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太阳能游泳池安装与辅助能源匹配

分类:技术支持 标签: 2016年11月19日 下午 9:47

上海太阳能工程-上海镁双莲太阳能公司135-6460-1168是一家以太阳能热水器生产为主的太阳能工程厂家,公司在太阳能行业有做过的工程案例有:平板太阳能热水器,阳台壁挂式太阳能热水器,分体太阳能,平板分体太阳能热水器工程,等,公司承接太阳能热水器工程,太阳能采暖,太阳能发电,太阳能空调等。
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一、工程概述
1.基本情况
盐城地处江苏中部,属北亚热带季风气候,气候温和湿润,四季分明;日照充足;冬夏较长,春秋较短。全年日照时间为1400-2200小时,太阳年辐射总量在4200-5000MJ/㎡.年,具有较丰富的太阳能资源。
根据当地丰富的太阳能资源,学生公寓游泳池设计配备太阳能系统与热泵相组合,为游泳池热水进行能源补充。本太阳能热水工程全天候按24小时热损降温补偿保持热水,保证使用功能。这对游泳池的换热系统和整套设备的性能、太阳能系统的热效率和安全节能、环保与供水可靠性均有较高的要求。
2.用户要求
游泳池容水量约为430吨,热泵在初次加热后,室内游泳池保持水温27℃,由于散热等原因水温平均降温3℃时,太阳能储热水箱热水与游泳池换热循环泵自动打开,通过板式换热器向游泳池补充热量;当游泳池温度超过27℃时,循环泵停止运行。
二、太阳能游泳池应用概述
太阳能游泳池由太阳能加热系统、辅助能源系统、换热器、水处理净化消毒系统、控制系统等组成。泳池对太阳能的利用主要是集热系统将太阳能转化为热能对游泳池水加热,并提供淋浴用热水,与过滤、消毒系统配合使用,通过管道泵的作用,不断地使补水调节箱中的水循环通过太阳能集热板在太阳能集热板吸收能量,使水温升高后作为游泳池换热器的热媒不断通过换热器进行换热。当换热进水水温达到设定温度后管道泵停止工作。当二次换热进水水温低于设定之后,温度传感器传递信号给自控仪,自控仪发出指令,管道泵又开始工作,如此不断循环达到池水恒温作用,同时满足用户对游泳池加热和淋浴的要求。
太阳能热水项目是太阳能热利用技术中最成熟的技术;但太阳能加热游泳池与太阳能热水洗浴的原理不同,太阳能热水洗浴是将冷水加热到40℃以上,储存在水箱内,供洗浴时使用;而太阳能加热游泳池则需要将大约26℃的游泳池水通过太阳能热源交换加热后,又回到游泳池,以补充游泳池的散热,维持游泳池水温不降低。由于不同季节气温不同,游泳池的散热量随季节变化很大,冬季散热量最大,夏季散热量最小。当按满足春秋季设计太阳能采光面积时,冬季不足,夏季富裕,因此应配置辅助能源加热,以满足夏季太阳能过剩时的能量利用及冬季或其它季节光照不足(阴雨天)时的辅助加热问题。
系统设计应考虑:
优先利用太阳能源,当太阳能不足时,再利用辅助能源补充热能。
在保证系统加热和用热水安全的前提下,系统既能加热游泳池池水,又能提供洗浴热水。
全程系统控制的全自动化、智能化、可靠性。
建筑物与太阳能系统的合理匹配。
三、工程设计方案
1.系统耗热计算
依据国家给排水设计规范,热水温度按60℃,根据太阳能热利用特点及投资经济性,盐城地区自来水温度15℃。
太阳能集热系统升温△T=60℃-15℃=45℃
本太阳能热水系统采用真空管太阳能热水器,真空管外径为Ф47mm,内外管均采用高硼硅3.3玻璃,有效抗击高温炸管;真空管在25mm冰雹袭击下无损坏。能承受0℃以下冷水与90℃以上的热水反复交替冲击后不破裂。真空度不低于5×10-4Pa,对阳光有很高的吸收率(a≥94%)和极低的热发射率(ε<6%),具有集热效率高、热损小、耐高温(400度)、抗高寒(-40度)等特点,集热器春秋产水量45℃~60℃75~80L/㎡•d。
游泳池容积:430m3(平均水深1.5m,水体面积287m2。)
首先计算游泳池的耗热量,主要包括补充水耗热量和泳池散热量(表面蒸发散热、池壁散热等)两部分,太阳能系统供热用于补偿泳池散热量。
游泳池按日耗热量确定太阳能集热器的面积。
游泳池加热所需热量,应为下列各项耗热量的总和:
(1)游泳池和水上游乐池水表面蒸发损失的热量;
(2)游泳池和水上游乐池池壁和池底传导损失的热量;
(3)管道的净化水设备损失的热量;
(4)补充新鲜水加热需要的热量。
(1)、游泳池和水上游乐池水表面蒸发损失的热量
游泳池和水上游乐池水表面蒸发损失的热量,可按下式计算:
Qz——游泳池水表面蒸发损失的热量(KJ/h);
a——热量换算系数,a=4.1868KJ/Kcal;
r——与游泳池水温相等的饱和蒸汽的蒸发汽化潜热(KJ/h);r=582.5
Vi——游泳池或水上游乐池水表面上的风速(m/s);Vi=0.1
Pb——与游泳池水温相等的饱和空气的水蒸汽分压力(mmHg);Pb=25.2
Pc——游泳池的环境空气的水蒸汽压力(mmHg);Pc=14.2
A——游泳池的水表面面积(m2);A=287
B——当地的大气压(mmHg);B=760
代入数值计算得:Qz=1.89×105KJ/h
(2)(3)、游泳池和水上游乐池池壁和池底传导和管道的净化水设备损失的热量
游泳池、水上游乐池的水表面、池底、池壁、管道和设备等传导所损失的热量,按游泳池、水上游乐池水表面蒸发损失热量的20%计算确定,即:
Q=1.89×105KJ/h×20%=0.379×105KJ/h
(4)、补充新鲜水加热需要的热量
游泳池、水上游乐池补充新鲜水加热所需的热量,按下式计算:
Qb——游泳池补充水加热所需的热量(KJ/h);
α——热量换算系数,取α=4.1868KJ/Kcal;
vf——游泳池每日的补充水量(L),vf=21.5m3;
ρ——水的密度(kg/L),ρ=1kg/L;
tr——游泳池水温度(℃),tr=27℃;
tb——游泳池补充水水温(℃),tb=15℃;
代入数值计算得:Qb=1.08×106KJ/d
将以上各项耗热量相加,即为每天需补充的热量:
Qw=Qz•24+Q•24+Qb=0.652×107KJ/d
2.集热面积计算
按池水每天自然降温计算损失的热量:
游泳池430m3水温要求27℃,以每日降温3℃计算,
合计430吨×1000千克/吨×3℃=1290000卡
即每天温降能量1290000卡1290000卡/860=1500kwh
本太阳能热水系统热水负荷8h输出:1500/8=187.5kwh
真空管太阳能集热器能量输出值:0.32kwh/㎡;
盐城日太阳辐照量16.6MJ/㎡×55%=9.13MJ/㎡÷4.1868KJ=2180.7卡÷8
(按日8小时)=272.6卡×1.163×10-3KW/卡=0.32kwh/㎡
187.5/0.32=586㎡即太阳能集热面积应设计为586㎡
3.储热水箱计算
586㎡太阳能按集热板春秋季产水量45℃~60℃75L-80L/㎡•d;
586㎡×75L=43950L(可调减配置42吨水箱一只)
4.辅助能源热泵选型
根据游泳池屋面分两部分,实际现有面积20×6+14×7=218㎡,可安装太阳能187.5㎡(3.125m×2m/组×30组)现场布置图如下:
剩余约400㎡(586㎡-187.5㎡)能量安装空气源热泵匹配,热泵选用清华同方TFS-SKR840(S)型5台,该型号性能热泵产水量为840L/H,
每日按工作10小时计算,每日可提供60℃热水42吨。

5.系统设计
(1)游泳池加热采用温差强制循环太阳能加热系统,实现太阳能加热的智能化。
(2)采用板式换热器换热,使太阳能热水与游泳水换热,避免太阳能直接加热泳池带来的洗浴热水污染。
(3)采用可编程智能控制器,实现上述功能全自动化、智能化,提高控制系统的可靠性,为管理带来方便。
(4)系统功能:
A、自动上水。系统配置全不锈钢热水保温储水箱(也可利用原水箱),水箱上水采用压力传感器,并安装时间控制器和电磁阀。压力传感器根据水箱中的水位高低引起的压强不同发出数字信号,可远距离而不受干扰,与传统浮球式水位控制器相比,有抗冷、热冲击性能好、寿命长、不易损坏、能精确设定及控制水位的高低等优点。因此可按需要设置不同的水箱容积(控制上水高度即可),通过这种方式即可任意组合水箱而不需要每次都开、闭闸阀,上水时间由控制器和电磁阀控制。
B、温差循环。太阳能集热系统控制采用智能自动控制强制循环方式运行。即水箱先上满水后。集热器顶部和水箱底部分别安装温感探头T1、T2,太阳发射集热器后,集热器顶部水温升高,当T1、T2两者的温差△T达到设定值时,水泵启动,将水箱中的冷水抽出顶入集热器,将集热器中的热水顶回水箱;当T1、T2两者的温差△T低于设定值的相对值时(一般为3-5℃),水泵停止工作,完成一次温差循环过程。这样周而复始,使太阳能储水箱的水温逐渐升高。由于平板集热器的高集热,低热损性能,这种运行方式可最大限度的利用太阳能资源,在任何天气条件下尽可能地吸收太阳能,减少辅助能源的使用。
(5).辅助加热(热泵)系统工作原理
辅助加热采用自动控制系统定温出水方式运行,定时、定温控制。水位保护和辅助加热优化组合可最大限度的利用太阳能而减少辅助能源消耗。即当太阳光照度不足,太阳能储水箱的水温没有达到用户设定温度、且在用户设定的启动时间范围内,控制系统会自动启动辅助加热装置加热太阳能储水箱中的水。系统操作简单,维修方便,全自动运行,不需值守,辅以常规能源补热,全天候供热。
1、系统运行原理
对建筑物的要求:
太阳能集热系统安装于建筑物屋顶,要求建筑物屋面活荷载在50kg/㎡以上,建筑物屋面要求光照良好,一年四季阳光均无明显遮挡。
系统运行原理
控制程序采用我公司根据多年太阳能工程安装经验开发的工程专用程序,水箱水量精确,能够根据辅助能源功率、水箱水量水温自动计算辅助能源启动时间,实现太阳能和辅助能源辅助加热的完美结合,优先利用太阳能源,节约常规能源。
系统上水:电控上水系统,根据集热蓄热水箱水位自控上水,满水自动锁闭。集热蓄热水箱水位共分四档,当水箱水位低于3时,系统自动启动上水电磁阀,凉水进入集热蓄热水箱;当水箱水位达到满水位4档时,系统上水电磁阀自动锁闭。
2、太阳能温差循环
集热换热:系统通过对太阳能集热器、换热水箱温度探点自动监测启动集热换热泵。当太阳能集热器与热水箱水温测点超过8℃时,集热换热泵运转,太阳能集热器向热水箱提供热源;当太阳能集热换热水箱水温超过用热水温不足3℃时,集热换热泵停止,集热换热供、回水电磁阀关闭,锅炉供、回水电磁阀开启提供热源。
游泳池加热:由于散热等原因,当游泳池水的温度低于26℃时,并且水箱水温高于设定温度(一般设定为40℃)时,智能控制仪自动控制循环水泵启动,使游泳池较低温度的水与储热水箱内较高温度的水进行换热,当游泳池水温达到设定水温时,循环水泵自动停止。如此不断,使游泳池水温保持在28℃±2℃。
淋浴用热水:打开淋浴喷头,淋浴增压泵自动打开,若淋浴用热水管道末端温度低于38℃时,自动打开回水管道上的电磁阀。当无人淋浴时,增压泵自动停止。
3.其它事项
1)关于面积
本系统太阳能面积是根据用户的要求,在充分考虑满足使用水量,系统维护的方便性、安全、环保等技术与政策要求的前提下,兼顾建筑结构、总体布局合理、美观的角度而确定的。
2)关于系统荷载问题
太阳能阵列(含管道、支架)每平方米平均荷载50kg/㎡,一般要求屋面设计荷载100kg/㎡,因为我们集热器安装于屋顶地带,为此,在设计时必须现场考虑。
3)关于倾角的确定
要使系统年热效率最高,必须尽可能在正午时集热器采光面垂直于阳光,即集热器倾角等于太阳倾角,也就是当地纬度与赤纬角之和。根据气候和纬度条件,应使集热器在冬季和春季能量最大限度地采集太阳辐射能量。
4)避雷(漏电保护)说明
根据当地气象资料,避雷、防漏电对安全使用热水系统特别重要,为此,在设计时也必需充分考虑。
5)风压抗震性
系统结构设计时,应考虑抗台风系数。
6)保温层设计
按照国家有关保温规范及太阳能热水系统有关标准计算,采用聚氨酯发泡、橡塑等保温材料,保温层厚度:储热水箱δ=50mm、热(回)水管δ=25mm,以上保温层厚度均符合有关国家标准。
五、换热器
采用不锈钢板式换热器进行中间换热,使太阳能热水与游泳池水热源交换,避免太阳能直接加热泳池带来的洗浴热水污染问题。
板式换热器是由一组波纹金属板组成,供传热的两种液体通过。将流体通道密封,并且引导流体交替地留至各自的通道内,形成热交换。波纹板不仅提高了湍流程度,并且形成许多支承点,足以承受介质间的压力差。板式换热器具有高性能、省空间、省能源、维护简单等许多优点。
选型的主要任务是计算板式换热器的有效换热面积:
换热面积F,对比温差∆tm,热流量Q
F=Q/(0.8~0.9)K•∆tm=14.4㎡
1、选用型号:BR0.15板式换热器。数量:2台
恒温运行时换热量:165Kw
板片材料:304不锈钢,板片厚度:0.6mm,胶条材质:NBR
单台换热面积F=8平方,2台并联使用
进/出口管径DN50/50
2、选用温度控制系统型号:DN50;
带二通温度调节阀VVF31.89、执行器SKC60、控制器RWD62、传感器QAE2120.010。
六、水净化设备
游泳池循环水处理的要求是水量均匀,布水不产生死角;水质主要是解决浑浊度、细菌及大肠杆菌滋生等问题;因此,考虑到游泳池使用的安全性和卫生性,具有可靠的运行稳定性。
(1)预净化:截留循环水中的较大颗粒固体杂质、毛发和纤维等,避免缠绕泵的叶轮,从而保护水泵不被损坏,砂滤器过滤层不被破坏。
(2)过滤净化:游泳池循环水浑浊度不太高且较稳定,一般宜采用接触过滤进行水净化,选用过滤介质为天然均质石英海砂滤料,一次循环即可达到相关的要求。
(3)加药装置:为提高循环水处理过滤效果,加快池水中微小污物颗粒的絮凝,促进过滤膜的形成。
(4)消毒措施:游泳池池水从卫生方面考虑,设置池水消毒杀菌装置。
(5)水质调节:游泳池池水经过一定的使用周期后,由于人体分泌及加氯消毒会引起水质的PH值降低,即偏酸性,影响水中微颗粒的凝絮和过滤效果,因此必须投加一定量的碱进行中和调节;
七、结论
游泳池的水量较大,从几十吨至几百吨,需要足够的采光面积安装太阳能集热器。要考虑现场建筑的实际条件,与建筑的连接结构,整体感观,承重,抗风等一系列因素。由于采光面积大,集热器数量多,所以还要根据游泳池的当地环境和加热实际负荷,选择其性能价格比最佳的集热器品种。还有太阳光照的不稳定性及昼夜间断性,如果要求保证每天的加热负荷,还必须考虑辅助热源。整个系统的自动运行控制及辅助加热与太阳能系统的自动转换都需要设计合理。
参考文献
1、给排水设计手册(第二册)
2、ISO/TR12596:1995《太阳能游泳池加热设计和安装指南》
3、CECS14:2002《游泳池和水上游乐池给水排水设计规程》
4、GB/T18713-2002《太阳热水系统设计、安装及工程验收技术规范》
5、GB50015-2003《建筑给水排水设计规范》
(作者 陶岩,男,1979年出生,毕业于长江大学(原江汉石油学院),本科,工程师。在江苏光普太阳能工业有限公司从事工程技术工作。)
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