太阳能供热系统在泳池水加热中的应用

浙江建筑 第 24卷第 9期 2007年 9月 太阳能供热系统在 泳池水加热中的应用 虞立颖 ，李 伟 ，苏 蔚 (1．杭 州市建筑设计研究院有限公司 ，浙江 杭州 310006；2．浙江国信 房产集 团有限公司 ，浙江 杭州 310003 3．浙江广厦建筑设计有限公司。浙江 杭州 310001) 摘 要 ：电力 、石油 、煤炭是一国重要的能源资源 ，“电荒”、“油荒 ”以及“煤荒”在一定程度上反映出我 国能源结构的不合理并 将影响到我国的能源战略。为此，充分利用和开发可再生能源——太阳能等新能源势在必行。现介绍以太阳能为主对杭州一疗 养院的游泳池进行 给水排水设计的情况 ，以及泳池的加热系统应用太 阳能的情况。 关键词：太阳能；日照；游泳池池水加热 中图分 类号：TU832．t 7；TUl11．3 文献标识码 ：B 文章编号：1008—3707(2007)09—0056—04 太阳能作为清洁能源，是节能的重要途径。 目前 ，越来越多的住宅、宾馆 、游泳池 、公共浴池 等场所采用太 阳能作为其热水系统的主要热源。这 些场所一般要求卫生热水在一定的时间段内或全天 内连续供应，为了满足太 阳能不足时的用热需求 ，使 太阳能集热系统的投资更加经济 ，通常采用电加热 器或电锅炉、燃煤或燃油(气 )锅炉 、市政热力等作 为太阳能热水系统的辅助热源 。 笔者在进行杭州某疗养院的游泳池给排水设计 时就采用了以太阳能为主要热源的供热系统。该系 统由两部分构成 ，节能 系统 为太 阳能集热 系统 ，保 障系统为燃气热水锅炉。杭州地处北 纬 30。16 ，东 经 120。10 ，属于亚热带季风性气候，具有温和湿润、 四季 分 明、光 照充 足 的 特 点。全 年 平 均 气 温 为 l7．8℃，一月份 3．7℃，七月份 27．8℃。年无霜 期 250 d左右。全 年 日照时 间为 1 800～2 100 h(表 1)，辐射量在 100—1 10 kcal／cm ·a(1 keal=4．186 8 kJ)。杭州市 日射和日照的季节变化明显，夏半年 (5—10月份 )的太阳总辐射量 、日照时数和 日照百 分率均大于冬半年(1 1月份至次年 4月份 )。其中， 盛夏 7、8两月的 日射强 、日照长 。除山区外 ，全市大 部分地 区月 平均太 阳总辐射 量 12．5～14．5kcal／ cln ，口照时数 230～260 h，日照百 分率达 55％ ～ 60％或以上。冬季 日射弱 、日照短 ，12月份至次年 2 收稿 日期：2007—04—11 作者简介：虞立颖(1971～)，女，浙江宁波人，工程师，从事建筑设计工作。 · 56· 月份各月平均 总辐射量都在 6 kcal／cm 以下 ，日照 时数不足150 h，日照百分率小于 50％。春 (3～4月 份)、秋(9～10月份)两季为过渡季节，日射和 日照 量居中，相比之下 ，春季阴雨天气较多 ，各种特征值 比秋季要小。所以除夏季外 ，其余季节都需要配置。 表 1 杭 州地 区 1961—1990年平均 日照 时间 h 地区 1月 2月 3月 4月 5月 6月 7月 8月 9月 lO月 11月 l2月 杭州 4．4 4．2 4．5 5．1 5．6 5 4 7．5 7 8 5．4 5．2 5．o 4．8 1 该泳池的设计参数 该游泳池表面积为：25 m×10．4 m：260 m ，体 积为 ：25 m×10．4 Ill×1．5 m=390 m 。游泳池建在 室内，室内有供暖 ，温度 为(29±1)oC，池水温需控 制在(27±1)℃。 根据业主要求 ，游泳池春、夏、秋 、冬四季全天候 开放。为节约初投资及 日常维护费用 ，采用太 阳能 加热系统 ，并采用燃气锅炉辅助加热。 2 游泳池加热热负荷计算 2．1 开放 时散热量的计算 2．1．1 水 面蒸发损失热量 计算公式：Q = 4．187y(0．0174vs+0．0229)(Pb—P。)F760．b； ww w. zh ul on g. co m Administrator 新建图章 虞立颖等：太阳能供热系统在泳池水加热中的应用 查 手 册 选 择 参 数 ： =581．9 kcal／kg， ，= 0．3 m／s，P6=26．7 mmHg，P ：16．5 mmHg，b=760 mmHg．F =260 m 。 计算结果：Q。=181 693．8 kJ／h。 2．1．2 水表面传导损失热量 计算公式：Q = 4．187o~F(t 一t。)。由于室内温度 比池水温度 高，所 以该项在白天开放时可忽略不计 ，即 Q =0。 2．1．3 池底 和池壁传导 损失的热量 计 算公式 ： Q3=4．187 KF(t 一t。)； 查手册选择参数：与土壤接触时取 K=1kcal／ m ·h oC，t =27 oC，t =18 ℃ ，F =260+25×1．5× 2+10．4 ×1．5 ×2=366．2 m 。 计算结果：Q3=13 799．51kJ／h。 2．1．4 管道和设备损失的热量按以上三项的 20％ 计算，则 Q =39 098．7 kJ／h。 每天开放 8 h，总散热量为 Q。=(Q。+Q +Q，+ Q )×8=1 876 736 kJ=521 kW。 2．2 未开放时散热量的计算 在未开放 的 16 h内，用薄膜覆盖池 面，所以水 面蒸发损失热量很小，以开放时的 10％计 ，则 Q ．= 18 169．4 kJ／h。 水表面传导损失热量重新计算如下(室内温度 为 15oC)： Q 2=4．187 c~F(t 一t )=4．187×8×260× (27—15)=104 507．5 kJ／h。池底和池壁传导损失 的热量同白天，管道和设备损失 的热量按 以上三项 损失热量和的20％计算，则 Q =27 295．3 kJ／h。 所以未开放的 16 h内总散热量 ： Q0=(Q +Q 2+Q +Q )×16 =2 620 347．2 kJ=728 kW 2．3 每天补充的新水加热所需热量的计算 每天按补充 5％的新水(初温为 5 oC)计算，则 补充新水加热所需热量为 ： Q6=1．163×390×1 000×0．05×(27—5) =499 kW 2．4 游泳池每 天总耗热量 开放时所需要的总热量为： Q=Q0+Q^ ×8／24：521+499×8／24=687 kW。 开放时每小时所需要 的热量为 86 kw。 不开放时所需要的能量为 ： Q =Q0+Q6×16／24=728+499×16／24 =1 060 kW 。 不开放时每小时所需要的热量为 66 kw。 2．5 泳池淋浴小时耗热量计算 浴室内淋浴器和洗脸盆 的同时使用百分数 (b) 均按 100％计 ， ∑ Q^ =(300×(40—5)×0．983 2×8×100％ × 4 187+50×(35—5)×0．983 2×4×100％ × 4 187)／3 600=103 kW。 则游泳池开放时所需要的小时耗热能量为：103 +86=189 kW 。 2．6 初 次加 热所 需 的热量 Qb=1．163×390×1 000×(27—5) =9 978．5 kW 考虑泳池初次加热：72 h将池水从5℃加热到 27℃时 ，换热器功率为 139 kw；36 h为 270 kw，设 计换热器功率为 270 kw(>189 kw)。 3 游泳池加热系统 游泳池加热系统 由太 阳能集热器系统、泳池循 环加热系统和辅助加热系统以及控制系统组成。其 工作原理为 ：由太 阳能集热系统完成热能的采集和 传输；同时，根据定温控制板式热交换器，完成热量 的交换；在太阳能辐射强度不足的情况下，通过辅助 加热系统进行加热 。 3．1 太 阳能 集热 系统 (1)热负荷 ：游泳池开放时所需要 的小 时能量 为：103+86=189 kW。 (2)集热面积 ：包括太 阳能热水 系统集 热面积 和集热器的布置两个方面 。 ①太阳能热水系统集热面积：根据现场情况，可 布置规格为 4,58×1 800 mm x 30支 的真空 热管集 热器 48台。集热器的技术指标如表 1。 表 1 单元真空超导热管集热器技术指标 总的采光面积为 ：48×4．5=216 m 。 集热系统集热效率 按下式计算： = 。 (1一 L)：0．55×(1—0．1)：0．495。 其中： 一集热器全 日集热效率； 。 一 管路及储水箱热损失率。 · S7 · ww w. zh ul on g. co m 虞立颖等：太阳能供热系统在泳池水加热中的应用 游泳池加热期间每个月太阳能可提供的能量 为：Q=Al,1 其中A为集热器采光面积(m )；，为集热面上 日平均辐射强度(kJ／m ·d)，计算数据如表 2。 裹 2 计算所得各月份提供能量的情况 6～9四个月游泳池不需要加热，太阳能集热器 可提供热水 ，可提供的能量如表 3。 裹 3 6—9四个 月提供 的能量 A 6只 1只 8只 9只 水平面 辐 97 600 l35 6ll l35 54l 90 615 ／(kcal／m ·月) ． 。竺蚕： 面上日 25．32 31．08 29．61 22．06 均辐射强度／(MJ／ m ．d) 确 苎 平均 2 707,21 3 323．07 3 165．9 2 358．6 每天集热量／MJ ． ． 天 16 ． 2 19．s4 18,9 l4．08 热水量(温升40℃)／t 。’ ‘ ②集热器布置：本工程采用串联集热器组并联 方式，采用真空热管集热器，真空热管集热器较平板 集热器和全玻璃真空管集热器具有较高的性价比。 为满足全年集热器的使用效率，集热器最佳安装倾 角为 35。。 (3)集热循环管路及泵：集热循环管路采用不 锈钢管，外采用 20 mm的 PE保温。集热循环泵采 用德国威乐泵 1台，总流量为 9．25 m ／h，扬程为 25 m(这里集热温差以l0℃为基准计算)。 3．2 泳 池循 环加 热 系统 泳池循环加热系统由板式热交换器、循环系统 、 管路系统以及控制系统组成。 (1)板式热交换器 ：板式热交换器 的型号 由热 交换负荷、两侧进出水温度确定。 (2)泵及管路：游泳池侧的管路采用 PP—R或 PEX管，热侧管路采用不锈钢管或紫铜管；游泳池 侧选择 1台泵(总流量为 12．6 m ／h，扬程为 15 m)； 热侧 选择 1台泵 (总 流量 为 12．6 m ／h，扬程 为15 m)。 (3)泳池循环加热系统的控制：根据游泳池循 · 58· 环的回水温度和集热温度控制板式换热器两侧泵的 开启 。 (4)辅助水箱确定：根据游泳池循环水量和淋 浴用水量，确定辅助水箱容积为 5 t，用于太阳能的 缓冲和储存。 4 控制系统的工作原理 (1)集热循环：集热器出口安装温度传感器 ．。 当集热器出水口温度(温度传感器 T．)≥[热水箱下 部温度 +温差参数(正常模式 10 oC)]时，循环泵P。 打开，将集热器阵列吸收太阳能转化的热量储存到 水箱中，直至集热器出水口温度(温度传感器 T。)≤ [热水箱下部温度 +温差参数(正常模式 5 oC)]时， 循环泵 p．自动关闭。 (2)池水加热循环 ：池水加热循 环加载在泳池 循环水系统上(一般为水处理系统)。当泳池回水 温度 ≤设定温度 (正常模式为 27 oC)时循环泵 P 、P 打开，通过板式换热器 ～1对池水进行加温； 当泳池 回水 温度 >设定温 度 (正常模 式为 28 oC) 时，关闭 P 、p 。 (3)辅助加热系统：辅助加热系统为燃气锅炉 提供的90℃ 的热水 ，通过板式换热器 一2对系统进 行能量补充。当储热水箱温度 T3<设定温度(正常 模式为 45 oC)，太阳能 系统能量供给不足时，打开 锅炉热水电磁阀一2和水泵 P，，通过板式换热器 一2 系统进行能量补充；当水箱温度 T3>设定温度(正 常模式为50 oC)时，关闭电磁阀一2和水泵P，。 (4)储热缓冲水箱补水：当水箱水位低于设定 值时，补水电磁阀 一1自动打开，对储热缓冲水箱进 行补水；当水箱水位高于设定值时，补水电磁阀 一1 自动关闭系统如下图 1。 ww w. zh ul on g. co m 虞立颖等 ：太阳能供热系统在泳池水加热中的应用 图1 控制系统图 5经济性能分析 ； 游泳池四季开放(按 240 d计)，每天需消耗能 行费用如表4(与燃油锅炉相比)。 表 4 各月份提供能■的情况 注：①O#柴油的燃烧热值为9 0o0 keal／m ，价格为4．62元／m’；②锅炉供热管路热损为 20％； 6结语 羹 等 从以上分析可知，采用太阳能的方式运行，其成 泳池理想的加热配套设施。 · 59· ww w. zh ul on g. co m Text1: