅炉系统一年可以节约燃气费用38 978元,还可减少二氧化碳排放35 499 kg。太阳能燃气锅炉耦合系统与传统的燃气锅炉比较不仅减少了天然气的消耗还可以极大地降低对环境的影响。

表4 系统节能概括

通过使用一种比较简单的静态经济评估法,以投资回收时间作为评估指标,该方法主要以设备成本和运行费用为主。太阳能燃气锅炉耦合系统是在传统燃气锅炉系统的基础上耦合了太阳能平板集热器,太阳能平板集热器的按市面350元/m2计算,增加的初投资为140 000元;太阳能燃气锅炉耦合系统节省的年运行费用为38 978元。投资回收期等于增加的初投资比运行费用为3.6年,在20年的使用寿命期限内太阳能燃气锅炉耦合系统节省费用可达639 560元。

3 结论

本文基于安全使用的原则,设计了太阳能燃气锅炉耦合系统,是在传统的燃气锅炉恒温泳池热水系统的基础上引入一套太阳能集热系统,以板式换热器为供暖热水提供能量补偿,并采用POLYSUN软件对该系统方案的全年运行工况进行了模拟和对比分析,结果发现:

1)利用太阳能集热器耦合燃气锅炉比传统燃气锅炉提供恒温热水以及洗浴热水更有优势,该系统在建设运行当年即可减少消耗天然气14 598.5 m3,按2021年西安市非居民天然气销售价格2.67元/m3计算,当年节约燃气费用38 978元,投资回收期为3.6年,在使用寿命期限内节省费用可达639 560元,该系统具有良好的节能效益。

2)使用太阳能燃气锅炉耦合系统可以显著减少CO2排放量,在当年内可以减少CO2排放量35 499 kg。因此,该系统具有良好的减排效益。

3)在实际应用中,太阳能集热器面积与系统后期运行费用呈反比关系,前期系统太阳能集热器面积越大,后期运行成本也就越低。但随着集热器面积的逐渐增大,系统的初始投资也越大,对外部环境的要求也越高,所以要根据具体的施工情况,合理选取太阳能集热器面积。