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太阳能集热系统在工业用高温水一次加热中的应用技术方案
(四季沐歌太阳能合作开发项目)



一、项目背景
      随着我国能源紧缺和《可再生能源法》的颁布和实施,太阳能作为可再生能源,越来越受到人们的重视,太阳能集热应用已经十分广泛。但是,集热应用的范围基本上仅限于太阳能提供生活热水,对工业用的高温水应用很少。
     为了响应国家号召,许多企事业单位进行节能改造技术升级,对原来采用锅炉加热工业用水的企业不仅消耗大量常规能源,而且运行费用高昂。为了解决上述问题,许多单位采用节能环保新型设备加热工业用水,本项目则采用太阳能设备来解决,太阳能是一种环保、无污染、可再生的洁净能源,充分利用太阳能将可节省运行费用。





本方案以常州印染有限公司工业用水太阳能加热系统为例,浅谈设计思路与理念。该公司现有的印染设备日需求90℃和120℃热水5600吨(退煮漂联合机、丝光机、水洗机、轧染机:水温90℃;染缸:水温120℃)。现该厂消耗蒸汽年均每日900多吨,由于能源消耗巨大耗能严重,同时工业废水没有经过余热回收利用,也造成不小的浪费。为响应国家、省、市、县各级政府的节能减排号召,将节能减排付诸实际行动;也为了节省企业的能源费用,从而取得更大的经济效益。本系统设计采用太阳能光热(太阳能热水系统)和余热回收提供该厂主要的工业用水加热需求。

二、项目实施要点

 1.1、本项目实施地理气象资料
    纬度30º14’,经度120º10’,高度41。7m
全年各月平均室外气温、水平面/当地纬度斜面上的月平均日太阳辐照量(MJ/㎡·d)
  1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
气温 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
纬度斜面 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、设计依据:
  1、GB/T18713-2002《太阳热水系统设计、安装及工程验收技术规范》
  2、GB 50364-2005《民用建筑太阳热水系统应用技术规范》
  3、GB50015-2003《建筑给水排水设计规范》
  4、GB/T17581-1998《真空管太阳集热器》
  5、GB/T6424-1997《太阳能集热器技术条件》
  6、GB4301-84《太阳能集热器热性能试验方法》
  7、GB/T12936《太阳能热利用术语》

2、项目实施方案
  2、1总体概括
      本项目设计采用50000㎡的太阳能热水系统和余热回收系统结合使用,晴好天气(日辐照量17MJ/㎡时)满足日提供60℃热水5000吨,不足部分和阴雨天气由蒸汽系统供给所需热量。
     太阳能集热模块在定型车间、前处理车间、染色车间和印花车间的屋顶钢构架上进行安装铺设。安装时,太阳能适当倾斜,之间留有一定的间距,保持光照、安全和通风。
本太阳能项目:由若干个小单元组成一个系统,再由若干个系统组成一个大的集成系统,最后统一集成控制。


 


 

2、2系统设计原则
      高效先进性:保持系统的高效运转,最大化优先利用太阳能,力求5-10年内该项目保持国内和国际领先。本项目采用国际先进的德国西门子集成控制系统,将太阳能系统和余热系统集成,利用计算机监测和控制。
     安全可靠性:本项目采用高可靠性、技术成熟的太阳能和集成控制设备,结合完善的施工和保护措施来提高太阳能系统的整体安全性和供水可靠性;
     和谐美观性:结合现有建筑安装,充分考虑原建筑设计,保持建筑的原有风格和美学观感;
     公共展示性:本项目充分显示各级政府对节能减排的重视和决心,体现对可再生能源的重视,因此本项目重点考虑了能源循环利用的展示性,本项目建成后将成为目前最大的太阳能工业用水项目,将起到良好的展示效果,向相关企业、单位、市民直观展示绿色能源的有效、循环利用,宣扬环保理念。


  2.3技术运行阐述
     本项目采用直流式定温加热太阳能系统:太阳能将经过净化的冷水加热到设定的温度(60度左右)后进入储热水箱,再将水箱的热水,泵至用水设备,利用蒸气加热至90℃—120℃。经过设备使用后的污水进入污水处理池,换热器将污水的热量充分利用,再进入水箱。
      本项目既充分的利用了太阳能系统,又充分解决了污水余热再利用的问题,减少原污水直接排放对地表温度的危害,降低了对大地热能的排放,保护了地表的原生态,真正体现了节能环保。

  2。4系统控制方式
    A、太阳能自动补水:太阳能温度达到设定值时,冷水电动阀自动打开补水;直至太阳能末端温度点低于设定值;
    B、太阳能定温加热:太阳能温度达到设定值时,热水保存在储热水箱内;
    C、辅助热源:水箱热水经过水泵泵至设备水池内,温度不足时,蒸气自动加热至设备所需温度;
    D、余热回收利用:余热设备将余热回收至储热保温水箱;
E、系统内部局域监控:可利用电脑监控。


2。5系统其他技术措施
   防雷:系统按照三类民建防雷、漏电设计,系统与建筑接地网接地;
   防震:系统与建筑之间连接可靠,按抗风10级标准设计施工,防震防裂90;
   防火:系统设备、配件均采用不燃和阻燃材料,电器部分按照国家规范设计、施工,系统场地预留消防通道;
   气密安全:太阳能按照国家标准生产、检验,保证出厂产品完全达到国家标准要求的气密性条件;热水系统管路和设备在连接时完全按照国家标准规范进行施工,保证系统的气密性和水密性要求;
   防漏电:系统电器部分具备防漏电保护功能,电器部分可靠接地;
   防腐:系统防腐性能保证使用达到15年以上的仿佛要求;
   防漏水:系统在安装时,太阳能炸管漏水有可靠的预防措施,同时屋面也做屋面防水处理;
   防水质污染:本系统设备、管道等材料均采用符合国家标准的材质,水质污染可能性为零;

  2。6本项目工艺流程
     本项目采用直流式定温加热太阳能系统:经过若干个系统和单元(一栋建筑5个单元组成一个系统,13栋建筑共计13套太阳能热水系统)组成的太阳能系统将冷水加热到设定的温度(60度左右)后进入保温储热水箱,再将水箱的热水,泵至用水设备,再利用蒸气加热至90℃——120℃。经过设备使用的污水进入污水处理池,换热器将污水的热量经过换热后充分利用,再进入水箱。
  2.7关键设备选型
   2.7.1太阳能集热模块选择
      本项目采用具有领先水平的四季沐歌品牌太阳能集热设备。选用高性能全玻璃真空管太阳能集热器,密集式排列,吸热快,效率高。
   A、真空管:采用国际具有领先水平的高效全玻璃真空集热管,系能参数,见下表:
项目名称 性能参数 备注
长度(mm) 1500 符合国标
罩玻璃长度(mm) 47 符合国标
壁厚(mm) 1.5/1.6 优于国标
膨胀系数 3.3×10-6 优于国标
罩玻璃的透射率 ≥0。95 优于国标
吸收体 溅射渐变铝-氮/铝 优于国标
太阳吸收比 ≥0.96 优于国标
发射比 ≤0.05 优于国标
真空度 ≤5×10-2Pa 优于国标
空晒度 ≥250℃ 优于国标
平均热损系数 ≤0.52W/㎡℃ 优于国标
抗冰雹能力 直径25mm冰雹冲击不破损 优于国标
耐压能力 ≥0。6——0。8MPa 优于国标

 


 



B、太阳能集热器内胆:0。8mm厚度304/2B食品级不锈钢,不影响水质;全自动高频氩弧焊接,质量可靠,寿命长,可达12年-15年以上;
   C、太阳能集热器保温:采用进口高压发泡设备,无氟聚氨酯整体发泡保温,发泡均匀,闭孔率超过98%,保温性能良好;
   D、联箱外胆:采用优质不锈钢材质,耐腐蚀,寿命长;
   E、集热器边框支架:采用0.6mm全钢方管,机械性能好,抗弯曲,耐腐蚀;
   2.7.2.太阳能集热器性能规格参数
 
项目名称 指标 国家标准 备注
型号 47(mm)×1500(mm) 符合国标
真空管支数 60 符合国标
集热器接口 DN25 优于国标
保温材料 熟化聚氨酯 优于国标
承受压力 0。6kg/㎡ 0。5kg/㎡ 优于国标
占地尺寸 2000(mm)×3300(mm) 优于国标


箱参数:
内胆材质 0.8mm厚度304/2B食品级不锈钢 优于国标
外皮材质 采用优质不锈钢材质,耐腐蚀,寿命长 优于国标
保温材料 采用进口高压发泡设备,无氟聚氨酯整体发泡保温,发泡均匀,闭孔率超过98%,保温性能良好 优于国标
   2.7.3.工业余热回收设备
     本项目采用全球具有领先换热技术的美国舒瑞普工业余热回收设备4套,日换热污水处理5000吨。
   2.7.4.本项目工业控制系统
     本项目采用全球工业控制系统知名品牌德国西门子工业控制系统,系统运行稳定,稳定性强,功能强大高效。
     本项目共设13套PLC工业控制设备(13套PLC工业控制设备对由若干单元组成的系统A、B、C、D等进行控制)。1套计算机自动监控设备实现13套太阳能系统进行整合,实现对13套太阳能系统整体监测和控制;





2.7.5.工业水泵
     采用80%材质能够再利用的国际名牌丹麦格兰富工业水泵,该泵噪音低,性能稳定可靠,使用寿命长。
   2。7。6。工业用电动阀
     选用德国J+J工业用电动阀,该电动阀动作灵敏准确,性能稳定可靠。
   2.7.7.保温储热水池
     本项目保温水池的整体容积5000吨。
3、项目配套工程
3。1供水:利用厂内市政管网供水管道,不足时申请市政管道。
3。2供电:利用厂内电力,不足时申请市内电力;
3.3供气:仍采用热电余热蒸汽作为二次加热。
3.4土建:屋顶改造,屋面防水处理、反光材料处理;污水池建造、过滤池建造、半地下保温储水池改造等。


三、项目效益分析
  一)有关节能计算公式及参数
1、测算公式
Q = CMΔT /η
式中: Q:热量 千卡
C:水的比热  1千卡/kg·℃
       M: 加热水量  kg
       ΔT: 加热温差 ℃
η:热效率,无量纲;
2、各种能源折标准煤参考系数
能源名称 平均低位发热量 折标准煤系数
原煤 5000千卡/千克 0.7143千克标准煤/千克
洗精煤 6300千卡/千克 0。9000千克标准煤/千克
其他洗煤  
煤泥 2000-3000千卡/千克 0。2857-0。4286千克标准煤/千克
焦炭 6800千卡/千克 0.9714千克标准煤/千克
原油 10000千卡/千克 1.4286千克标准煤/千克
燃料油 10000千卡/千克 1.4286千克标准煤/千克
汽油 10300千卡/千克 1.4714千克标准煤/千克
煤油 10300千卡/千克 1.4714千克标准煤/千克
柴油 10200千卡/千克 1。4671千克标准煤/千克
液化石油气 12000千卡/千克 1.7143千克标准煤/千克
天然气 7700-9310千卡/立方米 1.1-1.3300千克标准煤/立方米
焦炉煤气 4000-4300千卡/立方米 0。5714-0。6143千克标准煤/立方米
其他煤气  
发生煤气 1250千卡/立方米 0.1786千克标准煤/立方米
重油催化裂解煤气 4600千卡/立方米 0.6571千克标准煤/立方米
重油热裂解煤气 8500千卡/立方米 1。2143千克标准煤/立方米
焦炭制气 3900千卡/立方米 0.5571千克标准煤/立方米
压力气化煤气 3600千卡/立方米 0.5143千克标准煤/立方米
水煤气 2500千卡/立方米 0.3571千克标准煤/立方米
炼焦油 8000千卡/千克 1。1429千克标准煤/千克
热力(当量) 0.03412千克标准煤/百万焦耳 


3、基础数据
     该印染公司日用水量:5600吨,用水温度:90℃/120℃,冷水温度:10℃
1吨蒸气热值:1吨蒸气=700KW/小时
按照75%的热效率计算:700KW×860(千卡/KW小时)×75%=451500千卡


  二)项目经济效益分析
     1、每日将5600吨10℃冷水加热到90℃需要蒸气量:
M1= CMΔT /Q蒸汽=1×5600×1000×(90-10)/451500=992.3 吨;
     2、600吨10℃冷水加热到90℃热水需要蒸汽量为:
M2= CMΔT /Q蒸汽=1×600×1000×(90-10)/451500=106.3吨
     3、5600吨60℃热水加热到90℃热水需要蒸汽量为:
M3= CMΔT /Q蒸汽=1×5600×1000×(90-60)/451500=372.1吨
     4、5600吨10冷水加热到90℃热水,在没有太阳时日使用蒸气量为 992.3 吨,有太阳能时日使用蒸气量 478.4吨,每日节约蒸气513.9吨,折合33.2吨标煤。


综上分析:
  1、本系统投资预算约6000万元,蒸汽按160元/吨,日节约费用8.2224万元;
  2、每年按照250天晴好天气计算:年节约费用2055。6万元; 3-4年将可收回投资成本。
  3、本系统可使用10年以上,10年内可节约费用2。0556亿元。
     太阳能系统的使用寿命在10年以上(一般可用10-15年)。由此可见,安装太阳能系统的经济效益非常显著。






 三)项目环境效益分析
      太阳能热水系统使用寿命在10年以上,本项目实施后(按15年寿命计算),可节约标煤约124。5万吨,降低了常规能源的消耗,减少CO2等废气、污染物的排放,达到有效的环保节能效果。该太阳能热水系统无污染、无噪音、无废物废气排放,可以有效降温室气体CO2的排放,有利于缓解全球气候变暖;同时也减少酸雨气体SO2和总悬浮颗粒物的排放量,有益于提高杭州地区的生态环境,环境效益显著;还能较大幅度地减少煤炭或其它化石燃料的消耗。


  四)项目社会效益分析
1)不占用土地资源,与建筑结合为一体的节能项目;
2)减少污染源的产生,增加消费者、企业自身、上下游合作伙伴的信任度;
3)通过良好的集成设计,减少了常规能源带来的资金、污染压力,另一方面,为“节能减排”的理念,展示该公司对环境的重视态度。

     以太阳能作为热源提供生活热水符合资源可持续发展的要求,《建筑给水排水设计规范》GB50015-2003也对此有明确的规定,其中第5。2。2条“集中热水供水系统的热源,宜首先利用工业余热、废热、地热和太阳能。” 第5。2。6条也规定了“局部热水供应系统的热源宜采用太阳能及电能、燃气、蒸汽等” ;同时采用太阳能热水系统符合国家环保政策,利国利民,一次投资,长期受益。太阳能热水系统的节能、环保、安全与社会发展潮流相符合,太阳能热水系统的广泛应用,获得了良好的社会效果

 

 

 

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方案设计施工:上海宝第居安环境工程技术有限公司

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