平板太阳能热力系统在重庆云阳县规模化技术应用

本文简要介绍深圳市鹏桑普太阳能股份有限公司(以下简称“鹏桑普”)在重庆市云阳县36所中小学实施的太阳能与空气源热泵相结合的热力系统工程,通过对重庆市气候指数、太阳能热力系统设备选型配置、辅助热源选型配置的简要分析,为重庆市其他中小学安装应用太阳能热力系统提供了参考依据。

  0前言

  鹏桑普中标的重庆市云阳县36所中小学太阳能与空气源热泵相结合的热力系统工程近日全部完工(项目编号YYZFCG-G201256)。该项目总投资798万元,投入太阳能集热器5064m2,日总供热水量553m3,满足51345人用水,是平板太阳能热力系统在重庆可再生能源示范县(云阳县)的第一次规模化应用。

  1项目概况

  1.项目名称:云阳县36所中小学太阳能+空气源热泵热水中央工程;

  2.项目地址:云阳县城区、各个乡镇;

  3.学生宿舍楼多为20世纪90年代的建筑,房屋结构多为砖混结构。

  2重庆地区气候情况

  重庆市年平均气温16℃~18℃,长江河谷的巴南、綦江、云阳等地达18.5℃以上,最热月份平均气温26℃~29℃,采用候温法可以明显地划分四季。年日照时数1000h~1400h,日照百分率仅为25%~35%,为全国年日照最少的地区之一,冬、春季日照更少,仅占全年的35%左右;重庆地区水平面年平均辐射量为8.669MJ/(m·d),水平面年总辐射量为3174.724 MJ/(m·d),属于低辐射区,年太阳能保证率≤40%。(数据来源:重庆地区气象资料和《民用建筑太阳能热水系统工程技术手册》)

  3 太阳能设备选型设计说明

  3.1太阳能集热器面积选型设计计算

  根据最高日用水量[kg/(人·d)]、总人数、日总水量(t/d),可根据公式(1)、(2)、(3)、(4)、(5)得出所需集热器面积。太阳能集热器热效率计算参数(计算方法见:民用建筑太阳能热水系统工程技术手册);储水箱内水的终止温度te和水的初始温度tL参考规范选取,分别为55℃和15℃。

  集热器进口温度ti的确定:

  ti=tL/3+te×2/3= 15/3+55×2/3=41.7℃

  平均日太阳能辐射度:

  G=JT/(SY×3600)= 8669×103/(3×3600)=802.7W/m2

  归一化温差:

  T=(ti-ta)/G=(41.7-18.3)/802.7=0.029W/(m2·℃)

  则该工程中太阳能集热器全日集热效率为:

  =0.757-4.21×T=0.757-4.21×0.029=0.635

  式中:

  te—热水温度,℃;

  tL—冷水温度,℃;

  ta—重庆市的年平均气温,℃ :

  JT—平均日太阳辐射量,J;

  SY—年平均日日照小时数,h;

  该项目选用平板太阳能集热器,每块集热器面积2m2,集热器瞬时效率截距为0.757。

  3.2直接加热系统集热面积计算

  太阳能热力系统的规模:是按照温差比较强制自动循环技术的太阳能集热器,并以GB/T18713-2002《太阳热水系统设计、安装及工程验收技术规范》国家标准为依据,确定设计太阳能热力系统的规模。

  直接加热系统集热器面积的计算:        

  式中:

  Ac—直接系统集热器总面积,m2;

  Qw—日均用水量,kg;

  Cw—水的定压比热容,4.1868kJ / ( kg·℃) ;

  tend—贮热水箱内水的设计温度55℃

  ti—水的初始温度,18℃ ;

  f—太阳能保证率,40%;

  JT—正南朝向,倾角为云阳当地纬度的平面上平均日太阳辐照量,11530KJ/(m2·a)(集热器角度30o);

  ηcd—太阳能集热器年平均集热效率63.5%;

  ηL—管路及贮水箱的热损失率;根据所采取的保温方式,取20%。

  若有学生100人,每人每天供热水50L,每天热水使用总量为5000kg,需要安装集热器面积为:

  ,

  =5000×4.1868×(55-18)×0.4/11530×0.635×(1-0.2)

  =52.9m2

  集热器产水量=5000kg/52.9m2=95kg/m2。根据太阳能集热面积的选型设计计算,年平均集热器产热水量为95L/m2;在实际中,考虑冬、春季节,能最大可能的利用太阳能,实际集热器配水量按85L/m2计算。

  4辅助热源设计配置

  系统辅助热源采用空气源热泵。

  4.1空气源热泵制热功率按系统热负荷计算

  系统热负荷:Q=V﹒c(tr-tL) k/3612[kJ/(kW﹒h)]

  式中:

  Q—系统热负荷,kW﹒h;

  V—设计热水量,m3;

  c —水的比热容,.取4.2kJ/(kg﹒℃);

  tr—设计热水温度,℃;

  tL—自来水补水温度,°C;

  k—考虑水系统热的安全系数.取1.05~1.20。

  4.2热泵机组的制热功率确定

  热泵机组的制热功率确定 W=Q/T

  式中:

  W—名义工况下机组制热量,kW;

  Q—系统负荷,kW·h;

  T—名义工况下设计运行时间,h,一般取10~16h;

  根据国家标准及厂家提供的规格型号,配置各个系统的空气源热泵机组。

  4.3云阳县各个中学设备理论配置

  学生用水按每人每天50L热水配置,云阳县36所中、小学,住宿学生总人数为52637人,每人每天配热水50L,共需要热水总量为2632m3,配置太阳能集热器27704m2,空气源制热功率118433kW·h。

  4.4各学校的实际配置(见表1)

  根据甲方要求,集热器、配水量、空气源制热功率按实际情况作出了调整, 36所学校共有住校学生51345人,系统总产热水量为560m3,配置集热器总面积5064m2,配置空气源热泵制热功率为2310.5kW·h。

表1 云阳县36所学校实际配置统计

序号

学校名称

地址

楼号

楼层数

楼层结构

总人数/人

日供水量 /[L/(人·d)]

总水量/m3

集热器面积/m2

空气源(制热功率/kW

乡镇中学

1

故陵中学

故陵镇

女生楼

7

砖混

840

7.3

6.5

76

25.5

男生1#楼

7

砖混

392

7.3

3

34

18.5

2

宝坪中学

宝坪镇

男生楼

6

砖混

768

7.3

6

70

18.5

女生楼

6

砖混

672

7.3

5

58

18.5

3

龙角中学

龙角镇

混合楼

7

砖混

1152

7.3

8.5

100

36

4

龙市中学

龙角镇

混合楼

5

砖混

720

7.3

5.5

64

18.5

5

外郎中学

外郎镇

混合楼

5

砖混

410

7.3

3

36

18.5

6

水口小学

水口镇

混合楼

4

砖混

336

7.3

2.5

30

18.5

7

水口中学

水口镇

女生楼

6

砖混

480

7.3

3.5

42

18.5

男生楼

2

砖混

544

7.3

4

48

18.5

8

云硐中学

西霞镇

混合楼

7

砖混

1500

7.3

11

130

36

9

天景中学

南溪镇

男生楼

8

砖混

1040

7.3

7.5

90

36

女生楼

8

砖混

1040

7.3

7.5

90

36

10

南溪中学

南溪镇

男生1#楼

8

砖混

1058

7.3

8

94

36

男生2#楼

3

砖混

240

7.3

2

24

9

女生1#楼

4

砖混

1000

7.3

7.5

88

36

女生2#楼

5

砖混

420

7.3

3.5

42

18.5

11

双土中学

双土镇

 

男生楼

6

砖混

528

7.3

4

48

18.5

女生楼

6

砖混

432

7.3

3.5

36

18.5

12

盛堡中学

江口镇

男生楼

5

砖混

1080

7.3

8

94

36

女生楼

5

砖混

630

7.3

5

58

18.5

13

东山中学

江口镇

男生楼

5

砖混

750

7.3

5.5

64

25.5

女生楼

5

砖混

420

7.3

3.5

42

18.5

14

江口中学

江口镇

亿恩苑

6

砖混

888

7.3

6.5

76

25.5

怡然居

4

砖混

584

7.3

4.5

52

18.5

德馨居

6

砖混

516

7.3

4

48

18.5

墨香居

6

砖混

516

7.3

4

48

18.5

明辨居

4

砖混

312

7.3

2.5

30

18.5

兰馨苑

5

 

440

7.3

3.5

42

18.5

15

沙沱中学

沙市镇

男生楼

5

砖混

640

7.3

5

58

18.5

女生楼

5

砖混

720

7.3

5.5

64

18.5

16

向阳中学

江口镇

混合楼

6

砖混

1000

7.3

7.5

88

25.5

17

后叶小学

后叶乡

初中部

5

砖混

720

7.3

5.5

64

25.5

小学部

2

砖混

200

7.3

2

24

9

18

高阳中学

高阳镇

女生楼

7

砖混

616

7.3

5

58

18.5

男生1#楼

7

砖混

724

7.3

5.5

64

25.5

男生2#楼

6

砖混

480

7.3

3.5

42

18.5

19

养鹿中学

平安镇

男生楼

5

砖混

660

7.3

5

58

18.5

女生1#楼

6

砖混

864

7.3

6.5

76

25.5

女生2#楼

6

砖混

864

7.3

6.5

76

25.5

20

红狮中学

红狮镇

混合楼

5

砖混

1500

7.3

11

130

36

女生楼

3

砖混

216

7.3

2

24

9

21

巴阳小学

巴阳镇

混合楼

4

砖混

360

7.3

3

36

18.5

22

人和中学

人和镇

混合楼

6

 

660

7.3

5

58

18.5

混合楼

6

 

672

7.3

5

58

18.5

23

风桥小学

人和镇

混合楼

3

砖混

200

 

1.5

26

9

县城中学

 

 

 

 

 

 

 

 

24

黄龙中学

凤鸣镇

1#楼

6

砖混

576

15

9

88

36

2#楼

6

砖混

864

15

13

152

45

25

小江中学

高阳镇

男生楼

6

砖混

792

15

12

130

45

女生楼

6

砖混

864

15

13

120

45

26

巴阳中学

巴阳镇

女生楼

4

砖混

360

15

5

60

18.5

男生楼

5

砖混

375

15

6

72

25

27

中海希望小学

盘石镇

 

2

框架

295

15

2.5

30

18.5

28

盘石中学

盘石镇

仲佰园

6

砖混

576

15

9

52

36

淑贤苑

3

砖混

240

15

4

24

19

淑慧苑

5

砖混

480

15

8

42

36

29

凤鸣中学

凤鸣镇

馨凤楼

6

砖混

604

15

9

52

36

A栋

5

砖混

360

15

5.5

36

25.5

B栋

5

砖混

480

15

7

42

25.5

C栋

7

结构 

728

15

11

64

45

D栋

8

结构 

1208

15

18

106

72

30

双江中学

新县城

德邻楼

7

砖混

886

15

13

66

45

德弘楼

6

砖混

288

15

4.5

54

18.5

德比楼

6

砖混

1200

15

18

0

72

31

云阳师范学校

新县城

旧楼

7

砖混

1512

15

23

176

90

32

云阳中学

新县城

C.D栋

7

砖混

560

15

12

70

45

A.E.B栋

6

砖混

1600

15

30

188

90

33

职教中心

新县城

女生楼

7

砖混

1200

15

18

140

72

男生楼

7

砖混

868

15

13

106

45

34

云阳一中

新县城

混合楼

13

砖混

865

15

13

106

45

35

云阳二中

新县城

混合楼

6

砖混

768

15

12

94

45

36

云阳三中

新县城

A栋

6

砖混

1152

15

18

142

72

B栋

5

砖混

840

15

13

100

45

总计

 

 

51345

 

560

5064

2310.5

  4.5 项目方案调整

  考虑到学校学生宿舍楼多为20世纪90年代的建筑,房屋结构多为砖混结构,施工过程中,将原招标方案中的主要质量荷载热水箱由屋面改为楼下地面,这样既安全,又方便使用。

  5 系统设计原理(见图1)

图1 系统设计原理

  6 部分学校安装效果图(见图2、图3)

图2 云阳师范安装效果

图3 云阳中学安装效果

  7结论

  重庆云阳县位于三峡库区,常年大雾,在当地有关部门大力支持下,太阳能热力系统示范项目为云阳县中小学提供热水达到了预期目的,这为重庆市其他区县推广应用太阳能热力系统提供了参考依据。

关键词:中小学  空气能  热水系统   

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