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北方寒冷地区太阳能工程案例分析

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发表于 2017-4-10 13:45:42 | 显示全部楼层 |阅读模式
一、案例简介  

中国人民解放军65935部队营房位于北纬50.14度的黑河。 黑河地处黑龙江省北部,北邻中国最北端的大兴安岭,是我国纬度最高的地区之一,属大陆性季风气候。黑河夏季温和、短暂而多雨,冬季寒冷、漫长。年平均气温仅为零下1.3到0.4℃,日最高气温38.2℃,最低气温零下40℃,平均降水量为500毫米左右,多集中在夏季。冬季的黑河气温常在零下25-35℃左右,极端最低气温可达-45℃,气候环境恶劣。

场地情况:该工程是中国人民解放军15吨太阳能热水系统,浴室为平房建筑,浴室在水箱间西侧,热水箱使用原有水箱,水泵及换热器安装在水箱间东侧锅炉房除尘间,与水箱间一墙之隔;集热器安装在锅炉房北面空地,与锅炉房隔一条6m宽水泥路面公路,安装时须将用于集热器安装的空地上的树进行移植,管道须将水泥路面破开进行深埋,然后自锅炉房北墙进入锅炉房。

未安装时现场

未安装时现场

图1  未安装时现场

用水要求:1-3月份约400人洗浴,其它时间约200人洗浴;按甲方要求夏季每天提供热水15吨,冬季每2-3天提供热水15吨;水箱基础温度为10度,水箱终止温度为50度;要求管道增压循环,在阴雨天或辐照量不足情况下由燃煤锅炉进行辅助。

集热器安装现场.jpg
图2  集热器安装现场

按照计算需要暗348m2太阳能,考虑本工程带有实验性,经协商一期实际安装平板集热器160m2。工程完工时间是2011年8月,至今运行正常。维修记录一次(水泵烧毁,甲方已经处理。故障原因不明)。


二、工程环境   

环境参数如下:
表1  黑河太阳能年辐射量(参照呼玛数据)


太阳能年辐射量

4409.2(MJ/㎡)

年平均日辐射量

12.08(MJ/㎡)

地理北纬

地理东经

年日照时数

50.14°

127.29°

2535小时

表2  黑河基本气候状况(据1971-2000年资料统计)
平均
温度
极端
最高温度
极端
最低温度
平均
降水量
降水
天数
平均
风速
毫米
米/秒
1月
-23.2
-0.5
-44.5
4.1
7.1
2.7
2月
-18.0
7.1
-40.9
3.0
4.3
3.1
3月
-8.3
20.4
-32.8
5.7
4.8
3.5
4月
3.5
26.1
-19.1
25.2
8.0
3.9
5月
11.9
5.1
-8.4
41.1
10.4
3.8
6月
18.2
35.6
1.7
86.0
13.4
2.8
7月
20.8
37.2
7.9
131.0
14.0
2.5
8月
18.3
33.2
4.0
121.4
13.8
2.5
9月
11.6
31.1
-5.3
65.4
11.8
3.0
10月
1.9
24.2
-19.1
23.5
6.8
3.5
11月
-11.2
12.5
-32.8
9.1
6.9
3.1
12月
-20.9
1.0
-38.9
6.3
8.7
2.6





三、工程计算   

1.太阳能集热器面积计算:
根据当地太阳能辐照度精准的计算得,太阳能面积取最大值348㎡,太阳能系统日得热量:冬季为203853 Kcal/d,夏季为540000 Kcal/d.

2.板式换热器面积计算:

表3  换热器传热系数

换热器类型
盘管式换热器
水套式换热器
板式换热器
传热系数w/㎡℃
320-410
150-300
1000-3500




根据月平均太阳能辐射量表,5月份为太阳能辐射最强。经过计算,在5月份太阳能集热系统与水箱的小时换热量为101332w,换热器结垢修正系数取0.8,换热器传热系数通过上表取板式换热器值2650,换热设计温差取8℃,根据上式计算得出结果:太阳能系统板式换热器的换热面积为5.9㎡。该计算结果与广州捷玛换热设备有限公司提供的计算结果基本吻合。工程实用中,集热器无过热。

3.膨胀罐计算:

通过对整个系统集热容积的计算和管道容积的计算,由此计算出膨胀罐的容积以及安装高度,计算过程精准严谨,正确的膨胀罐选择是系统安全的前提条件;

4.辅助加热计算:

辅助加热由于是采用部队原有的燃煤锅炉,故我们仅对现有燃煤锅炉的制热量进行核算,结果是大于系统所需的制热量的,故选用原有的燃煤锅炉对系统使用没有影响;

5.管路及水泵计算:
管路的选择是根据系统所需流量而定,水泵的选择是依据系统管路的阻力,水的流速,阀门阀件的阻力,高度落差等参数计算出满足系统需要的扬程及流量,由此确定水泵型号的选择;

四、程使用情况    

该工程的使用管理单位是营房管理处,具体负责人是刘助理,电话18704560660。从工程完工至今,我们保持良好沟通,随时掌握系统运行状况,以验证工程设计和施工,提高设计水平。

由于本工程的一期安装只做了设计能力的一半,因此,系统在冬季供热能力显得不足。以下为用户在使用半年后的反馈。

五、类似工程方案设计实施注意要点

工程的设计实施需注意以下几点:
1.耗热计算时要充分考虑环境因素影响,结合业主方要求,最后核定;
2.得热计算及系统设计时,特别注意考虑环境温度、太阳高度角、管道保温损失等因素。类似工程的重点在于保温,而不是得热;

太阳能平板集热器支架

太阳能平板集热器支架




3.北方工程的设计,建议采用全年供水的太阳能计算方式,建议不使用冬季供水的太阳能计算方式,以降低投入,并避免夏季过热;

4.在方案设计中,安全、防冻要格外注意;所有安全部件的选用以及防冻措施的选择都要经过计算和验证;

5.由于本方案的施工地区寒冷艰苦,本身工程难度较大,在施工中任何疏漏都会对系统造成难以估计的影响,故必须严格施工管理,务必保证设计能够完美的实现,使系统能够到达预期的效果运行;工程现场管理对质量检测的要求是100%满足设计及施工要求;99.99%的保证率等于垃圾工程。

6.现场项目管理人员,要求具备工程施工的全面的操作技能;一个外行的施工管理带着马路施工队做出来的不会是优质工程;

7.采用间接循环使用优良的太阳能专用防冻液作为介质,使系统在零下40℃的极寒条件下依然能够正常运行;

8.系统保温在本工程中至关重要,水箱、管路、阀门阀件等系统设备的保温均作加厚加层处理,保温材料采用计算或者类比确定;裸露管道尽可能采用埋地防冻,埋地深度大于当地冻土层深度;

9.本系统采用手动和自动两种控制模式,自主开发的智能控制器能全天候自动控制;工程尽可能做到零维修,施工过程中同步完成对业主方使用维护人员的培训。从施工管理的角度,任何原因的工程返修都是不允许的。太阳能工程中有两个三七开:三分的产品,七分的工程;三分的设计,七分的安装。个中原由,仁者见仁,智者见智。



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