太陽能集熱系統(tǒng)在工業(yè)用高溫水一次加熱中的應(yīng)用技術(shù)方案
（太陽能合作開發(fā)項目）
一、項目背景
隨著我國能源緊缺和《可再生能源法》的頒布和實施，太陽能作為可再生能源，越來越受到人們的重視，太陽能集熱應(yīng)用已經(jīng)十分廣泛。但是，集熱應(yīng)用的范圍基本上僅限于太陽能提供生活熱水，對工業(yè)用的高溫水應(yīng)用很少。
為了響應(yīng)國家號召，許多企事業(yè)單位進行節(jié)能改造技術(shù)升級，對原來采用鍋爐加熱工業(yè)用水的企業(yè)不僅消耗大量常規(guī)能源，而且運行費用高昂。為了解決上述問題，許多單位采用節(jié)能環(huán)保新型設(shè)備加熱工業(yè)用水，本項目則采用太陽能設(shè)備來解決，太陽能是一種環(huán)保、無污染、可再生的潔凈能源，充分利用太陽能將可節(jié)省運行費用。
本方案以常州印染有限公司工業(yè)用水太陽能加熱系統(tǒng)為例，淺談設(shè)計思路與理念。該公司現(xiàn)有的印染設(shè)備日需求90℃和120℃熱水5600噸（退煮漂聯(lián)合機、絲光機、水洗機、軋染機：水溫90℃；染缸：水溫120℃）。現(xiàn)該廠消耗蒸汽年均每日900多噸，由于能源消耗巨大耗能嚴(yán)重，同時工業(yè)廢水沒有經(jīng)過余熱回收利用，也造成不小的浪費。為響應(yīng)國家、省、市、縣各級政府的節(jié)能減排號召，將節(jié)能減排付諸實際行動；也為了節(jié)省企業(yè)的能源費用，從而取得更大的經(jīng)濟效益。本系統(tǒng)設(shè)計采用太陽能光熱（太陽能熱水系統(tǒng)）和余熱回收提供該廠主要的工業(yè)用水加熱需求。
二、項目實施要點
1.1、本項目實施地理氣象資料
緯度30o14’，經(jīng)度120o10’，高度41.7m
全年各月平均室外氣溫、水平面/當(dāng)?shù)鼐暥刃泵嫔系脑缕骄仗栞椪樟浚∕J/㎡·d）
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
氣溫 4.3 5.6 9.5 15.8 20.7 24.3 28.4 27.9 23.4 18.3 12.4 6.8
水平面 6.813 7.753 9.021 12.542 14.468 13.218 17.405 16.463 12.013 10.276 8.388 7.303
緯度斜面 11.546 14.158 16.448 17.858 18.916 17.929 15.548 15.597 15.714 14.272 11.234 10.408
1.2、設(shè)計依據(jù)：
1、GB/T18713-2002《太陽熱水系統(tǒng)設(shè)計、安裝及工程驗收技術(shù)規(guī)范》
2、GB 50364-2005《民用建筑太陽熱水系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》
3、GB50015-2003《建筑給水排水設(shè)計規(guī)范》
4、GB/T17581-1998《真空管太陽集熱器》
5、GB/T6424-1997《太陽能集熱器技術(shù)條件》
6、GB4301-84《太陽能集熱器熱性能試驗方法》
7、GB/T12936《太陽能熱利用術(shù)語》
2、項目實施方案
2、1總體概括
本項目設(shè)計采用50000㎡的太陽能熱水系統(tǒng)和余熱回收系統(tǒng)結(jié)合使用，晴好天氣（日輻照量17MJ/㎡時）滿足日提供60℃熱水5000噸，不足部分和陰雨天氣由蒸汽系統(tǒng)供給所需熱量。
太陽能集熱模塊在定型車間、前處理車間、染色車間和印花車間的屋頂鋼構(gòu)架上進行安裝鋪設(shè)。安裝時，太陽能適當(dāng)傾斜，之間留有一定的間距，保持光照、安全和通風(fēng)。
本太陽能項目：由若干個小單元組成一個系統(tǒng)，再由若干個系統(tǒng)組成一個大的集成系統(tǒng)，最后統(tǒng)一集成控制。
2、2系統(tǒng)設(shè)計原則
高效先進性：保持系統(tǒng)的高效運轉(zhuǎn)，最大化優(yōu)先利用太陽能，力求5-10年內(nèi)該項目保持國內(nèi)和國際領(lǐng)先。本項目采用國際先進的德國西門子集成控制系統(tǒng)，將太陽能系統(tǒng)和余熱系統(tǒng)集成，利用計算機監(jiān)測和控制。
安全可靠性：本項目采用高可靠性、技術(shù)成熟的太陽能和集成控制設(shè)備，結(jié)合完善的施工和保護措施來提高太陽能系統(tǒng)的整體安全性和供水可靠性；
和諧美觀性：結(jié)合現(xiàn)有建筑安裝，充分考慮原建筑設(shè)計，保持建筑的原有風(fēng)格和美學(xué)觀感；
公共展示性：本項目充分顯示各級政府對節(jié)能減排的重視和決心，體現(xiàn)對可再生能源的重視，因此本項目重點考慮了能源循環(huán)利用的展示性，本項目建成后將成為目前最大的太陽能工業(yè)用水項目，將起到良好的展示效果，向相關(guān)企業(yè)、單位、市民直觀展示綠色能源的有效、循環(huán)利用，宣揚環(huán)保理念。
2.3技術(shù)運行闡述
本項目采用直流式定溫加熱太陽能系統(tǒng)：太陽能將經(jīng)過凈化的冷水加熱到設(shè)定的溫度（60度左右）后進入儲熱水箱，再將水箱的熱水，泵至用水設(shè)備，利用蒸氣加熱至90℃—120℃。經(jīng)過設(shè)備使用后的污水進入污水處理池，換熱器將污水的熱量充分利用，再進入水箱。
本項目既充分的利用了太陽能系統(tǒng)，又充分解決了污水余熱再利用的問題，減少原污水直接排放對地表溫度的危害，降低了對大地?zé)崮艿呐欧牛Ｗo了地表的原生態(tài)，真正體現(xiàn)了節(jié)能環(huán)保。
2.4系統(tǒng)控制方式
A、太陽能自動補水：太陽能溫度達到設(shè)定值時，冷水電動閥自動打開補水；直至太陽能末端溫度點低于設(shè)定值；
B、太陽能定溫加熱：太陽能溫度達到設(shè)定值時，熱水保存在儲熱水箱內(nèi)；
C、輔助熱源：水箱熱水經(jīng)過水泵泵至設(shè)備水池內(nèi)，溫度不足時，蒸氣自動加熱至設(shè)備所需溫度；
D、余熱回收利用：余熱設(shè)備將余熱回收至儲熱保溫水箱；
E、系統(tǒng)內(nèi)部局域監(jiān)控：可利用電腦監(jiān)控。
2.5系統(tǒng)其他技術(shù)措施
防雷：系統(tǒng)按照三類民建防雷、漏電設(shè)計，系統(tǒng)與建筑接地網(wǎng)接地；
防震：系統(tǒng)與建筑之間連接可靠，按抗風(fēng)10級標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計施工，防震防裂90；
防火：系統(tǒng)設(shè)備、配件均采用不燃和阻燃材料，電器部分按照國家規(guī)范設(shè)計、施工，系統(tǒng)場地預(yù)留消防通道；
氣密安全：太陽能按照國家標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)、檢驗，保證出廠產(chǎn)品完全達到國家標(biāo)準(zhǔn)要求的氣密性條件；熱水系統(tǒng)管路和設(shè)備在連接時完全按照國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范進行施工，保證系統(tǒng)的氣密性和水密性要求；
防漏電：系統(tǒng)電器部分具備防漏電保護功能，電器部分可靠接地；
防腐：系統(tǒng)防腐性能保證使用達到15年以上的仿佛要求；
防漏水：系統(tǒng)在安裝時，太陽能炸管漏水有可靠的預(yù)防措施，同時屋面也做屋面防水處理；
防水質(zhì)污染：本系統(tǒng)設(shè)備、管道等材料均采用符合國家標(biāo)準(zhǔn)的材質(zhì)，水質(zhì)污染可能性為零；
2.6本項目工藝流程
本項目采用直流式定溫加熱太陽能系統(tǒng)：經(jīng)過若干個系統(tǒng)和單元（一棟建筑5個單元組成一個系統(tǒng)，13棟建筑共計13套太陽能熱水系統(tǒng)）組成的太陽能系統(tǒng)將冷水加熱到設(shè)定的溫度（60度左右）后進入保溫儲熱水箱，再將水箱的熱水，泵至用水設(shè)備，再利用蒸氣加熱至90℃——120℃。經(jīng)過設(shè)備使用的污水進入污水處理池，換熱器將污水的熱量經(jīng)過換熱后充分利用，再進入水箱。
2.7關(guān)鍵設(shè)備選型
2.7.1太陽能集熱模塊選擇
本項目采用具有領(lǐng)先水平的四季沐歌品牌太陽能集熱設(shè)備。選用高性能全玻璃真空管太陽能集熱器，密集式排列，吸熱快，效率高。
A、真空管：采用國際具有領(lǐng)先水平的高效全玻璃真空集熱管，系能參數(shù)，見下表：
項目名稱 性能參數(shù) 備注
長度（mm） 1500 符合國標(biāo)
罩玻璃長度（mm） 47 符合國標(biāo)
壁厚（mm） 1.5/1.6 優(yōu)于國標(biāo)
膨脹系數(shù) 3.3×10-6 優(yōu)于國標(biāo)
罩玻璃的透射率 ≥0.95 優(yōu)于國標(biāo)
吸收體 濺射漸變鋁-氮/鋁 優(yōu)于國標(biāo)
太陽吸收比 ≥0.96 優(yōu)于國標(biāo)
發(fā)射比 ≤0.05 優(yōu)于國標(biāo)
真空度 ≤5×10-2Pa 優(yōu)于國標(biāo)
空曬度 ≥250℃ 優(yōu)于國標(biāo)
平均熱損系數(shù) ≤0.52W/㎡℃ 優(yōu)于國標(biāo)
抗冰雹能力 直徑25mm冰雹沖擊不破損 優(yōu)于國標(biāo)
耐壓能力 ≥0.6——0.8MPa 優(yōu)于國標(biāo)
B、太陽能集熱器內(nèi)膽：0.8mm厚度304/2B食品級不銹鋼，不影響水質(zhì)；全自動高頻氬弧焊接，質(zhì)量可靠，壽命長，可達12年-15年以上；
C、太陽能集熱器保溫：采用進口高壓發(fā)泡設(shè)備，無氟聚氨酯整體發(fā)泡保溫，發(fā)泡均勻，閉孔率超過98%，保溫性能良好；
D、聯(lián)箱外膽：采用優(yōu)質(zhì)不銹鋼材質(zhì)，耐腐蝕，壽命長；
E、集熱器邊框支架：采用0.6mm全鋼方管，機械性能好，抗彎曲，耐腐蝕；
2.7.2．太陽能集熱器性能規(guī)格參數(shù)
項目名稱 指標(biāo) 國家標(biāo)準(zhǔn) 備注
型號 47（mm）×1500（mm） 符合國標(biāo)
真空管支數(shù) 60 符合國標(biāo)
集熱器接口 DN25 優(yōu)于國標(biāo)
保溫材料 熟化聚氨酯 優(yōu)于國標(biāo)
承受壓力 0.6kg/㎡ 0.5kg/㎡ 優(yōu)于國標(biāo)
占地尺寸 2000（mm）×3300（mm） 優(yōu)于國標(biāo)
聯(lián)箱參數(shù)：
內(nèi)膽材質(zhì) 0.8mm厚度304/2B食品級不銹鋼 優(yōu)于國標(biāo)
外皮材質(zhì) 采用優(yōu)質(zhì)不銹鋼材質(zhì)，耐腐蝕，壽命長 優(yōu)于國標(biāo)
保溫材料 采用進口高壓發(fā)泡設(shè)備，無氟聚氨酯整體發(fā)泡保溫，發(fā)泡均勻，閉孔率超過98%，保溫性能良好 優(yōu)于國標(biāo)
2.7.3.工業(yè)余熱回收設(shè)備
本項目采用全球具有領(lǐng)先換熱技術(shù)的美國舒瑞普工業(yè)余熱回收設(shè)備4套，日換熱污水處理5000噸。
2.7.4.本項目工業(yè)控制系統(tǒng)
本項目采用全球工業(yè)控制系統(tǒng)知名品牌德國西門子工業(yè)控制系統(tǒng)，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，穩(wěn)定性強，功能強大高效。
本項目共設(shè)13套PLC工業(yè)控制設(shè)備（13套PLC工業(yè)控制設(shè)備對由若干單元組成的系統(tǒng)A、B、C、D等進行控制）。1套計算機自動監(jiān)控設(shè)備實現(xiàn)13套太陽能系統(tǒng)進行整合，實現(xiàn)對13套太陽能系統(tǒng)整體監(jiān)測和控制；
2.7.5.工業(yè)水泵
采用80%材質(zhì)能夠再利用的國際名牌丹麥格蘭富工業(yè)水泵，該泵噪音低，性能穩(wěn)定可靠，使用壽命長。
2.7.6.工業(yè)用電動閥
選用德國J+J工業(yè)用電動閥，該電動閥動作靈敏準(zhǔn)確，性能穩(wěn)定可靠。
2.7.7.保溫儲熱水池
本項目保溫水池的整體容積5000噸。
3、項目配套工程
3.1供水：利用廠內(nèi)市政管網(wǎng)供水管道，不足時申請市政管道。
3.2供電：利用廠內(nèi)電力，不足時申請市內(nèi)電力；
3.3供氣：仍采用熱電余熱蒸汽作為二次加熱。
3.4土建：屋頂改造，屋面防水處理、反光材料處理；污水池建造、過濾池建造、半地下保溫儲水池改造等。
三、項目效益分析
一）有關(guān)節(jié)能計算公式及參數(shù)
1、測算公式
Q = CMΔT /η
式中： Q：熱量 千卡
C：水的比熱 1千卡/kg·℃
M： 加熱水量 kg
ΔT: 加熱溫差 ℃
η：熱效率，無量綱；
2、各種能源折標(biāo)準(zhǔn)煤參考系數(shù)
能源名稱 平均低位發(fā)熱量 折標(biāo)準(zhǔn)煤系數(shù)
原煤 5000千卡/千克 0.7143千克標(biāo)準(zhǔn)煤/千克
洗精煤 6300千卡/千克 0.9000千克標(biāo)準(zhǔn)煤/千克
其他洗煤
煤泥 2000-3000千卡/千克 0.2857-0.4286千克標(biāo)準(zhǔn)煤/千克
焦炭 6800千卡/千克 0.9714千克標(biāo)準(zhǔn)煤/千克
原油 10000千卡/千克 1.4286千克標(biāo)準(zhǔn)煤/千克
燃料油 10000千卡/千克 1.4286千克標(biāo)準(zhǔn)煤/千克
汽油 10300千卡/千克 1.4714千克標(biāo)準(zhǔn)煤/千克
煤油 10300千卡/千克 1.4714千克標(biāo)準(zhǔn)煤/千克
柴油 10200千卡/千克 1.4671千克標(biāo)準(zhǔn)煤/千克
液化石油氣 12000千卡/千克 1.7143千克標(biāo)準(zhǔn)煤/千克
天然氣 7700-9310千卡/立方米 1.1-1.3300千克標(biāo)準(zhǔn)煤/立方米
焦?fàn)t煤氣 4000-4300千卡/立方米 0.5714-0.6143千克標(biāo)準(zhǔn)煤/立方米
其他煤氣
發(fā)生煤氣 1250千卡/立方米 0.1786千克標(biāo)準(zhǔn)煤/立方米
重油催化裂解煤氣 4600千卡/立方米 0.6571千克標(biāo)準(zhǔn)煤/立方米
重油熱裂解煤氣 8500千卡/立方米 1.2143千克標(biāo)準(zhǔn)煤/立方米
焦炭制氣 3900千卡/立方米 0.5571千克標(biāo)準(zhǔn)煤/立方米
壓力氣化煤氣 3600千卡/立方米 0.5143千克標(biāo)準(zhǔn)煤/立方米
水煤氣 2500千卡/立方米 0.3571千克標(biāo)準(zhǔn)煤/立方米
煉焦油 8000千卡/千克 1.1429千克標(biāo)準(zhǔn)煤/千克
熱力（當(dāng)量） 0.03412千克標(biāo)準(zhǔn)煤/百萬焦耳
3、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)
該印染公司日用水量：5600噸，用水溫度：90℃/120℃，冷水溫度：10℃
1噸蒸氣熱值：1噸蒸氣=700KW/小時
按照75%的熱效率計算：700KW×860（千卡/KW小時）×75%＝451500千卡
二）項目經(jīng)濟效益分析
1、每日將5600噸10℃冷水加熱到90℃需要蒸氣量：
M1= CMΔT /Q蒸汽=1×5600×1000×（90-10）/451500=992.3 噸；
2、600噸10℃冷水加熱到90℃熱水需要蒸汽量為：
M2= CMΔT /Q蒸汽=1×600×1000×（90-10）/451500=106.3噸
3、5600噸60℃熱水加熱到90℃熱水需要蒸汽量為：
M3= CMΔT /Q蒸汽=1×5600×1000×（90-60）/451500=372.1噸
4、5600噸10冷水加熱到90℃熱水，在沒有太陽時日使用蒸氣量為 992.3 噸，有太陽能時日使用蒸氣量 478.4噸，每日節(jié)約蒸氣513.9噸，折合33.2噸標(biāo)煤。
綜上分析：
1、本系統(tǒng)投資預(yù)算約6000萬元，蒸汽按160元/噸，日節(jié)約費用8.2224萬元；
2、每年按照250天晴好天氣計算：年節(jié)約費用2055.6萬元； 3-4年將可收回投資成本。
3、本系統(tǒng)可使用10年以上，10年內(nèi)可節(jié)約費用2.0556億元。
太陽能系統(tǒng)的使用壽命在10年以上（一般可用10-15年）。由此可見，安裝太陽能系統(tǒng)的經(jīng)濟效益非常顯著。
三）項目環(huán)境效益分析
太陽能熱水系統(tǒng)使用壽命在10年以上，本項目實施后（按15年壽命計算），可節(jié)約標(biāo)煤約124.5萬噸，降低了常規(guī)能源的消耗，減少CO2等廢氣、污染物的排放，達到有效的環(huán)保節(jié)能效果。該太陽能熱水系統(tǒng)無污染、無噪音、無廢物廢氣排放，可以有效降溫室氣體CO2的排放，有利于緩解全球氣候變暖；同時也減少酸雨氣體SO2和總懸浮顆粒物的排放量，有益于提高杭州地區(qū)的生態(tài)環(huán)境，環(huán)境效益顯著；還能較大幅度地減少煤炭或其它化石燃料的消耗。
四）項目社會效益分析
1）不占用土地資源，與建筑結(jié)合為一體的節(jié)能項目；
2）減少污染源的產(chǎn)生，增加消費者、企業(yè)自身、上下游合作伙伴的信任度；
3）通過良好的集成設(shè)計，減少了常規(guī)能源帶來的資金、污染壓力，另一方面，為“節(jié)能減排”的理念，展示該公司對環(huán)境的重視態(tài)度。
以太陽能作為熱源提供生活熱水符合資源可持續(xù)發(fā)展的要求，《建筑給水排水設(shè)計規(guī)范》GB50015-2003也對此有明確的規(guī)定，其中第5.2.2條“集中熱水供水系統(tǒng)的熱源，宜首先利用工業(yè)余熱、廢熱、地?zé)岷吞柲堋！?第5.2.6條也規(guī)定了“局部熱水供應(yīng)系統(tǒng)的熱源宜采用太陽能及電能、燃?xì)狻⒄羝取?；同時采用太陽能熱水系統(tǒng)符合國家環(huán)保政策，利國利民，一次投資，長期受益。太陽能熱水系統(tǒng)的節(jié)能、環(huán)保、安全與社會發(fā)展潮流相符合，太陽能熱水系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，獲得了良好的社會效果
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