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太阳能热利用高寒地区应用经典案例

上传时间:2016-05-05 09:16:48来源:互联网浏览次数:

这是桑普在西藏的一个经典太阳能热利用案例。能征服西藏,曾经空气能热水及供热系统小编推荐了芬尼克兹的项目,今天,我们来看下太阳能是如何征服西藏这块高寒区的。

 

 

 

1 工程概况
 

本项目为主动式太阳能采暖系统——液体工质集热器短期蓄热采暖系统,主要项目地点位于西藏双湖特别区,主要为普鲁岗日宾馆提供冬季采暖和洗浴热水。


根据气象资料,当地的海拔约为4,950m,年平均日太阳辐射量为21MJ/㎡•d左右,晴天占95%以上,冬季室外平均气温约为-25℃左右。



该宾馆是一栋两层楼的建筑物,总建筑面积约为2,000㎡,需要采暖的建筑面积为1,350㎡,其中客房600 ㎡,厨房及餐厅230㎡,会议室115㎡,浴室、洗衣房65㎡,门厅及库房等约340㎡。
此宾馆的围护结构较好、保暖性能良好;宾馆屋面为平顶,主体朝向为正南方向,采光条件良好,适宜于安装太阳能集热器,宾馆屋顶可利用的面积约为750㎡左右(另有东、西两边标高不同的面积约100㎡);原建筑有单独的水箱间,面积约为60㎡,可以放置太阳能储热水箱及其他设备。

 

 本项目概况及主要技术参数归纳如下:


 

 

 


2系统设计

 

2.1 设计原则
        


本系统考虑到采暖的季节性,因而确定的设计原则是:在采暖期,太阳能供热采暖系统主要用于为宾馆房间的采暖,也可兼用于淋浴;在非采暖期,太阳能供热采暖系统用于为宾馆提供淋浴用热水及供应大量的生产和生活用热水,让太阳能系统在非采暖期也能作出其应有的贡献,做到全年综合利用,从而使整个系统产生更大的经济效益。

 

2.2 设计参数

根据甲方提出的要求,按保证宾馆总采暖面积(1,350㎡)的2/3来设计太阳能采暖需求(跟宾馆的入住率有关),故实际需要的采暖面积约为900㎡。
年平均日太阳辐照量:21MJ/㎡•d(天气晴好时的西藏双湖地区);
冬季室外平均气温:-25℃左右;
要求的室内温度:16℃~18℃;
采暖系统供水温度:65℃~80℃;
采暖系统回水温度:65℃~50℃;
采暖系统设计温差:15℃左右。

 


2.3 系统组成及运行原理


图1给出了普鲁岗日宾馆太阳能供热采暖系统的流程示意图。该系统由太阳能集热器、储热水箱、淋浴水箱、冷水水箱、集热循环泵、采暖循环泵、散热器、控制柜、管路等组成。

 

 

图1 西藏普鲁岗日太阳能供热采暖系统流程示意图

 


太阳能循环系统采用开式-温差强制循环系统。当太阳能集热器最高点温度与采暖水箱水温的差值高于设定温度△T1,即T1-T2≥△T1(5-10℃),启动太阳能集热循环泵;当T1-T2≤△T2(1-4℃)时,停止太阳能集热循环泵,即温差强制循环。
 


采暖循环系统既可自动启动,也可人工控制。当需要采暖时,开启采暖循环泵,将储热水箱的热量通过管路和散热器送到房间中,以提高房间温度,达到提高和保证室温的目的。
 


采暖系统的控制是利用在分水器、集水器上安装的控制阀分四个系统控制,选用电磁阀电动启动,按需要分系统进行供给,并依靠开启分水器上的阀门来分配供暖区间。
 


本系统在设计时充分考虑了系统的防冻措施,除了对整个系统设备和管路进行严格的保温外,还对整个系统进行低温防冻控制。在系统设计时,加装了防冻自动循环系统:当环境温度低于5℃时,自动启动防冻循环系统,防止设备和管路不被冻结,以保证太阳能供热采暖系统的正常运行。

 


2.4 系统设计计算

2.4.1 采暖热负荷计算


常规建筑物单位热指标选择参照表

 

 


参照《采暖通风与空气调节设计规范》,该采暖系统建筑物为宾馆,因此供暖面积热指标qF取50 W/㎡,室内设计温度为18℃,采暖期天数162天,采暖面积F为900㎡。则日平均采暖热负荷QH为:
QH=qF×F=50×900=45KW
2.4.2 太阳能集热器面积确定
直接系统需要集热面积
 
Ac——直接加热太阳能系统集热面积,㎡;
QH——建筑物耗热量,W;
f——太阳能保证率,根据当地辐照情况,按照相关资料推荐确定;西藏地区太阳能采暖保证率推荐值0.60,本方案按0.6设计。
 JT——当地集热器采光面上日平均太阳辐照量,kJ/㎡;取19.843 MJ/㎡
ηcd——集热器年平均集热效率,根据集热器测试结果确定;
 ηL——贮水箱及管路热损失率,根据经验值确定,取0.2;
按以上计算过程,同时考虑管道内热媒体积与散热,计算得出采暖系统需集热面积233㎡,由于西藏属于高寒地区及屋面安装情况,采暖集热器面积按采暖面积的0.39倍选择为352㎡。

 

2.4.3 采暖储热水箱容积的确定
储热水箱容积的确定与太阳能集热系统的保证率与夜间是否采暖相关。白天太阳能集热器得到的能量为建筑提供采暖后仍有部分剩余,所以要储存水箱中供夜间使用。此时太阳能储热水箱的容积可按下式计算:   


式中:q——当地冬季单位面积太阳辐照量,取19MJ/㎡;
 η——集热系统热效率,取63.1%
 AC——太阳能系统的轮廓集热面积 ,㎡,见表1;
 P——建筑物采暖热负荷,W,45000W;
 V——储热水箱有效容积,m³;
 CP——水的定压比热,Cp=4.1868K J/(Kg•℃);
 ρ——水的密度,1000kg/m³;
 tend——储热水箱内上限水温 ( 最大取值要低于本地水的沸点10℃) ,85℃;
 tst——水箱初始温度,30℃。
按照公式计算得出不同采暖面积热负荷需要的太阳能储热水箱有效容积8吨。

 


2.5  设备选型
2.5.1 集热元件

考虑到西藏地区冬季寒冷的气候特点及系统和客户要求,该系统选用选用热管式真空管集热器作为集热元件。热管式真空管集热器具有耐冰冻、效率高、承压大、启动快、保温好、耐冷热冲击、运行安全可靠、易于安装维修等诸多优点,非常适合于高寒地区使用。
如图2所示,热管式真空集热管是金属吸热体真空集热管的一种,它由热管(蒸发段1和冷凝段5)、金属封盖2、玻璃管3、金属吸热板4、弹簧支架6、消气剂(蒸散型7和非蒸散型8)等构成。

 


图2 热管式真空集热管结构示意图

 


1—热管冷凝段,2—金属封盖,3—玻璃管,4—金属吸热板,5—热管蒸发段
6—弹簧支架,7—蒸散型消气剂,8—非蒸散型消气剂
采用的热管式真空集热管的玻璃管直径为100 mm,长度为2,000mm。


根据屋面的具体情况,系统设计安装220组SEIDO 1-8型集热器作为热源,每组集热器8支真空管,共计1,760支真空管,总采光面积为352㎡,安装需要的占地面积约为800㎡。
 

太阳能集热器阵列由三排组成,如图3所示。集热器组朝正南向安装,倾角为50º。

 



图3西藏普鲁岗日宾馆太阳能集热器阵列

 

2.5.2 水箱的设计及布置
 

在本太阳能供热采暖系统中,根据需要设计有8m³储热水箱和30m³淋浴及生活用热水箱(为非采暖期使用而设计)。



在采暖期,由储热水箱向建筑物直接提供采暖用热水;在非采暖期,由储热水箱提供的热水经过换热器,加热淋浴及生活用热水箱。
 



按照设计,设有专门的水箱间,太阳能储热水箱设置在水箱间内,以保证宾馆的承重和水箱的保温。由于水箱间空间有限,因而淋浴及生活用热水箱不能放置在水箱间内,只能在楼顶选择水箱间西边的地方,根据图纸专门制做了承重基础,以合理布置为非采暖期使用的淋浴及生活用热水箱。

 

2.5.3  设备间的选择
 


本系统除了太阳能集热器、水箱等主要设备外,还配套有控制系统、循环泵、分水器、集水器、除垢器等辅助设备,以保证系统的正常工作,因此需要有设备间来布置安装这些辅助设备,其大约需要10㎡的面积,这样就决定利用原有的水箱间来做为设备间。

 

2.5.4 循环泵的选择
 

本系统选用丹麦进口的格兰富热水循环泵作为循环动力。根据实际情况分为两组布置,共计安装四台循环泵(每组一备一用)。所选用的循环泵型号分别为UPS32-80和CH8-40,需要的电功率负荷总共约为1.5kW左右,其电源为220V即可。所选用的格兰富热水循环泵具有体积小、无噪音、能耗低、外形美观、经久耐用等特点。

 

2.5.5 散热器的选择和布置
 



该宾馆是一座既有建筑,为了减少装修费用,确定采用散热器作为采暖系统的末端(尽管地板辐射采暖具有更多优点)。根据当地实际情况,选用安装四柱813型铸铁散热器。如上所述,宾馆共有1,350㎡采暖面积,后来根据实际需求,选择部分房间安装了散热器,如:客房、办公室、餐厅、氧吧、厨房等。最后按照图纸计算,总共安装铸铁散热器1,400片左右。

 

2.5.6 软化水装置的使用
 


根据当地水质的情况,本系统配备了软化水装置。采用归粒晶来软化水质,确保所有设备和管路不结垢,以保护整个系统长期而稳定正常运行。

 

 

3 系统运行结果及实景图



本系统在采暖期主要用于为建筑房间提供采暖(可兼用于淋浴),供水温度为65℃~80℃,回水温度为50℃~65℃,供回水温差为15℃左右。在非采暖期用于为宾馆提供淋浴用热水,生活用热水箱采用最高温度限制,限制温度为85℃,以保证整个系统的正常运行和使用寿命。几年来,系统一直运行良好。

 



图4 西藏普鲁岗日宾馆太阳能供热采暖系统实景

 

4 结语

 

西藏普鲁岗日宾馆建成的太阳能供热采暖系统,涉及到系统设计和系统运行的各个方面,取得了丰富的实践经验,为今后进一步设计各类太阳能供热采暖系统,并为在我国严寒和寒冷地区推动绿色建筑的建立,提供了较为坚实的技术基础。

 

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