太阳能与烟气余热组合热水系统的应用

 

　　太阳能是一种绿色无污染的非消耗型资源，而燃油锅炉的排烟废气温度通常较高，其中含有大量的热量，直接排放到空气中会造成大量的浪费。因此，在宾馆内的热水系统中广泛推广太阳能与烟气余热组合的热水系统技术，是我们合理利用能源，实现社会、经济可持续发展的重要途径。 

 

 

　　太阳能热水系统包括集热器?贮水箱和输送管网三个部分，其中最重要的部件是太阳能集热器，这是决定太阳能热水系统热效率的最重要部件。 

 

　　太阳能集热器是太阳能热水系统中接受太阳辐射，并将能量传递给内部介质的关键部件，又包括真空管、支架、水箱、保温层外壳和密封圈等部分。真空管一般使用全玻璃双管结构，其中在内管壁上涂有渐变A1-N/A1选择性吸收涂层，该涂层的吸收率在90%以上。当集热器真空管受到太阳照射时，能够吸收太阳能热量，使管内水温升高，此时由于冷热水比重的变化，热水上升，冷水下降，从而形成一个自然循环的单体太阳能热水器系统。一般宾馆使用的太阳能热水器系统会在通水管路中安装一台由控制系统控制的循环泵。当热水温度达到顾客要求时，热交换器内的温控阀就会自动关闭，而当热水温度较低时，则会通过打开温控阀来提高水温。 

　　我们可以通过如下公式得到太阳能热水系统的集热器总面积计算公式： 

　　， （1） 

　　太阳能热水系统的年节约能量计算公式如下： 

　　， （2） 

　　其中， 

　　表示太阳能热水系统的年节约能量，单位为MJ； 

　　表示直接系统集热器总面积， ； 

　　表示日均用水量，kg； 

　　表示水的定压比热容，kJ/（kg ℃）； 

　　表示贮水箱内水的设计温度， 表示水的初始温度，℃； 

　　表示集热器采光表面的年太阳辐射量，单位为MJ/m2； 

　　表示太阳能保证率，%，该值根据系统使用期内的太阳辐照、系统经济性及用户要求等因素综合考虑后确定，宜为30%-80%； 

　　表示集热器年平均集热效率； 

　　表示热水箱和管道的热损失率。 

　　该宾馆的太阳能集热器面积设计为200m2，并假设该地区太阳能集热器的采光表面年太阳辐照量 为5400MJ/m2，同时取 ， ，因此，太阳能热水系统的年节约能量为43.2×104MJ。 

 

 

　　烟气余热回收装置是一种锅炉节能系统，通过对现有锅炉进行烟气系统改造，就可以用来回收烟气余热。锅炉房锅炉的排烟经过倾斜的烟道汇合到垂直的烟囱上，并通过进口烟箱和出口烟箱与锅炉烟道相连接。 

　　热管是烟气余热回收装置的核心元件，热管主要有不锈钢管抽成真空后，再灌充易导热的介质（通常由多种金属及其化合物进行混合而成）密封而成，受热面积16m2。自来水由主楼屋顶的水箱经截止阀流入烟气余热利用装置，待与介质交换热量成为热水后再流入热交换器。常温下，导热介质为液态，热管的一端受热以后，导热介质就会被激活并迅速汽化，并以分子震荡的形式将热量传递到热管的另一端，此时介质与管外的冷水交换热量放热。介质放热后冷凝重新变为液态，在不受任何外加作用力的作用下，介质借助管内毛细吸液芯产生毛细力，从而回到原端再次吸热、蒸发和传递放热，如此往复不止。 

 

　　热管吸热量计算公式为： 

　　（3） 

　　其中， 

　　表示烟气余热回收系统的烟气放热量，单位是MJ； 

　　表示标准状况下的年烟气排放体积流量，这里估计6550 ； 

　　表示标准状况下的回收烟气密度，根据烟气特性表可得为该系统回收烟气为1.295 ； 

　　表示烟气的定压比热容，以平均温度为标准查烟气特性表可得为1.09265 ； 

　　另外，考虑到露点腐蚀的问题， 、 表示换热器入口和出口的烟气温度，取年平均温度分别为220℃和150℃。 

　　标况下，烟气的物性参数为： 

　　密度 ； 

　　定压比热 ； 

　　导热系数 ； 

　　运动粘度 ； 

　　普朗特数 ； 

 

　　假定热损失为5%，可得废气余热回收热量为61.7×104MJ。余热利用热水系统投入运行后，通过温控器的调整，热水温度和和排气温度都可以进行较大程度的调节，排烟温度最低可以达到80摄氏度，而热水温度则可以达到将近70摄氏度。 

 

 

　　应用太阳能热水系统和烟气余热利用热水组合系统后，与热交换器间的调配成为该组合系统的重点调整内容。组合热水系统原理图如下所示： 

 

　　1、水压控制 

 

　　对于原有系统，由于屋顶大水箱比太阳能热水系统的分路水箱要高，所以冷水能够从大水箱直接流入太阳能热水系统，然后在通过管路流向锅炉房屋顶上的热交换器。而锅炉废气余热利用的省油器就位于锅炉房内，能够方便的进入锅炉房顶的热交换器内。 

 

　　如果太阳能热水系统和废气余热回收系统同时向热交换器供水，因为废气余热回收系统的水压较高，因此优先向热交换器供水，当持续供水几分种后，随着系统热水温度的下降，位于出口处的电磁阀就会关闭，这时太阳能热水系统的热水就可以直接进入热交换器，从而实现轮流向热交换器供水。 

 

　　2、水量调整 

 

　　根据设计要求，冬天的太阳能热水量比较小，而余热利用的热水量则相对较多。二者组合以后，余热利用回收产生的热水量将占总热水量四分之一左右。而夏天太阳能的热水量较大，同时余热利用热水量也较大，这时整个宾馆消耗不了这么多的水。这时就可以先由太阳能热水系统提供进水，而废气余热回收系统尽量少出。这里可以通过打开省油器烟气旁通阀门，使烟气直接排向大气即可。 

 

　　3、效益分析 

 

　　宾馆使用太阳能与烟气余热组合热水系统代替传统的锅炉热水系统，不仅能够节约能源，降低运行成本，还能有效降低对周围环境的污染。这里我们根据全年太阳能热水系统的独立运行情况来分析系统的经济效益。 

　　， （4） 

　　（5） 

　　其中， 

　　表示系统的年节能费用，单位为元； 

　　表示当年能源热价，单位为元/MJ； 

　　表示当年能源价格，单位为元/m3； 

　　表示能源热值，单位为MJ/m3； 表示加热装置的效率。 

 

　　使用天然气进行锅炉燃烧的话， ， ， 这样就可以得到太阳能与烟气余热组合热水系统的年节能费用为14.4万元，说明组合热水系统的效益显著。太阳能与烟气余热热水系统总投资30万元。其中，太阳能热水工程投资回报期约需5年，锅炉废气余热回收装置投资回报期为1年，当把两者恰当地组合在一起时，一般回收期在3年左右。这样，根据上述的分析，三年会回收所有的投资，而且还减少了环境污染，节约了能源，带来巨大的社会和环境效益。 

 

 

　　作为一种重要的绿色无污染能源，太阳能已经在我国得到了比较广泛的应用，而燃油锅炉的排烟废气热量资源的回收利用也在逐步得到人们的认可。应用太阳能与燃油锅炉废气余热回收组合的热水系统，能够显著节约各类非可再生资源，有效缓解当前严重的能源危机，这对我国建设资源节约型、环境友好型的可持续发展社会具有重要的意义。 

 

　　参考文献 

 

　　[1]姜海勇.中国能源现状及未来发展战略[J].深圳特区科技，2006（4）. 

　　[2]罗清海，汤广发，龚光彩，唐海兵.建筑热水节能途径分析[J].煤气与热力，2004年. 

　　[3]史洁.上海高层住宅外界面太阳能系统整合设计研究[D].同济大学，2008年.