高海拔地区太阳能供暖系统应用分析

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高海拔地区太阳能供暖系统应用分析

赵才军

四川成都 610000 成都荣业达供热技术有限公司

摘要:本文以拉萨市太阳能采暖供热系统为分析对象,结合当地太阳能资源分布情况及气象资料,对太阳能供暖系统的设计进行具体分析,包括系统构成、主要使用的设备、系统运行原理等多个方面,以供类似地区太阳能供暖系统设计参考。

关键词:高海拔地区;太阳能供暖系统;设计与应用

引言

拉萨市位于我国西藏自治区东南部,全年多晴朗天气,降雨稀少。但由于西藏地区冬季时间较长、昼夜温差大等特定,因此冬季供暖问题较为突出。而考虑西藏地区生态环境较脆弱,如果使用常规的供暖方式,势必会加剧该地区生态环境的破坏,因此该地区供暖的主要方向应是清洁供暖。西藏地区具有丰富的太阳能资源,因此太阳能供暖成为主要的供暖方式,这样既能够充分利用当地的可再生资源,又能够保护当地的生态环境。综合考虑拉萨市当地资源特点、气候特征、公用民用建筑的供暖需求,采用了高效的太阳能集热器和太阳能储热水箱的太阳能供暖技术,可有效解决该地的供暖难题。

1 项目概况

拉萨太阳能采暖供热系统工程位于Yousu (29°40′),建筑面积为7000㎡。在项目设计上,其采暖系统为地板采暖,辅助热源为地源热泵,热量要求是18000kW/d。

    1. 太阳能资源分布情况

按照太阳能腐蚀照度差异划分,可将我国大致分成五类地区,具体可见下表1。

表1 我国太阳能资源分布情况

分类

日照时长(h)

年辐射总量(×104/kJ·(㎡·a)-1

这和标准煤(kg)

地区

3200-3300

670-837

225-285

青藏高原等

3000-3200

586-670

200-225

河北北部等

2200-3000

502-586

170-200

山东等

1400-2200

419-502

140-170

长江中下游等

1000-1400

335-419

115-140

四川、贵州

    1. 气象资料

根据GB 50495-2009太阳能供热采暖工程技术规范,需要明确当地气候数据,以拉萨市与北京市进行对比,其气候数据具体可见下表2。

表2 拉萨市与北京市气候数据对比表

城市

纬度

Hha

HLa

Hht

HLt

Ta

Sy

Td

Sd

资源区

北京

39°56′

14.180

16.014

7.889

13.709

12.9

7.5

-2.7

6.0

拉萨

29°40′

19.843

22.022

15.725

25.025

8.2

8.6

-1.7

8.7

2 拉萨太阳能供热采暖系统的设计

2.1 系统构成

拉萨太阳能供热采暖系统主要由太阳能集热系统、蓄热系统、末端供暖采暖系统、自动控制系统和其他能源辅助加热或加热设备集合构成。供暖方式为集中供暖,借助集热器阵列高效吸收太阳能,然后根据太阳能辐照情况自动进行循环泵的调节,保证输出热量稳定,之后经过板式换热器与二次网进行换热,最后经过末端供暖采暖系统将热量送至热用户。拉萨市人口居住相对比较集中,因此采用集中供暖技术可有效降低运维成本,同时还能够保证供暖系统的稳定性。

2.2 主要设备

根据项目工程设计要求,在太阳能设计选型上,主要选用了太阳能集热器和太阳能储热水箱两种供热装置。

其中,太阳能集热器是太阳能供热采暖系统最关键的集热装置,其性能好坏将直接影响供热采暖系统的性能。目前太阳能集热器的类型主要分为真空管、平板式和槽式这三种类型,根据拉萨市气候环境,决定采用热管式真空管太阳能集热器,具体的参数可见下表3。此种产品的特点为:①可在斜顶或平顶上独立安装,每根真空管中内置一个带钛金镀膜的铜吸热器,不仅可以提高太阳辐射的吸收率,而且能减少热辐射的散失;②在集热器上安装一根充满气化液体的热导管,并用一根柔性管将其连接至冷凝器上,冷凝器的位置在双层管热交换器“Duotec”中,也就是所谓的干法连接,如果需要转动或替换管道,则需要将液体注满,并在受压设备中进行;③吸收的热量进入到吸热器并传至热导管中,此时液体被气化,随着气体的升高流进冷凝器中,在冷凝器中热量传至导热介质,气体放热凝结,凝结的液体流回导热管中,如此循环反复;④为了确保蒸发液体能在热换器中进行循环,必须保证倾斜角度最小为25°,从而通过真空管轴向转动补偿与正南方向的偏差;⑤在一个集热去内最多可连接5组集热器,为此采用了柔性的、O型密封圈进行绝热连接管密封。在本项目工程中,采用此种集热器的面积为4.32㎡,集热器组数总共600组,总的集热面积为2592㎡。

表3 热管式真空管太阳能集热器

产品型号

VITOSOL 300-T

集热面积

4.32m2

集热管数量

30支

集热管规格

Φ65×1800mm

集管口径

Φ22

承压能力

6kg/cm2

外型尺寸(长×宽×高)

2031×2127×143mm

重量

76kg

高海拔地区太阳能供暖系统应用分析

图1 太阳能集热器

考虑太阳能具有随机性、间歇性等特点,因此在太阳能供暖系统中常常需要配置储热装置。目前太阳能供暖系统中的储热方式主要有储热水箱、地下水池、土壤埋管等几种,本工程采用的是太阳能储热水箱,水箱图片可参考下图2。使用储热水箱的主要目的是将太阳能的热量储存在水中,同时其作为太阳能系统的热载体,也能够通过太阳能水箱直接提供生活热水。本工程选用的太阳能储热水箱的材质为304不锈钢保温水箱,严格按照食品级内胆选材,水箱的整体结构可在现场进行拼装,具有耐高温、耐腐蚀、保温性强、使用寿命长等优势,且能够安装温度传感器、辅助电加热装置等附属元器件。结合本工程特点,选用了1个容积为200t的储热水箱,总水量为200t。

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图2 一体式水箱

2.3 系统运行原理

本系统主要有太阳能集热部分、热水储存部分和辅助加热部分这三个部分组成。其中太阳能集热部分主要为承压部分,包括热管式真空管集热器、集热循环泵、安全阀、压力表、膨胀水箱等组件。此部分为承压运行状态,集热器可起到抗冲击、防冻、防炸、防过热的作用,并采用温差循环控制集热循环泵的方式进行系统启停。集热部分可将吸收的太阳能热量传至储热水箱中。热水储存部分主要为非承压式系统,主要由储热水箱、水箱安全组件等构成。水箱下部的板式换热器主要作用是将太阳能集热器吸收的热量传递至生活热水,而安装在水箱另一侧的板式换热器,可以使用锅炉加热,且能够根据实际需求进行热水再加热。由于储热水箱是按照食品级不锈钢焊接而成,所以比较卫生,加之水箱外部有一层高密度聚氨酯泡沫,具有保温作用,所以可以在室外放置。辅助加热部分则为太阳能系统的辅助加系统,使用锅炉辅助加热,如果系统提供的热水温度无法满足用户的需求,则系统可以自动启动辅助加热锅炉,以此对热水进行辅助加热,从而满足供应末端热用户的温度要求;反之,如果系统提供的热水稳定能够满足用户的需求,则不启动辅助加热锅炉。

该系统运行原理图可见下图3,其采用的温差循环,当集热器吸收太阳能辐照升温,温度大于水箱水温T1摄氏度时,系统自动启动集热循环水泵P1和换热水泵P2,然后通过板式换热器对储热水箱中的热水进行循环加热;若集热器温度小于水箱温度T2摄氏度时,则集热循环泵P1和换热循环泵P2停止工作;若储热水箱温度低于设定温度T3时,系统自动开启辅助锅炉加热,以此对热水进行辅助加热,直到满足需求温度为止。依次往复运行,形成强制循环的过程。另外,如果水箱水位不能达到设计的高度时,将自动将水电磁阀打开,系统自动补水,采用的是增压泵的方式为系统供水,并设置了管路循环功能。

3 结论

(1)本工程选用与当地气候及建筑相应的产品,即热管式真空管太能集热器,该产品制作工艺精良、性能卓越、外型美观,且集多项专利技术于一身,因此在拉萨太阳能供热采暖系统中运用,能够具有良好的供暖效果,并且能够保证热水系统稳定运行。

(2)在采用太阳能供暖技术时,通过科学合理的设计,能够实现太阳能与建筑完美结合,目前该产品多用于拉萨市宾馆、学校、医院、浴池、游泳馆等公共建筑集中热水工程中,且维护管理方便,可实现自动运行,有效满足拉萨市对清洁能供暖的需求。

参考文献:

[1]范蕊,李玥,董琇.西部高海拔地区空气式蓄能型太阳能采暖系统特性分析[J].建筑科学,2018,34(12):121-129+164.

[2]登真泽仁.高海拔地区铁路站房供暖形式分析[J].城市建设理论研究(电子版),2018(27):181.

[3]崔玉,高理福.太阳能热泵在西部高海拔地区应用的试验研究[J].建筑热能通风空调,2018,37(07):15-17+20.

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