太阳能热水系统微电脑控制器

0前言

太阳能作为一种免费、清洁、无污染的能源，以节能和环保的突出特点，在建筑中的利用越来越普遍。下面以杭州某宾馆为例，浅谈杭州普桑能源科技有限公司设计安装的太阳能热水系统在宾馆、饭店节能改造中的应用。

1改造前情况

该宾馆地处杭州市余杭区余杭镇。现采用一台燃煤锅炉给客房提供生活热水，储热水箱放置在锅炉房旁边的一设备间内，据该宾馆后勤人员介绍，该宾馆每天大约需15吨50℃的热水，每年约使用100t煤，加上两个锅炉人员工资及维修等费用，年运行费用较高的。经过实地考察得知，该锅炉属于淘汰型锅炉，燃烧效率很低，同时现有储热水箱保温材料有多处脱落，特别冬季散热很大；锅炉与水箱连接管道及供热水管道未做任何保温处理，热损失较大。

2改造方案的提出

在杭州地区实行的“煤改气（油、电）”等环保政策，使宾馆等商业单位的能源费用大幅上涨，该宾馆为了降低运行费用及环保，计划对该单位的燃煤锅炉进行节能改造，寻求合理的改造方案。

3改造方案的确定

杭州市属于太阳能资源较丰富地区，具有利用太阳能的良好条件。同时太阳能资源的节能和环保的突出特点，因此建议该宾馆采用太阳能提供生活热水。

但由于太阳能源的不稳定、不连续性，为了保正该宾馆全天候24小时供应热水的需求，采用太阳能系统时必须采用辅助能源，根据以上分析及结合现有状况，建议该宾馆采用空气源热泵作为辅助热源，电加热作为备用热源（第二辅助热源），采用电加热作为第二辅助能源具有以下优点：电加热管可以直接装在现有的储热水箱中，具有安装方便，不占用设备间的空间；全部自动化运行，不需专人看管，节省人员工资；系统运行维护方便；可以利用低谷电，节省运行费用。

经过分析及结合该宾馆现有状况，最终该宾馆选择了太阳能热水系统节能改造方案。

4相关计算

4.1太阳能集热面积

（1）杭州地区的太阳辐射资源

查有关资料，杭州：纬度30º14’，经度120º10’，高度41.7m

杭州地区全年各月水平面的月平均日太阳辐照量见表1。

表1 杭州地区全年各月水平面/当地纬度斜面上的月平均日太阳辐照量（MJ/㎡·d）

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

水平面

6.813

7.753

9.021

12.542

14.468

13.218

17.405

16.463

12.013

10.276

8.388

7.303

纬度斜面

9.103

8.534

9.552

11.953

12.715

11.417

15.158

15.684

11.846

11.524

10.839

10.425

从表1可知：不同斜面上的太阳辐照量是不同的，且随月份（季节）变化而变化。本系统设计太阳集热器的倾角采用当地纬度，因此设计计算应选择纬度斜面的太阳辐射值。因此查表1，取太阳集热器斜面（当地纬度斜面）平均值12MJ/㎡·d作为设计值。

(2）杭州地区太阳集热器的热效率

图1 太阳集热器效率曲线

太阳集热器的瞬时效率曲线见图1。图中纵坐表标为集热器的瞬时效率，横坐标为归一化温差X，X=（tR-ta）/G，其中tR为集热器热水进出口平均温度(产热水温度)，ta为环境或周围空气温度，G为总日射辐照度。从效率曲线可以看出，太阳集热器的热效率随产热水温度与环境温度的温差与太阳辐照度的比值（tR-ta）/G的变化而变化。也就是说，环境温度越高，要求的产热水温度越低，太阳集热器的热效率就越高；反之，则越低。

假定产热水温度按45℃计算，根据杭州地区全年各月的环境平均温度，可以推算出全年各月的热效率数值η见表2。

表2 太阳能在杭州地区全年各月的平均热效率值

月份

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

ta

4.3

5.6

9.5

15.8

20.7

24.3

28.4

27.9

23.4

18.3

12.4

6.8

η

0.42

0.46

0.50

0.52

0.55

0.56

0.58

0.57

0.56

0.54

0.51

0.46

（3）太阳集热面积确定

根据GB/T 18713-2002《太阳热水系统设计、安装及工程验收技术规范》,太阳集热器的集热面积可以按如下公式计算：

项目采用58180050型太阳能集热器30块，每块集热面积为7.5㎡，太阳能总集热面积为225 ㎡。总共1500支581800集热管。

4.2辅助加热功率确定

辅助加热功率的选取应按阴雨天没有太阳能时，完全靠辅助加热来保证供热设计。（杭州地区：每年日照时数大于6小时的天数约为220~250天，此期间不使用辅助加热）辅助加热功率应按阴雨天完全靠热泵加热时计算。

计算参数：最长加热时间：12小时

冷水水温：15℃

热水水温：55℃

加热水量：15000kg

热泵计算选型如下：

L热水的耗热量Q=M（L）CΔT

=15000 kg1 kcal/kg·℃40℃

=600000Kcal

其中：M为总用水量L

C为水的比热（kcal/kg·℃）

ΔT为温升℃

设备输入功率=Q÷COP÷q(电热值860) ÷t（运行时间）

=600000÷3.8÷860÷12

15.29kW

选用空气源热泵10匹2台。另增加30kW电加热。极端天气情况下备用。

5关键设备选型

5.1太阳集热器选型

目前国内使用的太阳集热器类型主要有平板型太阳集热器、真空管太阳集热器、热管真空管太阳集热器、U形管真空管太阳集热器。平板型太阳集热器保温性能不如真空管太阳集热器，适合在春、夏、秋三季使用；真空管集热器在-25℃的低温条件下，仍可产生热水，可一年四季使用，冬季利用太阳能的效率最高，但存在炸管泄漏问题；热管集热器可在-50℃条件下使用，但热管冷凝端（加热端）表面积仅是真空管的百分之一，易结水垢，换热效果不如真空管，且使用效果直接受到热管本身质量和寿命的影响，部分热管出现质量下降和衰减问题，不容易被发现，且成本高；U形管真空管太阳集热器是在真空管的内壁插入了一根U形的铜管，利用传热介质在U形铜管内流动将真空管吸收太阳热能带走，因而可封闭带压循环，不存在炸管泄漏问题，但由于U形管怕冻，因此必须采用防冻液介质循环，成本相对也高。

综上所述，不同类型的产品各有其优缺点。为此，选择全玻璃真空管太阳集热器比较合适，热效率高，经济实用，是目前国内市场（包括杭州）普遍使用的产品。

5.2 空气源热泵

该项目空气能热泵热水机组，在进水温度、进水压力、环境温度等参数不断变化的情况下，始终保证出水温度恒定在设定值（出厂设定55℃），48℃～60℃可调。机组开启即有高温热水产生，源源不断地流入保温储水箱中供用户使用。

5.3储热水箱

为了尽量利用原有设备，降低节能改造费用。建议采用原有的储热水箱，但原有水箱需重新做保温，内壁需重新涂刷耐高温的环保防腐涂料。

5.4控制系统

系统控制器应能实现：在保证优先利用太阳能加热的情况下，根据天气阴晴变化和热水用水量的多少，自动判断和启动辅助加热系统，以保证全天候热水供应。因此建议该宾馆采用CPU可编程电脑控制器，实现太阳能系统的全自动化、智能化，确保控制系统的可靠性，实现自动化运行，并具有可以根据用户的实际需要，任意修改控制程序，使太阳能系统实现真正意义上的全自动控制和智能化管理。

5.5系统管路

选用德国威乐水泵，噪音低，寿命长。电磁阀选用无压直开式电磁阀。管路选用国标热镀锌钢管，外用5cm聚苯乙稀保温，外裹玻璃钢铝箔布，保温效果好，美观耐用。

6效益分析

6.1经济效益

表3 经济效益对比

电锅炉

燃油锅炉

天然气锅炉

年产50℃热水量

4500t

4500t

4500t

比较设备热值

860Kcal/kW·h

10200Kcal/kg

8500Kcal/m3

比较设备效率

90%

80%

85%

年需要燃料

232558kW·h

22058kg

24913m3

燃料价格

0.6元/kW·h

4.5元/kg

2.3元/m3

年节省费用

139535

99261

57300

太阳能系统造价

250000

250000

250000

由表3可看出，安装太阳能热水系统，其节省的费用，相对于电锅炉系统来说，节省的电费，2年左右就可收回投资；相对于燃油锅炉来说，节省的燃油费，3年左右就能收回投资。相对于燃气锅炉来说，节省的燃气费，4年左右就能收回投资，而太阳能系统的使用寿命在10年以上（一般可用15年）。由此可见，安装太阳能系统的经济效益非常显著。

6.2环境效益

该太阳能热水系统无污染、无噪音、无废物废气排放，可以有效降温室气体CO2的排放，有利于缓解全球气候变暖；同时也减少酸雨气体SO2和总悬浮颗粒物的排放量，有益于改善杭州地区的生态环境，环境效益显著；还能较大幅度地减少煤炭或其它化石燃料的消耗。

7结语

对于正在使用燃油、燃气或电锅炉的单位，如机关厂矿、宾馆学校、住宅等提供生活热水的地方，进行节能改造，采用太阳能热水系统是有效的节能降耗、较少雾霾的措施之一，将会给企业带来可观的经济效益，值得广泛推广应用。

来源：中国太阳能工程 作者:杭州普桑能源科技有限公司/袁新毓 、徐平

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