太陽能與煙氣余熱組合熱水系統在賓館的應用分析

孫志剛

摘 要：隨著我國經濟的高速發展，社會發展和能源短缺的矛盾也越來越突出，有效利用太陽能、風能等綠色能源和二次利用有效能源對實現我國經濟的可持續發展具有重要的意義。

關鍵詞：太陽能；煙氣余熱；熱水系統

一、前言

太陽能是一種綠色無污染的非消耗型資源，而燃油鍋爐的排煙廢氣溫度通常較高，其中含有大量的熱量，直接排放到空氣中會造成大量的浪費。因此，在賓館內的熱水系統中廣泛推廣太陽能與煙氣余熱組合的熱水系統技術，是我們合理利用能源，實現社會、經濟可持續發展的重要途徑。

二、太陽能熱水系統在賓館的應用

太陽能熱水系統包括集熱器?貯水箱和輸送管網三個部分，其中最重要的部件是太陽能集熱器，這是決定太陽能熱水系統熱效率的最重要部件。

太陽能集熱器是太陽能熱水系統中接受太陽輻射，并將能量傳遞給內部介質的關鍵部件，又包括真空管、支架、水箱、保溫層外殼和密封圈等部分。真空管一般使用全玻璃雙管結構，其中在內管壁上涂有漸變A1-N/A1選擇性吸收涂層，該涂層的吸收率在90%以上。當集熱器真空管受到太陽照射時，能夠吸收太陽能熱量，使管內水溫升高，此時由于冷熱水比重的變化，熱水上升，冷水下降，從而形成一個自然循環的單體太陽能熱水器系統。一般賓館使用的太陽能熱水器系統會在通水管路中安裝一臺由控制系統控制的循環泵。當熱水溫度達到顧客要求時，熱交換器內的溫控閥就會自動關閉，而當熱水溫度較低時，則會通過打開溫控閥來提高水溫。

我們可以通過如下公式得到太陽能熱水系統的集熱器總面積計算公式：

， （1）

太陽能熱水系統的年節約能量計算公式如下：

， （2）

其中，

表示太陽能熱水系統的年節約能量，單位為MJ；

表示直接系統集熱器總面積， ；

表示日均用水量，kg；

表示水的定壓比熱容，kJ/（kg ℃）；

表示貯水箱內水的設計溫度， 表示水的初始溫度，℃；

表示集熱器采光表面的年太陽輻射量，單位為MJ/m2；

表示太陽能保證率，%，該值根據系統使用期內的太陽輻照、系統經濟性及用戶要求等因素綜合考慮后確定，宜為30%-80%；

表示集熱器年平均集熱效率；

表示熱水箱和管道的熱損失率。

該賓館的太陽能集熱器面積設計為200m2，并假設該地區太陽能集熱器的采光表面年太陽輻照量 為5400MJ/m2，同時取 ， ，因此，太陽能熱水系統的年節約能量為43.2×104MJ。

三、煙氣余熱利用裝置在賓館的應用

煙氣余熱回收裝置是一種鍋爐節能系統，通過對現有鍋爐進行煙氣系統改造，就可以用來回收煙氣余熱。鍋爐房鍋爐的排煙經過傾斜的煙道匯合到垂直的煙囪上，并通過進口煙箱和出口煙箱與鍋爐煙道相連接。

熱管是煙氣余熱回收裝置的核心元件，熱管主要有不銹鋼管抽成真空后，再灌充易導熱的介質（通常由多種金屬及其化合物進行混合而成）密封而成，受熱面積16m2。自來水由主樓屋頂的水箱經截止閥流入煙氣余熱利用裝置，待與介質交換熱量成為熱水后再流入熱交換器。常溫下，導熱介質為液態，熱管的一端受熱以后，導熱介質就會被激活并迅速汽化，并以分子震蕩的形式將熱量傳遞到熱管的另一端，此時介質與管外的冷水交換熱量放熱。介質放熱后冷凝重新變為液態，在不受任何外加作用力的作用下，介質借助管內毛細吸液芯產生毛細力，從而回到原端再次吸熱、蒸發和傳遞放熱，如此往復不止。

熱管吸熱量計算公式為：

（3）

其中，

表示煙氣余熱回收系統的煙氣放熱量，單位是MJ；

表示標準狀況下的年煙氣排放體積流量，這里估計6550 ；

表示標準狀況下的回收煙氣密度，根據煙氣特性表可得為該系統回收煙氣為1.295 ；

表示煙氣的定壓比熱容，以平均溫度為標準查煙氣特性表可得為1.09265 ；

另外，考慮到露點腐蝕的問題， 、 表示換熱器入口和出口的煙氣溫度，取年平均溫度分別為220℃和150℃。

標況下，煙氣的物性參數為：

密度 ；

定壓比熱 ；

導熱系數 ；

運動粘度 ；

普朗特數 ；

假定熱損失為5%，可得廢氣余熱回收熱量為61.7×104MJ。余熱利用熱水系統投入運行后，通過溫控器的調整，熱水溫度和和排氣溫度都可以進行較大程度的調節，排煙溫度最低可以達到80攝氏度，而熱水溫度則可以達到將近70攝氏度。

四、太陽能與煙氣余熱組合熱水系統

應用太陽能熱水系統和煙氣余熱利用熱水組合系統后，與熱交換器間的調配成為該組合系統的重點調整內容。組合熱水系統原理圖如下所示：

圖1 組合熱水系統原理圖

1、水壓控制

對于原有系統，由于屋頂大水箱比太陽能熱水系統的分路水箱要高，所以冷水能夠從大水箱直接流入太陽能熱水系統，然后在通過管路流向鍋爐房屋頂上的熱交換器。而鍋爐廢氣余熱利用的省油器就位于鍋爐房內，能夠方便的進入鍋爐房頂的熱交換器內。

如果太陽能熱水系統和廢氣余熱回收系統同時向熱交換器供水，因為廢氣余熱回收系統的水壓較高，因此優先向熱交換器供水，當持續供水幾分種后，隨著系統熱水溫度的下降，位于出口處的電磁閥就會關閉，這時太陽能熱水系統的熱水就可以直接進入熱交換器，從而實現輪流向熱交換器供水。

2、水量調整

根據設計要求，冬天的太陽能熱水量比較小，而余熱利用的熱水量則相對較多。二者組合以后，余熱利用回收產生的熱水量將占總熱水量四分之一左右。而夏天太陽能的熱水量較大，同時余熱利用熱水量也較大，這時整個賓館消耗不了這么多的水。這時就可以先由太陽能熱水系統提供進水，而廢氣余熱回收系統盡量少出。這里可以通過打開省油器煙氣旁通閥門，使煙氣直接排向大氣即可。

3、效益分析

賓館使用太陽能與煙氣余熱組合熱水系統代替傳統的鍋爐熱水系統，不僅能夠節約能源，降低運行成本，還能有效降低對周圍環境的污染。這里我們根據全年太陽能熱水系統的獨立運行情況來分析系統的經濟效益。

， （4）

（5）

其中，

表示系統的年節能費用，單位為元；

表示當年能源熱價，單位為元/MJ；

表示當年能源價格，單位為元/m3；

表示能源熱值，單位為MJ/m3； 表示加熱裝置的效率。

使用天然氣進行鍋爐燃燒的話， ， ， 這樣就可以得到太陽能與煙氣余熱組合熱水系統的年節能費用為14.4萬元，說明組合熱水系統的效益顯著。太陽能與煙氣余熱熱水系統總投資30萬元。其中，太陽能熱水工程投資回報期約需5年，鍋爐廢氣余熱回收裝置投資回報期為1年，當把兩者恰當地組合在一起時，一般回收期在3年左右。這樣，根據上述的分析，三年會回收所有的投資，而且還減少了環境污染，節約了能源，帶來巨大的社會和環境效益。

五、結論

作為一種重要的綠色無污染能源，太陽能已經在我國得到了比較廣泛的應用，而燃油鍋爐的排煙廢氣熱量資源的回收利用也在逐步得到人們的認可。應用太陽能與燃油鍋爐廢氣余熱回收組合的熱水系統，能夠顯著節約各類非可再生資源，有效緩解當前嚴重的能源危機，這對我國建設資源節約型、環境友好型的可持續發展社會具有重要的意義。

參考文獻

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