太陽能集熱系統在工業用高溫水一次加熱中的應用技術方案
（太陽能合作開發項目）
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，太陽能集熱應用已經十分廣泛。但是，集熱應用的范圍基本上僅限于太陽能提供生活熱水，對工業用的高溫水應用很少。
為了響應國家號召，許多企事業單位進行節能改造技術升級，對原來采用鍋爐加熱工業用水的企業不僅消耗大量常規能源，而且運行費用高昂。為了解決上述問題，許多單位采用節能環保新型設備加熱工業用水，本項目則采用太陽能設備來解決，太陽能是一種環保、無污染、可再生的潔凈能源，充分利用太陽能將可節省運行費用。
本方案以常州印染有限公司工業用水太陽能加熱系統為例，淺談設計思路與理念。該公司現有的印染設備日需求90℃和120℃熱水5600噸（退煮漂聯合機、絲光機、水洗機、軋染機：水溫90℃；染缸：水溫120℃）。現該廠消耗蒸汽年均每日900多噸，由于能源消耗巨大耗能嚴重，同時工業廢水沒有經過余熱回收利用，也造成不小的浪費。為響應國家、省、市、縣各級政府的節能減排號召，將節能減排付諸實際行動；也為了節省企業的能源費用，從而取得更大的經濟效益。本系統設計采用太陽能光熱（太陽能熱水系統）和余熱回收提供該廠主要的工業用水加熱需求。
二、項目實施要點
1.1、本項目實施地理氣象資料
緯度30o14’，經度120o10’，高度41.7m
全年各月平均室外氣溫、水平面/當地緯度斜面上的月平均日太陽輻照量（MJ/㎡·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、設計依據：
1、GB/T18713-2002《太陽熱水系統設計、安裝及工程驗收技術規范》
2、GB 50364-2005《民用建筑太陽熱水系統應用技術規范》
3、GB50015-2003《建筑給水排水設計規范》
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《太陽能熱利用術語》
2、項目實施方案
2、1總體概括
本項目設計采用50000㎡的太陽能熱水系統和余熱回收系統結合使用，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架上進行安裝鋪設。安裝時，太陽能適當傾斜，之間留有一定的間距，保持光照、安全和通風。
本太陽能項目：由若干個小單元組成一個系統，再由若干個系統組成一個大的集成系統，最后統一集成控制。
2、2系統設計原則
高效先進性：保持系統的高效運轉，最大化優先利用太陽能，力求5-10年內該項目保持國內和國際領先。本項目采用國際先進的德國西門子集成控制系統，將太陽能系統和余熱系統集成，利用計算機監測和控制。
安全可靠性：本項目采用高可靠性、技術成熟的太陽能和集成控制設備，結合完善的施工和保護措施來提高太陽能系統的整體安全性和供水可靠性；
和諧美觀性：結合現有建筑安裝，充分考慮原建筑設計，保持建筑的原有風格和美學觀感；
公共展示性：本項目充分顯示各級政府對節能減排的重視和決心，體現對可再生能源的重視，因此本項目重點考慮了能源循環利用的展示性，本項目建成后將成為目前最大的太陽能工業用水項目，將起到良好的展示效果，向相關企業、單位、市民直觀展示綠色能源的有效、循環利用，宣揚環保理念。
2.3技術運行闡述
本項目采用直流式定溫加熱太陽能系統：太陽能將經過凈化的冷水加熱到設定的溫度（60度左右）后進入儲熱水箱，再將水箱的熱水，泵至用水設備，利用蒸氣加熱至90℃—120℃。經過設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，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，降低了對大地熱能的排放，保護了地表的原生態，真正體現了節能環保。
2.4系統控制方式
A、太陽能自動補水：太陽能溫度達到設定值時，冷水電動閥自動打開補水；直至太陽能末端溫度點低于設定值；
B、太陽能定溫加熱：太陽能溫度達到設定值時，熱水保存在儲熱水箱內；
C、輔助熱源：水箱熱水經過水泵泵至設備水池內，溫度不足時，蒸氣自動加熱至設備所需溫度；
D、余熱回收利用：余熱設備將余熱回收至儲熱保溫水箱；
E、系統內部局域監控：可利用電腦監控。
2.5系統其他技術措施
防雷：系統按照三類民建防雷、漏電設計，系統與建筑接地網接地；
防震：系統與建筑之間連接可靠，按抗風10級標準設計施工，防震防裂90；
防火：系統設備、配件均采用不燃和阻燃材料，電器部分按照國家規范設計、施工，系統場地預留消防通道；
氣密安全：太陽能按照國家標準生產、檢驗，保證出廠產品完全達到國家標準要求的氣密性條件；熱水系統管路和設備在連接時完全按照國家標準規范進行施工，保證系統的氣密性和水密性要求；
防漏電：系統電器部分具備防漏電保護功能，電器部分可靠接地；
防腐：系統防腐性能保證使用達到15年以上的仿佛要求；
防漏水：系統在安裝時，太陽能炸管漏水有可靠的預防措施，同時屋面也做屋面防水處理；
防水質污染：本系統設備、管道等材料均采用符合國家標準的材質，水質污染可能性為零；
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：經過若干個系統和單元（一棟建筑5個單元組成一個系統，13棟建筑共計13套太陽能熱水系統）組成的太陽能系統將冷水加熱到設定的溫度（60度左右）后進入保溫儲熱水箱，再將水箱的熱水，泵至用水設備，再利用蒸氣加熱至90℃——120℃。經過設備使用的污水進入污水處理池，換熱器將污水的熱量經過換熱后充分利用，再進入水箱。
2.7關鍵設備選型
2.7.1太陽能集熱模塊選擇
本項目采用具有領先水平的四季沐歌品牌太陽能集熱設備。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：采用國際具有領先水平的高效全玻璃真空集熱管，系能參數，見下表：
項目名稱 性能參數 備注
長度（mm） 1500 符合國標
罩玻璃長度（mm） 47 符合國標
壁厚（mm） 1.5/1.6 優于國標
膨脹系數 3.3×10-6 優于國標
罩玻璃的透射率 ≥0.95 優于國標
吸收體 濺射漸變鋁-氮/鋁 優于國標
太陽吸收比 ≥0.96 優于國標
發射比 ≤0.05 優于國標
真空度 ≤5×10-2Pa 優于國標
空曬度 ≥250℃ 優于國標
平均熱損系數 ≤0.52W/㎡℃ 優于國標
抗冰雹能力 直徑25mm冰雹沖擊不破損 優于國標
耐壓能力 ≥0.6——0.8MPa 優于國標
B、太陽能集熱器內膽：0.8mm厚度304/2B食品級不銹鋼，不影響水質；全自動高頻氬弧焊接，質量可靠，壽命長，可達12年-15年以上；
C、太陽能集熱器保溫：采用進口高壓發泡設備，無氟聚氨酯整體發泡保溫，發泡均勻，閉孔率超過98%，保溫性能良好；
D、聯箱外膽：采用優質不銹鋼材質，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格參數
項目名稱 指標 國家標準 備注
型號 47（mm）×1500（mm） 符合國標
真空管支數 60 符合國標
集熱器接口 DN25 優于國標
保溫材料 熟化聚氨酯 優于國標
承受壓力 0.6kg/㎡ 0.5kg/㎡ 優于國標
占地尺寸 2000（mm）×3300（mm） 優于國標
聯箱參數：
內膽材質 0.8mm厚度304/2B食品級不銹鋼 優于國標
外皮材質 采用優質不銹鋼材質，耐腐蝕，壽命長 優于國標
保溫材料 采用進口高壓發泡設備，無氟聚氨酯整體發泡保溫，發泡均勻，閉孔率超過98%，保溫性能良好 優于國標
2.7.3.工業余熱回收設備
本項目采用全球具有領先換熱技術的美國舒瑞普工業余熱回收設備4套，日換熱污水處理5000噸。
2.7.4.本項目工業控制系統
本項目采用全球工業控制系統知名品牌德國西門子工業控制系統，系統運行穩定，穩定性強，功能強大高效。
本項目共設13套PLC工業控制設備（13套PLC工業控制設備對由若干單元組成的系統A、B、C、D等進行控制）。1套計算機自動監控設備實現13套太陽能系統進行整合，實現對13套太陽能系統整體監測和控制；
2.7.5.工業水泵
采用80%材質能夠再利用的國際名牌丹麥格蘭富工業水泵，該泵噪音低，性能穩定可靠，使用壽命長。
2.7.6.工業用電動閥
選用德國J+J工業用電動閥，該電動閥動作靈敏準確，性能穩定可靠。
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：利用廠內市政管網供水管道，不足時申請市政管道。
3.2供電：利用廠內電力，不足時申請市內電力；
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）有關節能計算公式及參數
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、各種能源折標準煤參考系數
能源名稱 平均低位發熱量 折標準煤系數
原煤 5000千卡/千克 0.7143千克標準煤/千克
洗精煤 6300千卡/千克 0.9000千克標準煤/千克
其他洗煤
煤泥 2000-3000千卡/千克 0.2857-0.4286千克標準煤/千克
焦炭 6800千卡/千克 0.9714千克標準煤/千克
原油 10000千卡/千克 1.4286千克標準煤/千克
燃料油 10000千卡/千克 1.4286千克標準煤/千克
汽油 10300千卡/千克 1.4714千克標準煤/千克
煤油 10300千卡/千克 1.4714千克標準煤/千克
柴油 10200千卡/千克 1.4671千克標準煤/千克
液化石油氣 12000千卡/千克 1.7143千克標準煤/千克
天然氣 7700-9310千卡/立方米 1.1-1.3300千克標準煤/立方米
焦爐煤氣 4000-4300千卡/立方米 0.5714-0.6143千克標準煤/立方米
其他煤氣
發生煤氣 1250千卡/立方米 0.1786千克標準煤/立方米
重油催化裂解煤氣 4600千卡/立方米 0.6571千克標準煤/立方米
重油熱裂解煤氣 8500千卡/立方米 1.2143千克標準煤/立方米
焦炭制氣 3900千卡/立方米 0.5571千克標準煤/立方米
壓力氣化煤氣 3600千卡/立方米 0.5143千克標準煤/立方米
水煤氣 2500千卡/立方米 0.3571千克標準煤/立方米
煉焦油 8000千卡/千克 1.1429千克標準煤/千克
熱力（當量） 0.03412千克標準煤/百萬焦耳
3、基礎數據
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，每日節約蒸氣513.9噸，折合33.2噸標煤。
綜上分析：
1、本系統投資預算約6000萬元，蒸汽按160元/噸，日節約費用8.2224萬元；
2、每年按照250天晴好天氣計算：年節約費用2055.6萬元； 3-4年將可收回投資成本。
3、本系統可使用10年以上，10年內可節約費用2.0556億元。
太陽能系統的使用壽命在10年以上（一般可用10-15年）。由此可見，安裝太陽能系統的經濟效益非常顯著。
三）項目環境效益分析
太陽能熱水系統使用壽命在10年以上，本項目實施后（按15年壽命計算），可節約標煤約124.5萬噸，降低了常規能源的消耗，減少CO2等廢氣、污染物的排放，達到有效的環保節能效果。該太陽能熱水系統無污染、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的生態環境，環境效益顯著；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，與建筑結合為一體的節能項目；
2）減少污染源的產生，增加消費者、企業自身、上下游合作伙伴的信任度；
3）通過良好的集成設計，減少了常規能源帶來的資金、污染壓力，另一方面，為“節能減排”的理念，展示該公司對環境的重視態度。
以太陽能作為熱源提供生活熱水符合資源可持續發展的要求，《建筑給水排水設計規范》GB50015-2003也對此有明確的規定，其中第5.2.2條“集中熱水供水系統的熱源，宜首先利用工業余熱、廢熱、地熱和太陽能。” 第5.2.6條也規定了“局部熱水供應系統的熱源宜采用太陽能及電能、燃氣、蒸汽等” ；同時采用太陽能熱水系統符合國家環保政策，利國利民，一次投資，長期受益。太陽能熱水系統的節能、環保、安全與社會發展潮流相符合，太陽能熱水系統的廣泛應用，獲得了良好的社會效果
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