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案例 | 河北某农村太阳能+土壤蓄热池蓄热区域供热方案
时间:2018-05-29 来源:互联网
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加拿大某太阳能区域供热示范研究项目,于2007年投入使用并进行实际测试,连续测试5年。实测数据表明集热器效率稳定在33%,储热效率为55%左右,太阳能保证率逐年递增最终达到97%,辅助能最终达到零使用。本方案根据加拿大区域供热示范研究项目,结合河北地区农村建筑实际情况,现提出一种"太阳能-土壤池跨季蓄热供热"的区域供热方案。
 
方案优点
 
1、集中供暖,供热质量高,供热稳定不间断,给用户提供舒适的室内环境。节约能源,减少大气污染,保护环境;
 
2、充分利用土壤蓄热池储存春夏秋三季闲置的太阳能,在冬季为项目供热。随着项目的长久运行太阳能保证率逐年提高,最终可达到95%以上。可实现零辅助能供热,运行费用极低;
 
3、安全可靠性高。系统机械运动部件少,没有安全隐患,寿命长。
 
供热范围
 
以石家庄周边一个自然村为例,在村庄合适位置建设集中供暖能源站,并对能源站进行了各项分析。其中设定自然村共50户,每户平均采暖面积100m²,总采暖面积5000m²。
 
(1)室外设计参数
 
冬季大气压:102020.00Pa;
 
冬季室外供暖计算干球温度:-6.00℃;
 
冬季通风计算温度:-5.90℃;
 
冬季室外空调计算干球温度:-8.60℃;
 
冬季室外空调计算相对湿度:0.54
 
室外平均风速:1.40m/s;
 
最多风向平均风速:1.80m/s。
 
(2)室内设计参数
 
农村住宅室内采暖计算温度与城市建筑的不同,在农村地区人们的工作相对比较自由,在家里也不像城市那样休闲,在家中所穿衣物比城市居民多。所以,按照较低的室内设计温度考虑农村冬季采暖所需,是与农村居民的生活水平以及生活习惯相符合的。农村居民对14℃左右的室内温度普遍认为能够承受,因此,本方案设计冬季室内采暖计算温度以15℃以上考虑。
 
(3)围护结构参数
 
根据实际调研情况设定:
 
外墙:240mm砖墙,内外抹灰;
 
外窗:北墙无外窗,南侧卧室及客厅窗户尺寸2500mm×2400mm。单层塑钢窗;
 
外门:木框单层玻璃门,玻璃比例60%~70%;
 
屋顶:预制钢筋混凝土2500屋顶,外刷水泥砂浆。
 
(4)供暖热负荷
 
利用鸿业软件,对热用户进行负荷计算,综合热指标为85W/㎡,考虑同时使用率,本项目总热负荷为340kW。
 
本方案供暖能源站集中供暖的工作原理:利用安装在土壤蓄热池上方的太阳能集热器进行热量采集,将收集到的热量通过管网输送到能源站及地下土壤蓄热池。根据不同季节可利用太阳能数量的不同,分别设置了短期(临时)太阳能蓄热储能水箱以及跨季节太阳能储能土壤蓄热池,以提高太阳能的利用率。在冬季阳光充足的天气,利用短期(临时)太阳能蓄热储能水箱直接供热;冬季其余的采暖用能,则由储存在土壤蓄热池中的热量来满足。同时,为保障用能安全,在供暖能源站内设置有空气源热泵机组辅助供能。
 

图:太阳能土壤池蓄热池运行原理
 
(1)能源站
 
在合适位置设置集中供暖能源站,内设短期(临时)储热水箱、主管道、空气源热泵等,能源站外安装设置太阳能集热器。
 

图:能源站
 
(2)太阳能采集系统
 
采暖系统的能源由安装在土壤蓄热池上方的太阳能集热器提供。
 

图:太阳能平板集热器
 
采暖系统集热器总面积应按下式计算:
 

 
采暖计算公式
 
式中:
 
Ac--直接系统集热器总面积(㎡):
 
Q h--建筑物耗热量(W):
 
Jt--当地集热器采光面上的平均日太阳辐照量[J/(㎡•d)],按规范取值[J/(㎡•d)]:
 
ηcd--基于总面积的集热器平均集热效率(%),按标准规范计算50%:
 
ηL--管路及贮热装置热损失率(%),取值20%。
(3)能源短期(临时)储存系统
 
能源中心内设置短期(临时)太阳能蓄热储能水箱,它主要有两个功能:一是作为热量储存和释放的缓冲装置,减缓热流速度;所有热量的进、出都必须通过此,而不是直接进入小区管网;二是在阳光充足的季节储存少量的热能供即时使用,避免将热量储存到土壤蓄热池后由于传输和储藏过程中带来热量损耗,提高效率。
 
考虑到短期(临时)太阳能蓄热储能水箱的造价和将来的维护费用,本方案设计使用较低造价,大小为30m³的储热水箱,而不是一个造价昂贵的大储存罐。
 
(4)土壤池蓄热系统
 
冬季平均20%的热负荷由太阳能即时供热来满足,剩余80%的热负荷由土壤蓄热池来提供。其中采暖期共120天,每天供热24小时,部分负荷天数系数采用0.65。
 
1)每立方米土壤热池(采暖期可释放)蓄热量
 
其中:
 
土壤容重:1.2~1.4g/cm;
 
土壤比热容:0.84~0.94kJ/(kg·℃);
 
土壤热池温降:65℃降至35℃。
 
2)每眼储热井有效容积
 
土壤蓄热池内间距2.5米,深度为35米。
 
1.25×1.25×π×35=171.8 m,,约170 m。
 
土壤蓄热池根据所需蓄热池供热负荷,计算所需蓄热井数,井深35m。蓄热池顶层覆盖保温材料、保温膜以及0.5米厚的种植土。井内采用φ32×3 PE100双U型管进行储热。
 
在能源站内设置空气源热泵采暖机组,在太阳能储能不足的情况下,保障系统用能安全辅助供能。
 

图:辅助热源系统
 
集中供热管网直埋敷设已是一种成熟的敷设方式,其优点是占地面积小,防水性能及保温性能好,热损失小,使用年限长,工程造价低,节省建材、安装施工方便快捷,节省投资。结合农村实际情况,采用直埋加架空相结合的敷设方式。根据各相关规范,对各连接、热补偿方式进行规范化设计,并进行专业的水力计算、保温层厚度计算。
 

图:集中供热管网布置示意图
 

图:集中供热管网直埋敷设示意图
 
本方案初投资主要包括能源站内管网、设备,能源站外太阳能集热器、土壤蓄热池,以及从能源站到各用户的集中供热管网。
 

图:初投资分析表
 
预期总投资为214万元,平均每户4.28万元。
 
以室内温度达到15℃以上,建筑做节能改造为前提。项目运营前几年,土壤蓄热池温升不够,运行费用与"太阳能+空气源热泵供热系统"运行费用相当,太阳能利用率约为9~11元/㎡;运行几年后,可实现零辅助供能,运行费用约为5~7元/㎡,运行费用极低。

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