0前言
隨著(zhù)人們生活質(zhì)量的提高，環(huán)保意識加強，原來(lái)采用鍋爐加熱工業(yè)用水設施消耗大量常規能源，運行費用也比較高昂。為了解決上述問(wèn)題，本項目采用太陽(yáng)能等設備來(lái)解決，太陽(yáng)能是一種環(huán)保、無(wú)污染、可再生的清潔能源，充分利用太陽(yáng)能將可節省運行費用。本項目是太陽(yáng)能應用領(lǐng)域的又一次嶄新的嘗試，又是太陽(yáng)能在工業(yè)用水加熱中的成功應用典范。本文以浙江亞太特寬幅印染有限公司（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“亞太特寬幅”）工業(yè)用水太陽(yáng)能供熱系統為例談一下該項目設計思路與理念。
1項目背景概述
亞太特寬幅坐落于江南水鄉名鎮浙江省紹興縣安昌鎮，緊鄰亞洲最大的輕紡市場(chǎng)——中國輕紡城，為國家重點(diǎn)高新技術(shù)企業(yè)。亞太特寬幅年產(chǎn)各類(lèi)全棉、麻、棉麻、粘麻、化纖等中高檔特寬幅產(chǎn)品，并具有各種寬幅的服飾面料、裝飾用布、床上用品等印花和染色的能力?，F有24臺印染設備日需求90℃和120℃熱水5600t（退煮漂聯(lián)合機、絲光機、水洗機、軋染機：水溫90℃；染缸：水溫120℃）?，F該廠(chǎng)消耗蒸汽年均每日900多t，工業(yè)廢水余熱沒(méi)有經(jīng)過(guò)回收利用，能源消耗嚴重。為響應國家節能減排號召，將節能減排付諸實(shí)際行動(dòng)，也為了節省企業(yè)的能源費用，從而取得更大的經(jīng)濟效益，亞太特寬幅積極推進(jìn)太陽(yáng)能利用，采用太陽(yáng)能供熱系統節能改造及余熱回收利用項目。
亞太特寬幅計劃采用太陽(yáng)能光熱（太陽(yáng)能供熱系統）和余熱回收提供主要的工業(yè)用水加熱需求。
經(jīng)過(guò)土建、鋼結構整改后的可利用廠(chǎng)房屋面空間約50000㎡。該項目建設期預計為15個(gè)月，太陽(yáng)能系統將分期建設（一期、二期），一期現已實(shí)施完畢，已正常運行，效果良好。
2項目實(shí)施要點(diǎn)
2.1本項目實(shí)施依據參照的國家標準、浙江省和當地氣象資料
GB/T18713-2002《太陽(yáng)熱水系統設計、安裝及工程驗收技術(shù)規范》
GB 50364-2005《民用建筑太陽(yáng)熱水系統應用技術(shù)規范》
GB50015-2003《建筑給水排水設計規范》
GBJ1788《鋼結構設計規范》
GB50275《壓縮機、風(fēng)機、泵安裝工程施工及驗收規范》
查有關(guān)資料，紹興市：緯度30º14′，經(jīng)度120º10′。
表1 紹興市全年各月平均室外氣溫/當地緯度斜面上的月平均日太陽(yáng)輻照量MJ/（㎡·d）
|
月份 |
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/m |
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 |
2.2項目實(shí)施方案
2.2.1總體概括
本項目設計采用50000㎡的太陽(yáng)能供熱系統和余熱回收系統結合使用，晴好天氣（日輻照量17MJ/㎡時(shí)）滿(mǎn)足日提供60℃5000t熱水，不足部分和陰雨天氣由蒸汽系統供給所需熱量。
太陽(yáng)能集熱模塊在定型車(chē)間、前處理車(chē)間、染色車(chē)間和印花車(chē)間的屋頂鋼構架上進(jìn)行安裝鋪設。安裝時(shí)，太陽(yáng)能適當傾斜，之間留有一定的間距，保持光照、安全和通風(fēng)。
本太陽(yáng)能項目：由若干個(gè)小單元組成一個(gè)系統，再由若干個(gè)系統組成一個(gè)大的集成系統，最后統一集成控制。
2.2.2系統設計原則
高效先進(jìn)性：保持系統的高效運轉，最大化優(yōu)先利用太陽(yáng)能，力求5～10a內該項目保持國內和國際領(lǐng)先，本項目采用國際先進(jìn)的德國西門(mén)子集成控制系統，將太陽(yáng)能系統和余熱回收系統集成，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(shù)成熟的太陽(yáng)能和集成控制設備，結合完善的施工和保護措施來(lái)提高太陽(yáng)能系統的整體安全性和供熱水可靠性。
和諧美觀(guān)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(fēng)格和美學(xué)觀(guān)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，體現對可再生能源利用的重視，因此本項目重點(diǎn)考慮了能源循環(huán)利用的展示性，本項目建成后將成為國內規模較大的太陽(yáng)能工業(yè)用水項目，將起到良好的展示效果，向相關(guān)企業(yè)、單位、市民直觀(guān)展示綠色能源的有效、循環(huán)利用，宣揚節能環(huán)保理念。
2.2.3技術(shù)運行
本項目采用直流式定溫加熱太陽(yáng)能系統：太陽(yáng)能將經(jīng)過(guò)凈化的冷水加熱到設定的溫度（60℃左右）后進(jìn)入儲熱水箱，再將儲熱水箱的熱水泵至用水設備，利用蒸氣加熱至90℃～120℃。經(jīng)過(guò)印染設備使用的污水進(jìn)入污水處理池，通過(guò)熱交換器將污水的熱量充分利用，再進(jìn)入儲熱水箱。
本項目既充分利用了太陽(yáng)能系統，又充分解決了污水余熱再利用的問(wèn)題，減少原污水直接排放對地表的危害，降低了對大地熱能的排放，保護了地表的原生態(tài)，真正體現節能環(huán)保。
2.2.4系統控制方式
1.太陽(yáng)能自動(dòng)補水：太陽(yáng)能溫度達到設定值時(shí)，冷水電動(dòng)閥自動(dòng)打開(kāi)補水；直至太陽(yáng)能末端溫度點(diǎn)低于設定值；
2.太陽(yáng)能定溫加熱：太陽(yáng)能溫度達到設定值時(shí)，熱水自動(dòng)保存在儲熱水箱內；
3.輔助熱源：儲熱水箱熱水經(jīng)過(guò)水泵泵至設備水池內，溫度不足時(shí)，蒸氣自動(dòng)加熱至設備所需溫度；
4.余熱回收利用：余熱回收設備將余熱回收至儲熱保溫水箱內；
5.系統內部局域監控：可利用電腦遠程監控。
2.2.5系統其他技術(shù)措施
防雷：系統按照三類(lèi)民建防雷、漏電設計，系統與建筑接地網(wǎng)可靠接地；
防震：系統與建筑之間連接可靠，按抗風(fēng)10級標準設計施工，防震防裂90；
防火：系統設備、配件均采用不燃或阻燃材料，電器部分按照國家規范設計、施工，太陽(yáng)能系統場(chǎng)地預留消防通道；
氣密安全：太陽(yáng)能按照國家標準生產(chǎn)、檢驗，保證出廠(chǎng)產(chǎn)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(shí)完全按照國家標準規范進(jìn)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15a以上的防腐要求；
防漏水：系統在安裝時(shí)，太陽(yáng)能炸管漏水有可靠的預防措施，同時(shí)屋面也做防水處理；
防水質(zhì)污染：本系統設備、管道等材料均采用符合國家標準的材質(zhì)，水質(zhì)污染可能性為零；
自然光處理：考慮到屋頂太陽(yáng)能設備會(huì )對建筑本身的自然光有一定的遮擋，本項目考慮在北向的屋頂鋪設防水反光材料，既保證了建筑本身的防水要求，又保證了建筑本身的自然采光，保證了生產(chǎn)工藝的嚴格要求。
2.2.6本項目工藝流程
本項目采用直流式定溫加熱太陽(yáng)能熱水工程系統：經(jīng)過(guò)若干個(gè)系統和單元（一棟建筑5個(gè)單元組成一個(gè)系統，13棟建筑共計13套太陽(yáng)能供熱系統）組成的太陽(yáng)能系統將冷水加熱到設定的溫度（60℃左右）后進(jìn)入保溫儲熱水箱，再將保溫儲熱水箱的熱水，泵至用水設備，再利用蒸氣加熱至90℃～120℃。經(jīng)過(guò)設備使用的污水進(jìn)入污水處理池，通過(guò)熱交換器將污水的熱量經(jīng)過(guò)換熱后充分利用，再進(jìn)入保溫儲熱水箱。
太陽(yáng)能工業(yè)用水加熱系統流程
2.2.7關(guān)鍵設備選型
2.2.7.1太陽(yáng)能集熱模塊選擇
目前國內的太陽(yáng)能光熱元件掌握了核心技術(shù)，在國際上處于領(lǐng)先水平，本項目采用具有領(lǐng)先水平的天普太陽(yáng)能集熱設備。
本項目采用高性能全玻璃真空管太陽(yáng)能集熱器，密集式排列，吸熱快，效率高。
1. 真空管：采用國際具有領(lǐng)先水平的高效全玻璃真空集熱管，性能參數，見(jiàn)表2：
表2 真空集熱管性能參數
|
項目名稱(chēng) |
性能參數 |
備注 |
|
長(cháng)度/mm |
1800 |
符合國標 |
|
罩玻璃長(cháng)度/mm |
58 |
符合國標 |
|
壁厚/mm |
1.5/1.6 |
優(yōu)于國標 |
|
膨脹系數 |
3.3×10–6 |
優(yōu)于國標 |
|
罩玻璃的透射率 |
≥0.95 |
優(yōu)于國標 |
|
吸收體 |
濺射漸變鋁-氮/鋁 |
優(yōu)于國標 |
|
太陽(yáng)吸收比 |
≥0.96 |
優(yōu)于國標 |
|
發(fā)射比 |
≤0.05 |
優(yōu)于國標 |
|
真空度 |
≤5×10–2Pa |
優(yōu)于國標 |
|
空曬度 |
≥250℃ |
優(yōu)于國標 |
|
平均熱損系數 |
≤0.52W/㎡·℃ |
優(yōu)于國標 |
|
抗冰雹能力 |
D25mm冰雹沖擊不破損 |
優(yōu)于國標 |
|
耐壓能力/MPa |
≥0.6～0.8 |
優(yōu)于國標 |
2.太陽(yáng)能集熱器內膽：0.8mm厚度304/2B食品級不銹鋼，不影響水質(zhì)；全自動(dòng)高頻氬弧焊接，質(zhì)量可靠，壽命長(cháng)，可達12a-15a；
3.太陽(yáng)能集熱器保溫：采用進(jìn)口高壓發(fā)泡設備，無(wú)氟聚氨酯整體發(fā)泡保溫，發(fā)泡均勻，閉孔率超過(guò)98%，保溫性能良好；
4.聯(lián)箱外膽：采用優(yōu)質(zhì)不銹鋼材質(zhì)，耐腐蝕，壽命長(cháng)；
5.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。
2.2.7.2．太陽(yáng)能集熱器性能規格參數(見(jiàn)表3)
表3 太陽(yáng)能集熱器性能規格參數
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項目名稱(chēng) |
指標 |
國家標準 |
備注 |
|
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型號 |
58（mm）×1800（mm） |
|
符合國標 |
|
|
真空管/支數 |
50 |
|
符合國標 |
|
|
集熱器接口 |
DN25 |
|
優(yōu)于國標 |
|
|
保溫材料 |
熟化聚氨酯 |
|
優(yōu)于國標 |
|
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承受壓力/kg/㎡ |
0.6 |
0.5 |
優(yōu)于國標 |
|
|
占地尺寸 |
2000（mm）×3300（mm） |
|
優(yōu)于國標 |
|
|
聯(lián)
箱
參
數 |
內膽材質(zhì) |
0.8mm厚度304/2B食品級不銹鋼 |
優(yōu)于國標 |
|
|
外皮材質(zhì) |
采用優(yōu)質(zhì)不銹鋼材質(zhì)，耐腐蝕，壽命長(cháng)。 |
優(yōu)于國標 |
||
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保溫材料 |
采用進(jìn)口高壓發(fā)泡設備，無(wú)氟聚氨酯整體發(fā)泡保溫，發(fā)泡均勻，閉孔率超過(guò)98%，保溫性能良好。 |
優(yōu)于國標 |
||
2.2.7.3工業(yè)余熱回收設備
本項目采用全球具有領(lǐng)先換熱技術(shù)的美國舒瑞普工業(yè)余熱回收設備4套，日換熱污水處理5000t。
2.2.7.4本項目工業(yè)控制系統
本項目采用全球工業(yè)控制系統知名品牌德國西門(mén)子工業(yè)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(yè)控制設備（13套PLC工業(yè)控制設備對由若干單元組成的系統A、B、C、D等進(jìn)行控制）。1套計算機自動(dòng)監控設備實(shí)現13套太陽(yáng)能系統進(jìn)行整合，實(shí)現對13套太陽(yáng)能系統整體監測和控制。
2.7.5工業(yè)水泵
采用80%材質(zhì)能夠再利用的國際名牌丹麥格蘭富工業(yè)水泵，該泵噪音低，性能穩定可靠，使用壽命長(cháng)。
2.2.7.6工業(yè)用電動(dòng)閥
選用德國J+J工業(yè)用電動(dòng)閥，該電動(dòng)閥動(dòng)作靈敏準確，性能穩定可靠。
2.2.7.7保溫儲熱水池
本項目保溫水池的整體容積5000t。
2.3項目配套工程
1.供水：利用廠(chǎng)內市政管網(wǎng)供水管道，不足時(shí)申請市政管道。
2.供電：利用廠(chǎng)內電力，不足時(shí)申請市內電力。
3.供氣：仍采用熱電余熱蒸汽作為二次加熱。
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(guò)濾池建造、半地下保溫儲水池改造等。
3項目效益分析
3.1有關(guān)節能計算公式及參數
3.1.1測算公式
Q = cmΔT /η；
式中： Q：熱量 KJ。
c：水的比熱 1KJ/(kg·℃)
m： 加熱水量，kg；
ΔT: 加熱溫差 ℃。
η：熱效率，無(wú)量綱。
3.1.2基礎數據
亞太特寬幅日用水量：5600t，用水溫度：90℃/120℃，冷水溫度：10℃
1t蒸氣熱值：1t蒸氣=700kW/h
按照75%的熱效率計算：700kW×860（KJ/Kw/h）×75%＝451500KJ
3.2項目經(jīng)濟效益分析
3.2.1每日將5600t10℃冷水加熱到90℃需要蒸氣量：
M1= cMΔT /Q蒸汽=1×5600×1000×（90-10）/451500=992.3 t；
3.2.2 600t10℃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=106.3t
3.2.3 5600t60℃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=372.1t
3.2.4 5600t10冷水加熱到90℃熱水，在沒(méi)有太陽(yáng)時(shí)日使用蒸氣量為 992.3 t，有太陽(yáng)能時(shí)日使用蒸氣量 478.4t，每日節約蒸氣513.9t，折合33.2t標煤。
綜上分析：1.本系統投資預算約6000萬(wàn)元，蒸汽按160元/t，日節約費用8.2224萬(wàn)元； 2.每年按照250d晴好天氣計算：年節約費用2055.6萬(wàn)元； 3a～4a將可收回投資成本。 3.本系統可使用10a以上，10a內可節約費用2.0556億元。
太陽(yáng)能系統的使用壽命在12a以上（一般可用12～15a）。由此可見(jiàn)，安裝太陽(yáng)能供熱系統的經(jīng)濟效益非常顯著(zhù)。
3.3.項目環(huán)境效益分析
太陽(yáng)能熱水系統使用壽命在12a以上，本項目實(shí)施后（按15a壽命計算），可節約標煤約124.5萬(wàn)t，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(huán)保節能效果。該太陽(yáng)能供熱系統無(wú)污染、無(wú)噪音、無(wú)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(shí)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(tài)環(huán)境，環(huán)境效益顯著(zhù)；還能較大幅度地減少煤炭或其他化石燃料的消耗。
3.4項目社會(huì )效益分析
1.不占用土地資源，與建筑相結合的節能項目；
2.減少污染源的產(chǎn)生，增加消費者、企業(yè)自身、上下游合作伙伴的信任度；
3.通過(guò)良好的集成設計，減少了常規能源帶來(lái)的資金、污染壓力，展示對環(huán)境、節能減排的重視態(tài)度。
以太陽(yáng)能作為熱源提供生活熱水符合資源可持續發(fā)展的要求，GB50015-2003《建筑給水排水設計規范》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(yè)余熱、廢熱、地熱和太陽(yáng)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(yáng)能及電能、燃氣、蒸汽等” ；同時(shí)采用太陽(yáng)能供熱系統符合國家環(huán)保政策，利國利民，一次投資，長(cháng)期受益。太陽(yáng)能供熱系統的節能、環(huán)保、安全與社會(huì )發(fā)展潮流相符合，太陽(yáng)能供熱系統的廣泛應用，獲得了良好的社會(huì )效益。
圖1 項目一期安裝運行后實(shí)景