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太阳能辅助电加热技术在宾馆生活用水系统中的应用

浏览次数: 日期:2017年8月12日 11:57

  太阳能一般是指太阳的辐射能量,它是人类取之不尽用之不竭的可再生能源,具有清洁性、安全性、广泛性、免维护、资源充足及经济性等优点。它为人类创造了一种新的生活形态,在长期的能源战略中具有重要地位。

  利用太阳能辅助电加热技术加热生活用水以代替部分常规能源,在节约能源、降低消耗以及绿色环保方面具有重要的意义。天津市地处华北平原东北部,年平均日照时数约为2732h,年太阳辐射量约为6000MJ/(m2·a),具有良好的太阳能利用条件。2011年,经过四年的应用尝试与试验论证后,我们对原有的生活用水系统进行了改进,最终采取太阳能与电辅加热水箱组合来加热生活用水,大幅度降低了电能消耗,取得了较好的经济效益。

  1 太阳能辅助电加热生活用水系统的组成及原理

  1.1 太阳能加热方式的选择

  利用太阳能加热生活用水可采用直接加热的方式。直接加热的方式是生活用水直接进入太阳能集热器进行加热,此种方式便捷且加热效率高。

  1.2 电加热方式的选择

  辅助电加热生活用水可采用直接加热和间接加热两种方式。

  (1)直接加热。水进入电加热系统中直接进行加热,此种方式热转换效率高,但由于所在地区生活用水碱性较高,系统长时间高效运转电加热管会结垢而降低热传导率。

  (2)间接加热。采用板式换热器,利用纯净水作为热介质,将电加热系统中的热能传递给蓄热储水箱中的水。此方式有效降低了方式一中的结垢问题,但热转化效率较方式一低。

  1.3 系统的组成及工作原理

  根据现场实际情况和应用要求,太阳能辅助电加热生活用水系统主要包括:太阳能集热系统、电加热系统、水路循环系统、蓄热储水系统、控制系统五个部分,其工作原理如图1所示。在正常太阳能辐射条件下,蓄热储水箱主要依靠太阳能进行加热;在太阳能不足的条件下,系统通过温度控制器,自动启动电加热系统内的电加热器,对蓄热储水箱中的水进行补充加热,从而实现整个系统的平稳运行。同时,在管道内水温不足的情况下,控制系统将自动启动循环泵,使管道中的水重新进入水箱内进行二次循环加热,有效降低了水温不足时的放水浪费。

  2 现场太阳能辅助电加热生活用水系统的设计

  2.1 设计时主要考虑的几个问题

  (1)系统应保证全天供应热水,并考虑在高峰用水情况下的热水供应。(2)系统处在天津地区,冬季寒冷水易结冰。应考虑使用电伴热等解决太阳能及管路的防冻问题。(3)要综合考虑建筑设计,合理选择太阳能和其他设备的放置位置及布局方式。(4)系统应可靠、耐用、方便管理。(5)在保证工程质量的前提下,尽可能降低工程造价,提高工程的性价比。

  2.2 系统设计

  2.2.1 太阳能集热器面积及数量

  由于三高太阳芯全玻璃真空集热管采用国际先进的干涉膜技术,具有耐高温、耐高寒、高效吸收、抗老化等特点(三高管与普通管的技术参数对比)。通过综合分析比较,最终,我们选取了亿家能公司生产的JPS-30TT21-00°参考近期天津市滨海新区气象资料,该地区水平面上的单位面积太阳能年辐射总量为6128MJ/m2,折算日平均单位面积太阳能辐照量为16.79MJ/㎡。

  直接加热系统集热器总面积为:

  Ac=[2]

  式中Qw--日均用水量,取前一年平均值26*103kg

  Cw--水的定压比热容,取4.186kJ/(kg·℃)

  t end--贮水箱内水的设计温度,取50℃

  ti--水的初始温度,取年平均值15℃

  f--太阳能保证率,根据[2]取45%

  JT--当地集热器采光面上的年平均日太阳辐照量,取16.79* 103kJ/m2

  ηcd--集热器的年平均集热效率;根据产品介绍取0.72

  ηL--贮水箱和管路的热损失率;根据经验取0.2

  则Ac==177.22m2

  依据表2,每组集热器的采光面积为5.38m2,则一共需要33组集热管。

  2.2.2 电加热水箱功率

  高峰用水量的估算:

  目前迎宾馆有标准客房26套,高峰入住率80%,高峰时段洗浴人数按照总人数的80%计,每个房间用水量按照150L/h计,则高峰时间用水总量为:V=150*26*80%*80%=2496L/h

  电辅加热水箱功率的估算:

  P=

  式中Cw--水的定压比热容,取4.186kJ/(kg·℃)

  m--高峰用水质量,2496kg

  t end--电辅加热水箱出水温度,取50℃

  ti--冬季管道内水的初始温度,取平均值5℃

  t--作用时间,取1h

  η—电辅加热水箱的平均热效率,取90%;

  则P==145.11Kw

  2.2.3 蓄热储水箱

  采用8吨不锈钢板水箱,其中内胆为1.5mm304食品级不锈钢板,外皮为1.0mm201不锈钢板,抗腐蚀性强,保温层为50mm聚氨酯整体发泡,保温性优异,极大保存了太阳能产生的热量。

  3 系统试运行及应用效果

  现场应用基本按照设计要求进行,集热器安装在渤海石油迎宾馆楼顶,既美观又不占其他空间。太阳能辅助电加热系统试运行了一年,呈现了较好的适应性,在7—9月,日照充足情况下,电加热系统可以完全关闭,其余月份太阳能和电加热系统交替使用,现场测试的主要性能指标为:

  (1)在正常太阳能辐射强度条件下,太阳能集热系统每天可工作10小时左右,集热器进出口水温温差最低为15℃,最高达到了65℃,作用效果明显。

  (2)效益对比:2007年前,迎宾馆使用功率为36KW的6台电加热锅炉对生活用水进行加热,电加热锅炉平均年耗电为24.56万度,经过2007年及2011年的两次改造,最终使用太阳能与电辅加热水箱组合对生活用水进行加热。经改造该系统年耗电量为16.34万度,每年可节约电费9.75万元。另外,未进行改造前,客房用热水都需经过长时间放水以便将锅炉与用水末端间的凉水放掉才能达到适宜温度。经过项目改造后,实现了管道内水的循环回收,使管道中的水总保持在一个相对适宜的温度,达到了即用即热的效果,减少了水资源浪费,提高了服务质量。通过计量,项目实施后,每年节约用水约1000吨,节约水费0.8万元。

  (3)环保效益:发1度电需360克标准煤,并向空气中排放500克CO2,还要排出大量的SO2等有害物质。通过使用太阳能电辅加热系统,每年可节约用电9万度,即可节省标煤约32.4吨,减少CO2排放45吨。

  (4)投资回收情况:渤海石油迎宾馆太阳能辅助电加热系统实际投资38万元,项目静态投资回收期约为3.6年。

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