太陽能在煤礦供熱系統(tǒng)中的利用探討

王君杰

摘 要：文章論述了太陽能在煤礦中利用的必要性，介紹了煤礦供熱系統(tǒng)的主要構(gòu)成并闡述了太陽能在煤礦供熱系統(tǒng)中的主要利用途徑，結(jié)合某礦井酒店公寓的工程實際情況，對該工程的主要系統(tǒng)構(gòu)成及設(shè)備選型進(jìn)行了詳細(xì)論述，并對其運(yùn)行效果進(jìn)行了分析，從中可以看出太陽能在煤礦供熱系統(tǒng)中廣闊的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：太陽能；供熱系統(tǒng)；利用

中圖分類號：TU883 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-8937（2014）14-0176-01

1 太陽能概述

太陽能指的是由太陽光的輻射而產(chǎn)生的能量。氫”聚變成“氦”是一種原子核反應(yīng)，這一反應(yīng)是進(jìn)行在太陽的內(nèi)部，在此過程中產(chǎn)生了極大的能量，這些能量不斷的向宇宙空間進(jìn)行輻射，這就是太陽能。我國每年陸地接收的太陽輻射總量在3.3×103-8.4×106 kJ/（m2·a）之間，可折算至2.4×104億 t標(biāo)煤，屬太陽能資源豐富的國家之一。全國總面積2/3以上地區(qū)年日照時數(shù)>2 200 h，日照在5×106 kJ（m2·a）以上。我國是資源總量大國，但同時在資源人均值上是貧國，煤炭總儲量位居世界第三，但是人均占有量確只有世界人均水平的51.3%，石油為11.3%，天然氣為3.8%。我國的能耗萬元GDP總能耗是國際平均水平的3倍。約有2/3的經(jīng)濟(jì)增長是在對生態(tài)環(huán)境和資源的過度透支基礎(chǔ)上實現(xiàn)的。目前，要想根本解決這個問題，只有尋找替代能源，逐步使太陽能、風(fēng)能等清潔能源取代煤炭，擺脫我國能源結(jié)構(gòu)對煤炭的單純依賴。

自20世紀(jì)90年代初以來，太陽能利用技術(shù)應(yīng)用于民用的最大的成果是太陽能熱水器的普及和發(fā)展。太陽能熱水系統(tǒng)以其環(huán)保、節(jié)能、經(jīng)濟(jì)、方便、衛(wèi)生、安全等眾多優(yōu)點被大眾所接受。特別是近年來，太陽能采集熱水因為其系統(tǒng)顯著的節(jié)能效果、方便的使用、良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益受到廣泛的關(guān)注和推廣。在大力倡導(dǎo)節(jié)能減排的社會背景下，礦井太陽能利用也勢在必行。

2 系統(tǒng)介紹

2.1 煤礦供熱系統(tǒng)

煤礦供熱系統(tǒng)主要包括采暖、井筒防凍和生活用熱等。在很多中大型礦井中，采暖負(fù)荷和井筒防凍負(fù)荷都是遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于生活用熱負(fù)荷的。在目前技術(shù)條件情況下，尚無法利用太陽能解決礦井的采暖和井筒防凍。因此太陽能在煤礦供熱系統(tǒng)中最佳的利用方式是生活用熱中的職工洗浴系統(tǒng)。煤礦職工洗浴系統(tǒng)每天要提供礦井職工、外來務(wù)人員及來賓洗浴上千人的洗浴用水。礦井洗浴系統(tǒng)運(yùn)行方式為間歇式運(yùn)行，且礦井洗浴系統(tǒng)為礦井重要輔助生產(chǎn)系統(tǒng)，必須保證其供熱穩(wěn)定性。而太陽能采集熱水由于其受季節(jié)、天氣和設(shè)備等因素影響大。因此為保證礦井的正常生產(chǎn)，礦井太陽能供熱系統(tǒng)考慮按如下方案設(shè)置：太陽能供熱系統(tǒng)采用太陽能聯(lián)集式中央熱水系統(tǒng)，太陽能系統(tǒng)需要考慮輔助能源進(jìn)行補(bǔ)充，可另外獨立建設(shè)換熱站。在光照充足的情況下，水經(jīng)過太陽能系統(tǒng)加熱后可滿足洗浴系統(tǒng)需要，則換熱站中加熱管路關(guān)閉，直接由太陽能系統(tǒng)熱水進(jìn)入洗浴系統(tǒng)。但在陰天等光照不足的情況下，太陽能系統(tǒng)以提高基礎(chǔ)水溫為目的，熱量不足部分由換熱站內(nèi)的蒸汽或熱水來補(bǔ)充。

2.2 太陽能聯(lián)集式中央熱水系統(tǒng)運(yùn)行原理

陽能聯(lián)集式中央熱水系統(tǒng)采用強(qiáng)制溫差循環(huán)方式，溫度傳感裝置探測太陽能集熱器和儲熱水箱的溫度，智能控制儀采集并對信號進(jìn)行比較，當(dāng)溫差達(dá)到設(shè)置值時，循環(huán)泵啟動，太陽能集熱器與儲熱水箱的水實現(xiàn)一次循環(huán)，當(dāng)溫差低于設(shè)定值時，循環(huán)停止。這樣往復(fù)循環(huán)將儲熱水箱內(nèi)的水溫加熱，再配以蒸汽加熱，滿足洗浴用熱水要求。

3 應(yīng)用實例

根據(jù)以上系統(tǒng)方案，現(xiàn)以某礦井酒店公寓為例，詳細(xì)介紹太陽能在煤礦供熱系統(tǒng)中的應(yīng)用。

3.1 太陽能集熱面積計算

根據(jù)《民用建筑太陽能熱水系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》（GB/T 50364-2005）中規(guī)定，集熱面積計算如下：

系數(shù)含義如下：Ac為系統(tǒng)集熱器總面積（m2）；Qw為系統(tǒng)水量（kg）；Cw為水的定壓比熱容（kJ/kg·℃）；tend為貯熱水箱內(nèi)水的終止溫度（℃）；ti為水的初始溫度（℃）；jt為當(dāng)?shù)丶療崞魇軣崦嫔夏昶骄仗栞椪樟浚╧J/m2）；f為太陽能保證率（無量綱）；？耷cd為集熱器全日集熱效率（無量綱）；？耷L為管路及貯水箱熱損失率（無量綱）。

其取值如下：Qw為90 000 kg；Cw為4.18 kJ/kg·℃；tend為60 ℃；ti為 10 ℃；jt為17 120 kJ/m2；f為根據(jù)國標(biāo)規(guī)定，取值55%。

ηcd與（1-ηL）綜合后即為系統(tǒng)效率，太陽能熱水系統(tǒng)平均效率在45%以上，在此按照45%計算。

根據(jù)上式取值，計算得Ac值為1 343 m2，JPS-60TX21-50？觷

型集熱器面積為5.22m2/臺，考慮系統(tǒng)補(bǔ)償量為3%，根據(jù)此計算需要的集熱器總面積為1 388 m2，選擇JPS-60TX21-

50 ？觷型集熱器133組，共計266臺。其實際集熱面積1 388.52 m2。集熱器布置在酒店公寓的樓頂。

3.2 主要配套設(shè)備的選擇

為了減少系統(tǒng)的熱損失以及屋面實際情況，屋面配置的60 t與30 t兩個熱水箱均需考慮保溫。每個集熱系統(tǒng)單元采用1臺熱水循環(huán)泵，作為太陽能集熱系統(tǒng)循環(huán)動力。其流量根據(jù)集熱系統(tǒng)單元內(nèi)集熱器數(shù)量確定，其揚(yáng)程根據(jù)最遠(yuǎn)環(huán)路確定。根據(jù)計算，其選型見表1。

3.3 系統(tǒng)運(yùn)行工況

太陽能聯(lián)集式中央熱水系統(tǒng)設(shè)計為5個部分。分別是：太陽能集熱器、熱水系統(tǒng)循環(huán)、保溫水箱、太陽能控制系統(tǒng)及蒸汽加熱系統(tǒng)。

在太陽能集熱器的溫度（T1）達(dá)到設(shè)計設(shè)定溫度（如 60 ℃）時，熱水循環(huán)泵開始工作，將儲水箱的冷水傳輸?shù)郊療崞鲀?nèi)，此時集熱器內(nèi)的熱水被頂?shù)奖厮渲校?dāng)T1的溫度達(dá)到45 ℃時，循環(huán)泵停止工作。而水箱內(nèi)的水溫達(dá)到設(shè)計的設(shè)定水溫時，此時進(jìn)行差溫循環(huán)，即T1的溫度比水箱內(nèi)水溫（T2）高10 ℃時，循環(huán)泵開始工作，水箱內(nèi)的熱水被抽到太陽能集熱器內(nèi)繼續(xù)加熱。為了保證陰雨或寒冷天氣時可保證足夠的熱水，系統(tǒng)需要配備輔助加熱系統(tǒng)，本方案采用蒸汽輔助加熱方式。當(dāng)水箱水溫低于設(shè)定溫度時，送至換熱間的水將經(jīng)過蒸汽加熱器加熱達(dá)到設(shè)計溫度后，送至各用水點。在冬季運(yùn)行時啟動低溫循環(huán)系統(tǒng)：循環(huán)水泵可以自動啟動，當(dāng)管道管溫<10 ℃，循環(huán)水泵將熱水傳輸至保溫水管內(nèi)，管溫達(dá)到35 ℃時，循環(huán)水泵則自動停止。同時，系統(tǒng)內(nèi)配備節(jié)能監(jiān)測監(jiān)控儀表和系統(tǒng)故障告警，系統(tǒng)所有的監(jiān)測、監(jiān)控、保護(hù)功能均由自動化控制系統(tǒng)實現(xiàn)。

4 結(jié) 語

太陽能利用技術(shù)和產(chǎn)業(yè)已由技術(shù)開拓期步人蓬勃發(fā)展時代，一個大規(guī)模利用太陽能的新時代—太陽能時代正在來臨。煤礦是能耗大戶，太陽能在煤礦的供熱系統(tǒng)中利用只是太陽能在煤礦中利用的起步階段，隨著技術(shù)的發(fā)展，太陽能必然將在煤礦的更多領(lǐng)域得到利用。

參考文獻(xiàn)：

[1] 胡潤青，李俊峰.全球太陽能熱水器產(chǎn)業(yè)與技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r及啟示[J].太陽能，2007，（2）.

[2] 羅運(yùn)俊，何梓年，王長貴.太陽能利用技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

[3] 李俊峰，王斯成.2007中國光伏發(fā)展報告[M].北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社，2007.

[4] 鄭瑞澄.我國太陽能建筑[J].太陽能，1999，（4）.

[5] 王長貴.中國光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)與市場[J].太陽能學(xué)報（特刊），1999，（2）.