太阳能与燃气复合热水采暖工程应用分析

肖莉贞 沈再龙 金巨艳 陈荣荣 刘 莹

（安徽理工大学土木建筑学院，安徽 淮南 232001）

0 引言

随着经济的快速增长，大量化石能源的使用带来了严峻的能源和环境危机。我国建筑能耗占社会总能耗的30%左右，其中采暖、空调能耗约占65%，而且还有增加的趋势。我国太阳能资源丰富，全国地表年接收的太阳总辐射能可达5×10kJ。国内在利用太阳能供暖方面进行了很多研究。程仲华对太阳能直供毛细管辐射供暖系统的可行性进行了研究，得到了太阳能集热面积与供暖面积之比。冯国会在沈阳建筑大学建立了以毛细管网为散热末端的太阳能热水采暖系统，为沈阳地区使用太阳能毛细管采暖提供了依据。赵薇将低品位太阳能直接应用于建筑供暖，证实太阳能热利用的经济性。王跃对太阳能直供毛细管末端辐射供暖系统做了研究，为天津地区低能耗建筑应用该系统的可行性提供了参考。陈戈在上海交通大学太阳能实验室进行了太阳能地板辐射采暖系统的实验与数值模拟分析。徐斌斌在四川阿坝地区应用太阳能毛细管末端采暖技术，与电采暖相比节能率在90%以上。因此，开发太阳能采暖技术成为暖通行业的新课题。

1 工程概况

安徽理工大学新校区深部煤矿采动响应与灾害防控重点实验室，地处安徽省中部偏北地区，位于东经116°，北纬32°，属于夏热冬冷地带，太阳能资源分布属于三类地区，具有利用太阳能的良好条件。建筑总面积24620 m，地上5层，地下1层，建筑总高度为 22.8 m，主要功能包括实验室行政办公区、科学研究区和活动交流区等场所。

2 系统设计

2.1 系统参数

根据业主要求，冬季办公室区域增设采暖系统，并且屋顶设太阳能集热板，太阳能热媒首先对采暖回水进行初步加热，然后由燃气真空热水锅炉补充的加热方式。燃气系统主要用低压燃气真空锅炉用气，燃气用量56 Nm/h，锅炉热效率大于90%。冬季采暖室外干球温度为 -1.7℃，最冷月平均相对湿度为71%，冬季室外平均风速2.4 m/s，办公室、会议室和测试大厅冬季采暖室内设计温度分别为20℃，18℃和18℃，供热时室内风速不大于0.2 m/s。实际采暖面积7180 m，采暖负荷为460 kW，单位面积采暖热指标为64 W/m。采暖采用上供下回单管跨越同程系统，系统工作压力0.5 MPa，采暖系统热水供回水温度为75℃/55℃，共设2组立管，其中供水干管布置在顶层梁下，回水干管布置在一层梁下，部分房间采用双管异程式系统，各主要环路回水总管上设静态平衡阀。散热器串联连接，采用同侧或异侧上供下回方式。散热器支立管上下均设有关断闸阀，散热器前设有二通温控阀或三通温控阀调节阀。集中热水采暖的热水循环水泵耗电输热比HER = 0.0047，符合公共建筑节能设计标准要求。

2.2 主要设备

热源由两部分组成，其中燃气真空热水锅炉、热水循环泵、定压装置、软水装置、电子水处理仪、板式换热器等位于地下一层锅炉房内，平板太阳能集热器和热水储水箱位于屋面。主要设备的型号和数量见表1。

表1 系统主要设备参数

2.3 系统应用及工作原理

在南楼和北楼的屋面共安装132组平板型太阳能集热器，集热总面积825 m，朝向正南，倾角为45°。屋面设置缓冲集热水箱600 L，外敷200mm保温层，当系统检测到缓冲集热水箱温度高于热媒循环回水端温度时，两者差值达到设定温度（如10 ℃）时，自动开启采暖换热循环泵，形成缓冲集热水箱与采暖换热设备（位于地下室）之间的循环，热量通过采暖换热设备转移采暖系统；当缓冲集热水箱水温与热媒循环回水端温度差值达到设定下限（如4 ℃）时，停止采暖热水循环泵。当缓冲集热水箱又通过集热器收集热量温度升高后，继续进行采暖换热循环，如此反复将热量传递给采暖系统。低压燃气真空锅炉位于地下室燃气锅炉房，由室外引入一根Φ108×5 mm燃气管道，燃气管道采用无缝钢管，明管敷设，燃气干管上应设关闭阀和快速切断阀，每个支管应设手动关闭阀及两个电磁阀，煤气表房、锅炉房等处均设置燃气报警器，燃气报警器与事故通风系统和燃气紧急切断阀联动，事故通风量按换气次数12次设计。燃气横管坡度为=3‰，支管坡向立管，小口径管坡向大口径管，室内管坡向室外管，立管底部和管道最低处设置排水管和丝堵。室内燃气管应进行严密性试验，试验压力为工作压力的两倍，且不小于6000Pa，并在10 min内压力不下降。燃气锅炉烟道采用成品保温双层不锈钢管（硅酸铝保温），厚度50mm，烟道伸出屋面2m，并在顶部设置防雨帽。该工程对采暖真空锅炉采用自动监测流量、温度等参数计算出热量，自动发出信号，人工手动操作主机起停的控制方式。散热器尽量明装，以发挥最好的散热效果，散热器外表面涂刷非金属涂料，增强散热性能。散热器支管上阀门采用铜闸阀，散热器前设自动温控阀。散热器组对后及整组出厂安装前应作水压试验。试验压力应为工作压力的1.5倍，但不小于0.6 MPa，时间为2min～3min，压力不降且不渗不漏为合格。采暖热水管径大于32mm为焊接，等于或小于32mm为丝接。凡经过非采暖房间的供暖管道、管井、地沟和房间内暗装的供暖管道均作保温，保温采用离心玻璃棉管壳保温材料，导热系数小于0.033W/m·K，保温厚度为50 mm。

该工程热水采暖系统由水处理、定压和多个热量换热节点组成，系统原理图如图1所示。工作原理如下。

图1 复合热水采暖原理图

屋面安装平板太阳能集热器，当太阳光照射到集热器吸热涂层时，通过光热转换将太阳辐射能转换成热能，直接加热屋面热水储水箱里的冷水。在天气晴好，日照充足的情况下，当太阳能集热器上部水温与热水箱水温温差大于6℃时（可调设定），控制系统启动太阳能集热循环泵进行温差循环换热，热水箱水温不断上升；当太阳能集热器上部水温与热水箱水温温差小于3℃时，集热循环泵组自动关闭。如此重复运行，随着太阳集热器的不断工作，储水箱里冷水温度逐渐升高，太阳能集热系统设计水温为78℃。当室外环境温度较低时，集热器下循环管道温度小于5℃（可调设定），控制器启动太阳能集热循环泵，进行防冻循环，热量来自储热水箱。当集热器下循环管道温度大于8℃时，水泵关闭，防冻循环停止。

以太阳能热水为热媒，通过板式换热器PHX-1对采暖系统回水进行初步预热。板式换热器是由一系列具有一定波纹形状的金属片叠装而成的一种新型高效换热器。该工程采用的板式换热器属于水-水换热器，一次热水和二次热水之间通过间壁换热，传热系数较高，换热效率高达90%以上。同等换热量的情况下，板式换热器比其他类型换热器的换热面积小得多，在安装时大大减少占地面积。太阳能热水通过板式换热器中的矩形通道时，在板片间将热量传递给采暖系统的回水，使采暖回水的温度得到提升。太阳能热媒供回水温度为78℃/68℃，采暖回水通过板式换热器前后的温度分别为55℃和60℃。

燃气真空热水锅炉的设置是为了提供稳定的采暖供水温度。如遇雨雪天气，太阳能集热能量不足，热媒温度达不到78℃时，采暖回水不经过板式换热器进行预热，经板式换热器的旁通管进入燃气真空热水锅炉B-1，此时采暖系统的热量全部由燃气真空热水锅炉承担。当阳光充足时，太阳能热媒供水温度超过78℃时，采暖系统的热量由太阳能集热器和燃气真空热水锅炉共同承担。在燃气真空热水锅炉的出水管路上设置铠装式温度传感器，实时监测供水温度，当供水温度低于75℃时，通过控制系统自动加大燃气阀的开度，增强燃烧。在燃气真空热水锅炉的出水管路上设置超温报警和连锁保护装置，当燃气真空热水锅炉供水温度超过设定值时，通过控制系统自动减小燃气阀的开度，减弱燃烧。当供水温度达到设定值的上限时，发出超温报警信号，并自动中断燃气供应。基于燃气真空热水锅炉是一种特殊的压力设备，在设备上还装有超压、水位、检漏和防熄火等保护装置，保障锅炉安全运行。

采暖系统的采用真空排气定压补水机组定压，首先自来水进入全自动软水器SW-1处理，达到采暖系统要求的水质指标后进入软水箱T-1，再经真空排气定压补水机组EXP-1接至采暖热水泵入口前的总回水管路。该系统采用连续补水定压的形式，在定压点处设置压力传感器，当定压点压力增加时，减少定压补水机组上压力调节阀的开度，减少补水量，使系统压力降低到设定水平，当定压点压力减少时，加大定压补水机组上压力调节阀的开度，增加补水量，使系统压力回升到设定水平。

在非采暖期和运行期间，热水管路中不仅会滋生菌类和藻类，还能产生污垢和悬浮物。系统在采暖热水泵HP-1处安装微晶旁流水处理仪WTU-1，微晶旁流水处理仪进水口与水泵出水管相连接，出水口与水泵的进水管相连接。微晶旁流水处理仪采用叠加脉冲的低压电场原理进行杀菌、灭藻、除垢和除悬浮物。

3 节能减排分析

根据淮南市气象统计资料，冬季日照率35%，冬季日平均温度≤5℃的时间段为上年的12月7日至次年的2月27日。采暖周期为83 d，集热器采光面上年平均日太阳辐照量为1.35×10kJ/m·d。经计算可得，太阳能平板集热器在采暖季提供的总热量为428 GJ。将平板集热器提供的总热量分别以燃气、电、柴油和标准煤替代，进行太阳能预热系统的节能减排分析，见表2。

由表2可知，太阳能供热量如果由电能来承担，每年可节省费用达到72 780元，太阳能供热量如果折合为标准煤来承担，每年可减少排放 SO439.2kg、CO47.95t、NO128.1kg。结果表明，将太阳能用于建筑供暖具有良好的经济和环保性能。

表2 太阳能供热量由不同燃料锅炉替代的经济效益对比

4 结语

太阳能具有普遍、无害、巨大、无偿等优点。天然气虽然属于化石能源，但是一种洁净环保的优质能源，是国家能源政策推广和普及的能源，其燃烧产物中SO和粉尘的含量几乎为零，并有助于减少酸雨形成，舒缓地球温室效应，所以能从根本上改善环境质量。该文讨论了太阳能与燃气相结合的一种用于供暖的复合能源结构，介绍了该复合能源在实际供暖工程中的应用，阐述了系统的工作原理，通过对系统的节能减排分析，可知将太阳能用于建筑供暖，对改善供热能源结构和达成“双碳”目标具有重要意义。