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太阳能辅助电热水器

本项目是辽宁省建平县设立的燃油库办公、住宿建筑太阳能采暖全年生活热水的一个技改项目,是投资方中化石油辽宁(朝阳)有限公司利用太阳能为主、电辅助为1106㎡建筑提供采暖所需能耗,并满足26名员工全年洗浴及食堂生活热水项目。

技术改造前,建筑供暖使用燃煤锅炉,员工洗浴及食堂生活热水全部由电热水器提供加热。据该油库负责人介绍:以前,每年供热采暖费用约7万元,员工洗澡、食堂热水耗电费用每年需2万元,全年总费用约9万余元。而采用太阳能采暖、热水技术的改造,不但从根本上消除安全隐患,而且能够实现零排放、还能够为企业创造经济效益,既符合国家的节能减排政策、又为员工创造安全舒适的工作环境。

1项目所在地的自然环境

项目实施地位于辽宁省西部建平县,距建平县城15公里,属辽西山地丘陵区,该地区属北温带大陆季风气候区,处于海洋性季风气候向大陆性气候过渡的区域内。采暖季平均气温-4.2℃,极端最低气温-36.9℃,无霜期120~155天。年均日照时数2850~2950小时,水平面年太阳辐射量每平方米平均在5500MJ左右,达到国家二类地区标准,相当于187kg标准煤低位发热量。

2项目建筑情况及使用方式

2.1 本项目采暖建筑共三栋,分别分布在南北两个院落,设有办公、住宿、食堂、会议室、化验室、值班室、警卫室、淋浴室、活动室及维修车间、库房和设备间等,全部需要全面采暖。

2.2 本项目建筑为砖混结构,其中南院东侧为三层建筑,为A区;建筑面积约445㎡;南院北侧为单层建筑,为B区;建筑面积约483.5㎡;北院为单层建筑,命名为C区。需要供暖的建筑面积约178㎡。总采暖建筑面积约1106.5㎡。

2.3 建筑外墙做了整体外墙保温,门窗为节能门窗,气密性较好,但屋顶没有保温材料,总体节能性一般。

3太阳能集热器设计原则

太阳能集热系统根据应用性质的不同会选择最佳的安装角度,用于冬季供暖的太阳能集热系统,必须考虑系统在冬至能够获得最大太阳辐射量。基于这一设计要求,项目是以采暖为主的太阳集热器,其采光面太阳辐照值接近正南方向太阳入射法线表面的太阳辐射值,在冬季这一数据比水平面数据要高出约1.8倍左右;仅冬季最冷期的12、1、2月三个月纬度倾角平面的平均值就可达到15.15MJ/(m²·d),这是太阳能满足建筑采暖能耗的基础条件。

4供暖节能策略

为了让用户节省开支,提高企业经济效益,项目在保证采暖房间所需温度的前提下,根据房间的不同功能和使用性质,通过分区域、分房间、分时段,对不同功能房间实施不同温度控制措施,达到控制供热量、实现主动性节能的目的。具体策略如下:

4.1A区建筑分为四种控制模式

A区三层建筑地下负二层安装有消防设备和发电设备,两套设备冬季须防冻、但不需要过高的室温即可满足要求,为此,本设计对该层室内温度实施不低于5℃的控制措施。

A区三层建筑的地下负一层为淋浴室、卫生间、员工活动室及储藏室,淋浴间和活动室为随机不定时使用,房间平时温度控制在8℃~10℃即可;当淋浴间使用时,可提前20分钟提高温度即能满足洗浴温度需要,其他房间温度可不作调整。

A区地上一层南侧约90㎡为管理人员办公兼宿舍混合房间,需要一天24小时恒温供暖,房间设计温度为20℃;北二房间为配电室,保持室温8~10℃即可。

此外,整个A区楼梯间不采暖。

4.2 B区建筑分为五种控制模式

男女员工宿舍,上班时段室内温度控制在14~17℃范围,下班时段控制室温18~20℃。办公室及业务室,上班时段室内控制温度18℃,下班时段控制室温不低于12℃。警卫室,24小时控制室温18~20℃。食堂,按三餐制作、就餐时间设定温度时段,制作、就餐时段控制室温15~17℃,其他时段控制室温不低于12℃。会议室,使用时控制室温18℃,其他时间控制室温不低于12℃。

4.3 C区建筑分为两种控制模式:

工作房间,上班时段室内控制温度18℃,下班时段控制室温不低于10℃。

其他房间为不采暖房间,采暖设备间不采暖,但受采暖水箱影响,该房间温度可保持在8℃左右。

5节能控制一览表(如表1所示)

表1 区域设置、房间编号、室温控制及时间数据

6工程施工及系统运行

6.1 工期

整个项目合同施工期25天,从2015年10月9日开始至11月5日交工,因为天气原因,工程延期至11月10日竣工,其中,A区11月2日开始供暖运行,B区11月6日供暖运行,C区10日供暖运行。合同规定:工程结束后,系统无故障连续运行不少于3天可交付业主使用。但自进入11月份以来,当地没有遇到连续的3天晴天,为此,验收交付一直延期到了11月28日。

6.2系统运行

自试运行以来,系统能够正常工作,各项指标均达到或满足设计参数指标,得到用户的肯定,特别是太阳能集热温度和室内温度也达到预期。

7主要技术参数

7.1 太阳能资源测算

对集热系统的安装方位角、倾角均进行了最大集热量的技术处理,故本系统集热面在冬季最冷三个月的平均日均辐照量可达到15.15MJ/(m²·d)。

7.2 建筑能耗测算

本项目建筑虽然外墙做了整体保温,门窗气密性较好,但受单层、屋顶没有保温材料的影响,建筑耗热量仍较高,为此只有通过节能策略和设计方式才能实现节能设计目标。

本项目室内设计温度按表一取值,冬季采暖室外平均温度为-16℃,以节能策略测算的采暖热负荷指标为43.63w/㎡,采暖热负荷47.08kW。室内设计温度按照节能方式取值,采暖季平均环境温度按-4.2℃,测算的耗热量指标为24.6w/㎡,采暖天数取150天,采暖季总能耗(折合电的单位)95533.8kW·h。

7.3系统参数

建筑面积:1106.5㎡;

采暖期:150天;

设计采暖室内温度:有人使用时16~20℃,无人使用时或低温运行温度5~12℃;

采暖期环境平均气温:-4.2℃;

设计的采暖计算环境温度:-16℃,

采暖期以节能方式设计的平均耗热量指标(计算值):24.6w/㎡;

按节能方式计算的采暖设计热负荷指标(计算值):43.63w/㎡;

采暖计算功率:47.08kW;

计算冷水温度(冬季)6℃,其他季节平均温度取10℃;

计算的生活热水温度42℃;

8设计参数及设备选型配置

8.1 设计参数

采暖面积:Ao = 1106.5㎡;

太阳能集热工质平均温度:≥68℃;

供暖供回水温度65/35℃。

8.2 建筑能耗计算(如表2所示)

表2 能耗计算表

8.3设备选型及安装设计

8.3.1 太阳能采暖工程模块选型

表3 集热面积计算表

根据设计要求、建筑能耗和产品性能参数,本设计采用思宇公司设计生产的太阳能采暖集成模块,型号规格分别为:SY-Ⅰ/zz-05/5二十五套,SY-Ⅱ/zz-02/5十套,SY-Ⅱ/zz-04/2八套。真空管为采暖专用全玻璃真空太阳集热管,规格Ф58×1800mm,数量2150支,组合为43组采暖集热工程模块,东西向布局,25°倾角安装。

全玻璃真空太阳集热管的热性能指标:a.外管的透射比≥0.92;b.吸热体的吸收比≥0.94;c.吸热体的发射比≤0.045;d.真空管的热损失系数≤0.45 w/(㎡·℃)。

8.3.2 集热、供暖保温水箱

A区共设置两台集热、排回和供暖共用的保温水箱,总容积6m³。该水箱内置生活热水换热盘管,为淋浴间提供洗浴用热水;

B区设置一台集集热、排回和供暖共用的保温水箱,总容积11.5m³。该水箱内置生活热水换热盘管,供食堂等处使用生活热水。

C区设置一台集集热、排回和供暖共用的保温水箱,总容积5m³

8.3.3 辅助能源系统

为了合理控制供暖水温,在阴雪气象条件下和太阳能集热量不足时满足供暖需求,在各供暖水箱、依据所供采暖负荷分别设置水箱内置电加热棒和电加热炉。

A区的集热供暖水箱内置4根9kW、合计36kW电加热棒备用,可满足地面一层采暖房间和地下负一层采暖房间电系统独立运行采暖;地下二层独立设置功率8kW电加热炉,独立承担负二层建筑供暖。

B区集热、供暖(内置供食堂使用的生活热水盘管)水箱设置5根9kW、合计45kW电加热棒,3用2备。

C区集热、供暖水箱设置3根9kW、合计27kW电加热棒,一用两备。

辅助能源设备系统配置总电加热功率108kW,其中需投入使用功率为54kW,备用功率54kW。电加热功率的配置是依照没有日照且最冷的气象条件下选型设计配置的,并不代表全负荷、全天运行。

8.3.4 供暖末端节能控制设计及辅助电能计量

三个区域采暖末端按照使用方式、房间使用性质,采取分时、分室控制策略。三个区域在供电进户端口分别配置电计量表,时实查阅电辅助耗能情况。

9经济性测算

9.1 运行数据

9.1.1 集热器运行温度及房间供暖水温

当晴天时,集热器回水温度均达到或超过75℃,房间供暖水温不低于65℃,采暖房间均达到或超过设计温度。

9.1.2 气象数据

项目所处区域11月份累计有效晴天9天,其他时间均为阴雪天气,最低气温达到零下19℃。自B区工程结束供暖开始,晴天6天,24天日平均环境温度-4.23℃,已经低于采暖平均环境温度计算值。

9.1.3 太阳能集热量及电辅助量

该地区到11月1日正式进入法定采暖期,系统完工后,受天气制约,累计辅助耗电(包括生活热水)10580kW·h。设计日平均采暖能耗约600kW·h/日,24天总能耗14400kW·h,据此计算出6天太阳能贡献量3820kwh,太阳能集热系统日平均汲取有效太阳辐照量636kW·h/日,达到设计水平。

9.2 经济效益对比表

说明

(1)初投资:燃煤锅炉使用寿命按照6.5年,初期投资10万,第二次投资按6万;

(2)煤量:燃煤锅炉采暖季实物煤耗80t,低位发热量按3500kcal/kg,折合标煤40t。

(3)供热效率:锅炉供热效率=锅炉效率×管道效率=0.55×0.82=45.1%;电锅炉供热效率=电锅炉效率×管道效率=0.95×0.85=80.75%;太阳能电辅助效率=95%,没有管道热损失。

(4)采暖能耗:以燃煤锅炉采暖能耗为基数测算,燃煤锅炉采暖季输出总有用能量146865kW·h;电锅炉方式基本与燃煤锅炉持平;而太阳能采暖方式采取了节能措施,故总能耗只有95533kW·h即可满足冬季供暖需要,是燃煤锅炉的65%。

(5)人工费:燃煤锅炉需要专职锅炉工24小时值班,锅炉工月工资按2000元计算,5个月采暖期10000元工资支付;电锅炉虽然不需要24小时值班,但也需要半专职人员,费用按燃煤锅炉工的50%取值;太阳能不需要专职人员,例行巡视检查即可,故费用取燃煤锅炉工的25%。

(6)动力费:动力费为供暖管道水泵电机耗电费用和锅炉电机耗电费用。燃煤锅炉动力按4.5kw、采暖季平均每天工作18小时取值计算;电锅炉动力按2.5kW、每天平均15小时;太阳能动力按照2kW、每天平均12小时。

(7)采暖季热水费用:三种方式使用的制取生活热水的费用,均按照电热水器方式计算能耗及费用。

(8)非采暖季热水费用:非采暖季燃煤锅炉和电锅炉均按照电热水器的方式计算生活热水能耗及费用;太阳能只支付很少量的循环泵动力电费。更多内容请关注太阳能产业资讯杂志官微获取。

(9)15年效益:与燃煤锅炉对比,电采暖不会产生效益;太阳能15年可产生约65万元效益。

(10)投资回收期:与燃煤锅炉对比,燃煤不能回收投资;电锅炉更做不到;太阳能不足6年即可回收投资。

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