太阳能热水系统.docx

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1、一、研究案例本文以北京市某大学校医院的太阳能热水系统为研究案例，该医院为一栋地上五层的单栋建筑，建筑面积约3000 m2。医院24h开放，工作日早8： 00至晚17： 00为门诊开放时问，其他时段仅开放急诊。正常门诊开放口寸间内，共有约42名医务工作人员在岗，日接待患者约500人。热水用途为职工淋浴及各科室洗手盆用水，设计日用热水量53日耗热量630MJo太阳能热水系统采用单水箱系统，内置电辅热，原理如图1所示。集热系统设置有32块微热管平板式太阳能集热器，有效采光面积59.52 m2。集热系统根据集热器出口温度与水箱温度之差自动控制集热循环启停。集热循环停止时，集热器中的水自动排空至水箱。保

2、温水箱的有效容积为5m3。水箱内安装有3组9kW辅助电加热器，根据水箱温度自动控制启停，用于在太阳能不足时保证生活热水温度。补水为自来水，通过电磁阀自动控制启闭。补水的控制策略有两种：一是根据液位上下限自动补水，二是当水箱温度过高时补水以降低水温，从而提高系统的集热效率。用户侧通过一台定压水泵供水，并设有回水循环管。当用户侧管内温度低于设定值时，回水电磁阀自动开启，将用户侧管道内的低温热水输网水箱进行再加热。系统还设置有一套自动监控系统，实现对太阳能热水系统的白动控制与监测，监测点位如表1所示。系统每隔30s记录一次数据并自动保存。本文对该工程2017年全年的运行数据进行调研。调研周期内，系统

3、集热循环控制温差为10,水箱液位控制范围为0.4lm,水箱温度控制范围为4250C,用户侧网水循环设定温度为39。T7n1TiBm图1太阳能热水系统原理图表1太阳能热水系统监测点位序号符号监测参数传感器类型数量测量范闱精度1彳集热器出口处温度PT1()10100iCi0.15et7一7：一集热循环管路温度PT 10()()I0l()0C-0.153太阳能集热器回水温度PT 1(X)()1()-l()()tC().I5C4太阳能集热相给水温度PT1()Ioooc().15C5补水温度PT 1(X)010100tC().156用户倒回水温度PT 1(X)010l()0C0.15L7贮热水箱各高度水

4、温PT 1(X)0(Kl()0,C0.15C8q用户侧供水温咬PT1O1010(C,0.15rC,9Q补水流量电磁流量传感器1(卜 llmVhH).5%1()集热循环流量电磁流软传感器10Il rnVh0.5%11用户侧供水流量电磁流量传感器1011 !Vh 二 r0.5%12Y水箱液位压力变送器1、 f0-2 in |琉2%二、太阳能热水系统实际能耗调研基于上述案例系统在2017年的全年运行数据，统计计算太阳能热水系统各类输入输出能量,分析系统能耗水平，为节能评价指标的计算和分析提供依据。2.1 计算方法太阳能热水系统的输入热量包括太阳能集热系统得热量Qj与辅助热源加热量:Qf,输出热量包括

5、用户用热量Qy与系统散热量Qs。根据能量守恒定律，系统的总输入热量:等于总输出热量。本文所采用的各项热量计算方法如下：（1）太阳能集热系统得热量QjQj根据太阳能集热器回水温度T3和给水温度T4、集热循环流量Q2计算，如式1所示.Q = CpJ: （22（73-74）丸，二萍式中:C-水的比热容MJ（kg ）； P -水的密度（kg/m3）； ta开始时刻；tb-结束时刻。（2）辅助热源加热量Qf本文近似认为电加热器的耗电量与其加热量相等。因此，时间区间ta至tb间的辅助热源加热量Qf的计算方法如式2所示。Qf=Qfb-Qfa （2）（3）用户用热量Qy首先需要算出对应的热水使用量Vu。本文通

6、过将某一段时间内系统的补水量Q1及水箱液位的减少量求和得出这一段时间内的热水使用量Vu。如式3所示。vu = J： Q dt + Ya - Yby e-2七！赖头族式中：r水箱底面半径（m）,其值为1m。然后，根据Vu计算用户用热量Qy,如式4所示。将Vu与冷热水温差、水的比热容以及热水密度相乘便可得到用热量Quo其中t为用户用热水温度与补水温度T5之差。由于系统内用水末端数量多，位置分散，实际用户用热水温度不便于直接测量和统计。在本文中，用户用热水温度采用用户侧供水温度T12与回水温度T6的平均值进行估算。= CVup（月以一 5）之建髀(4)系统散热量Qs系统的散热几乎遍布于整个系统中，当

7、系统内水温高于环境温度时，管道、管件、水箱无不在向外界散失热量。因此这部分热量难以直接计算。本文通过能量守恒定律，根据另外三项热量计算系统散热量Qs,如式5。Qs=Qj+QfQy (5)2.2 能耗分析基于2017年运行数据和能量平衡关系，算得该系统全年集热系统得热量Qj为109906.3MJ,辅助热源加热量Qf为132316.3MJ,用户用热量Qy为111232.0MJ,系统散热量Qs为130990.6MJ,热水使用量Vu为11032t0各项热量值如图2所示。250000-200000 -150000 100000-50000-辅助热源加热瓶Q/132316.3MJ54 6%集热系统得热量Q

8、1099063MJ45 4%系统散热显Q130990 6MJ54 1%用户用热少电111232.0MJ45.9%愉入热鼠输出热僦_4一士二暖通湿及图2系统各部分热量计算结果.从经济性分析，电费按0.488元/ (kWh)计，可以算得该系统2017年每吨热水的成木约为16元。而将It水用电加热的方式使温度提升30C所需电费约为17元。可见该系统相比于常规能源系统并未体现出明显的经济优势。比较系统各项热量间的关系，该系统2017年全年的辅助热源加热量Qf大于集热系统得热量Qj,占据了输入能量的主导地位。系统散热量Qs大于用户用热量Qy,占系统输出热量的多数。可见，该系统对太阳能的利用水平和系统保温

9、性能都不够理想。而这也就导致了其辅助热源加热量Qf大于用户用热量Qy的现象。三、以集热量为导向的太阳能热水系统节能效果评价与问题在标准中，太阳能保证率f和常规能源替代量Qtr是被用于评价太阳能热水系统节能效果的指标。本节对这两项指标进行简要的介绍，并结合案例工程分析其存在的问题。3.1 现有节能效果评价指标3.1.1 太阳能保证率f太阳能保证率f的定义为：太阳能供热水、采暖或空调系统中由太阳能供给的能量占系统总消耗能量的百分率。其计算式为：f=QjQz X100 (6)式中：f-太阳能保证率(%)； Qj太阳能集热系统得热量(MJ)； Qz-系统能耗(MJ)o标准中规定，太阳能热利用系统的太阳

10、能保证率应符合设计文件的规定，当设计无明确规定时，应符合表2中的规定。表2不同地区太阳能热水系统的太阳能保证率f (%)资源极富区资源丰富区资源较富区黑”葬强/60介50/20标准还将太阳能热利用系统的太阳能保证率分为3级，1级最高，如表3。表3不同地区太阳能热利用系统的太阳能保证率f0)级别划分太阳能资源区划1级2级3级*资源极富区f8080f7070f6()资源丰富区f7070f6060050资源较富区f6060f50资源一般区f25050f4()40f303.1.2 常规能源替代量Qtr常规能源替代量Qtr的计算方法如式7：Qtr=Qnjq t (7)式中：Qtr-太阳能热利用系统的常规

11、能源替代量(kgce)；Qnj-全年太阳能集热系统得热量(MJ)；q-标准煤热值(MJ/kgce),按标准取q=29.307MJ/kgce；单以传统能源为热源时的运行效率。根据能源替代量Qtr的计算方法，其含义可以理解为制备与太阳能热水系统运行期间所采集到的有效得热量同等热量所需消耗的常规能源量。标准中规定：太阳能热利用系统的常规能源替代量应符合项目立项可行性报告等相关文件的规定。3.2 节能效果评价指标实例计算3.2.1 太阳能保证率f利用公式6计算太阳能保证率，得到该系统2017年太阳能保证率f值为45.4%o根据标准附录B中对太阳能资源区划的规定及表2,北京属于资源丰富区(II) ，太阳

12、能热水系统的太阳能保证率应大于等于50%。可见，该系统在2017年运行中的太阳能保证率接近设计值。3.2.2 常规能源替代量Qtr根据式7通过冲算可知，该系统2017年全年的常规能源替代量Qtr为12097.3kgce,即由太阳能集热提供的热量替代了 12097.3kg标准煤的消耗。标准中并未对该指标提供限值或评级划分标准。33问题分析(1)现有指标以系统集热量的考察为主要导向，很难客观地反映系统的节能效果。在本文案例中，太阳能热水系统每吨热水成本约为16元，相比于估算的用电加热制热水理论上每吨17元的成本来说并无明显节能优势。而从现行指标上看，太阳能保证率为45.4%,常规能源替代量Qtr为

13、12097.3kgce,很难判断实际系统是否节能。太阳能保证率f是以集热量为导向的评价指标，仅代表由太阳能提供的热量占系统总能耗的比例。而系统能耗Qz包含了用户用热量Qy与系统散热量Qs。其中，只有用户用热量Qy才是对输入热量的有效利用量。因此，该指标并没有考察输入热量是否得到有效利用，不能客观地反映系统是否节能。常规能源替代量Qtr同样是以集热量为导向的评价指标。观察式7可知其值本质上是对太阳能集热系统得热量Qj的变型，没有考察输入热量是否得到有效利用，并不能客观反映系统的节能效果。(2)现有指标对太阳热水系统性能的考察不够全面,难以体现系统中存在的实际问题。现行评价标准仅通过太阳能保证率f

14、和常规能源替代量Qtr两项指标考察系统节能效果，而这两项指标不涉及辅助热源加热量Qf、用户用热量Qy、系统散热量Qs三项热量，无法全面地反映系统性能，难以体现系统中存在的实际问题。虽然标准中还包括集热系统效率和贮热水箱热损因数Usl两项系统性能评价指标，但前者主要反映集热系统自身的工作性能，不能反映出集热系统的集热能力对整个太阳能热水系统来说是否足够；而后者仅反映水箱的保温性能，不顾及管网，且无法反映散热对整个系统的影响程度。(3)现有指标缺乏横向对比性，很难进行等级评定。常规能源替代量Qtr的量值仅由集热系统得热量Qj决定，在同样的集热效率下，对于规模较大的系统，其集热器面积较大，Qtr值自然较大；对于规模较小的系统，其集热器面积较小，Qtr值自然较小。难以根据其值反映不同系统之间节能效果的优劣，缺乏横向对比性。四、以能耗量为导向的太阳能热水系统节能效果评价方法根据以上分析，太阳能热水系统节能效果评价指标的设计应以实际能耗量为导向，并综合考察系统的能耗水平、太阳能利用水平