看案例!医院太阳能热水系统,如何节能?

14:10 - 05/08/2020 | 来自: 医疗建筑师联盟

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一、项目概况


      江苏省无锡市妇幼保健院门急诊楼于2009年建成启用。该楼占地面积为2661.5㎡,总建筑面积为35017㎡,大楼地面12层,其中一至六层为门急诊,七至十二层为病房,共有双人病房96间,其中九层设有4间手术室。病房和手术室都需要24h供应生活热水,主要满足住院产妇和医务人员洗澡使用。该楼热水系统原采用水蒸汽(蒸汽按压力0.3Mpa,温度135℃计)直接加热水的方式提供生活热水。本项目设计要求热水量人数按200人计算,每人每天的热水供应量按60L计算,每天热水需求总量为12t,要求24小时定温集中供热水。


图1  屋面太阳能热水系统改造完工图





二、建设目标和意义


为了响应《中华人民共和国节约能源法》和《关于加强国家机关办公建筑和大型公共建筑节能管理工作的实施意见》文件要求,我院针对门急诊楼现有热水系统进行节能改造,改造后采用太阳能热水系统(图1),如果太阳能热能不足,则由蒸汽作为辅助能源,以达到绿色节能、环保、低碳的目的。改造后的系统具有以下特点—


(一)节能减排

太阳热水器就是把太阳能转变为热能的装置,利用集热器收集太阳辐射。我国的太阳能资源十分丰富,全国2/3以上的地区年辐射量大于502万KJ/㎡,年日照时数在2000h以上。在无锡地区,年平均日辐照量Hha为:17.97MJ/(㎡.d)


(二)环保清洁

太阳能是一种洁净能源,在开发和利用时,不会产生废渣、废水、废气等,也没有噪音,更不影响生态平衡,具有优越的环保性。


(三)易维护

改造后的系统为全自动智能化运行系统,不需要专人看护,且系统设有远程报警装置,可与专业服务平台联网操作,可免除我院对热水系统的维护成本。





三、系统设计



        热水系统的设计运行流程:冷水从楼顶的日常生活冷水箱中通过自然压力、集热水箱浮球阀控制冷水水位;太阳能水箱的水通过太阳能循环加热后,将集热水箱内预热的热水接入容积式换热器,集热水箱供水管连接蒸汽热水器进水口,通过一段时间的太阳能热水系统循环后,使得集热水箱温度提高并且使蒸汽热水器进水温度提高,通过直接提高蒸汽热水器的进水温度,使热水温度能更快达到正常使用温度。生活热水加热方式的选择,是在结合了无锡的地理位置、气候特点的基础上,经各种方案比较后确定的。无锡市属北亚热带湿润区气候,气象条件见表1。



表1  江苏地区气象条件

参照表1可见:无锡年平均日辐照量Hha为:17.97MJ/(㎡.d);水平面年总曝辐量Hht为5100.38MJ/(㎡.a);年平均气温15.6℃,极端最高气温38.9℃,极端最低气温-12.5℃。冷水计算温度:当地最冷月平均地下水温度为15℃~20℃;年平均每日的日照小时数为5.53h;年日照总时数2019.4h/A;由此得出,太阳能发挥了较大作用。


设备选型

本系统设备主要为太阳能热管集热器、储热保温水箱、太阳能循环水泵。根据门急诊楼的用热水需求,设计采用Φ58*1800mm*25管全玻璃金属热管真空管型太阳能模块46组(每组的采光面积为2.53)约116,太阳能集热器安装位置位于该楼楼顶屋面。热管集热器运行原理热管的传热过程可以描述为当全玻璃真空集热管吸收到太阳光后,将光能转换成热能,再将热能传递到玻璃内管的铝翼上,传导给热管蒸发段内的液态介质,液态介质受热后蒸发,在气压差的作用下迅速传递到冷凝段,介质再由气态变为液态,并将热量释放,在重力的作用下液体沿管壁回流到蒸发段,反复循环运行。


1.太阳能热管集热器
热管是依靠自身内部工作液体相变来实现传热的传热元件,具有导热性很高、等温性优良、热流密度可变性高、保温效果好等特性。蒸发段和冷凝段(图2)直径相同的热管,解决了真空管不走水,管子不结垢、不炸管的好处。真空热管集热器的真空管有很强的抗冻能力,适合在冬天气温为0℃至-45℃的地区使用。可承压、耐空晒、不易爆管。热容量小,启动快。有多种规格可供选择,晴天可产55℃热水量:70~130kg/㎡。高吸收率:αs≥90%,低发射率:εh≤8%,日平均热效率ηd≥50%。热管集热器具有以下优点:


图2 热管进出水示意图


热效率高、全年使用:先进的热管传热方式,优良的太阳选择性吸收涂层及高真空保温状态使集热系统的日平均热效率(即使在中国北方的冬季)达到50%以上。采用新技术、承压力强:TJ套管与水槽采用焊接连成一体,产品试验压力达11kg/cm²,解决了同类产品结垢效率下降及流量小、不稳定的缺点。
安装、维修方便:集热器为单元结构,便于搬运安装。当系统中某根真空管需要维修时,可在不妨碍系统运行的情况下更换。
抗冻、抗冰雹冲击:高性能的热管传热方式使系统在-30℃的气温条件下仍能正常运行,并具有抗直径25mm以下冰雹冲击的能力。
适合工程安装:由于采用水箱与集热器的分体形状,使之与房屋配套更合适,尤其更适合大型工程的采用,亦是"绿色""节能"住宅小区配套的首选产品。
产品性能:日照强度850W/cm²时,每平方米可产生1750~1800大卡热量,其热效率>50%。


图3 热管集热器结构图


2.储热保温水箱
医院24h用热水,设计利用太阳能集热器加热集热水箱,由集热水箱进行储热,为保证供水的有效容积,门急诊大楼设1个12t太阳能集热水箱进行热水预热供应。太阳能加热后的热水进入医院已有的容积式换热器。门急诊大楼集热水箱有效容积为12m³,太阳能产生的热水从集热器联箱进入集热水箱,在温度控制下,太阳能循环加热集热水箱,以保证预热所需的供水温度。预热的热水进入容积式换热器中,如果水温达不到设定温度,蒸汽热水器可以快速把预热热水加热到生活用热水的设定温度,加速换热过程,相比原来的冷水加热,能耗大大降低,加热热水所需时间明显缩短。系统全天候满足大楼内生活热水预热。热水箱的位置设在屋顶设备间内,这样可以最大限度地降低太阳能循环水泵能耗。太阳能热水系统吸收太阳能转为热能需要一个转化过程,这个过程就是前面所述的太阳能循环,从8:00到16:00左右,这段时间内太阳幅射最强烈,太阳能循环需几个小时,因此太阳能集热水箱就是供应太阳能循环所需的循环水量并储存热水和保温作用。本项目设计采用的太阳能保温水箱内胆为304不锈钢非承压保温储水箱,配有进水口、出水口、溢流管、污水管及水位标尺等,采用聚氨酯发泡保温层(厚度不小于50㎜)。保温水箱具有以下特点:


(1)节能特性。箱体结构均采用不锈钢氩弧焊接,彻底保证箱体严密,保证露天放置时,雨水不能侵入保温层,确保水箱保温良好。顶部坡面结构具有良好排水性。顶部和底部采用承压发泡,一方面有效减小了底部的接触热阻,有效防止了水箱底部的热桥作用,另一方面也使水箱具有更良好的外观。对溢流孔采用专利的单向防对流装置,有效防止了水箱上部空气与外界空气的对流换热,极大地减少了热损失。


(2)耐用性。水箱的耐用性主要包括耐腐蚀性和机械强度。不锈钢保温水箱中间的腐蚀为晶间腐蚀与应力腐蚀。奥氏体不锈钢(SUS304)在600~800℃时碳向晶粒边界扩散与铬形成铬的碳化物并析出,由于碳的扩散速度比铬快,铬来不及从晶内补充,因而在晶界形成贫铬区,造成晶间腐蚀。同时产品在焊接加工过程中产生应力,如不消除则易产生应力腐蚀。本项目选用的水箱采用独特的淬火工艺避免了晶间腐蚀,对容易产生应力腐蚀的部位,通过采用减少弯折等工艺,有效减少应力腐蚀。此外,水箱还采取如下措施保证其耐用性:采用优质不锈钢板整板卷筒压筋,箱顶和箱底采用大型液压机一次成型,从而增加了箱体的刚度;采用高频滚焊机焊接,焊缝质量更可靠。常规水箱内、外顶板没有机械冲压翻边,与检修孔壁不进行轮焊密封焊接,容易导致水蒸气和雨水持续进入隔热层,降低保温性能。本项目水箱内顶板与检修孔壁进行轮焊密封,阻隔水蒸汽和雨水进入保温层,可保证保温层的全密封性,降低保温性能衰减。


(3)美观性。水箱的美观性主要体现在:采用大型专用设备,通过严密的制作工艺,按标准制作和检验。同时,增加必要的工装夹具,使接管及焊接横平竖直,产品完美有形,美观大方。


3、太阳能循环水泵
太阳能强制循环装置的作用是用机械动力把储热水箱内的低温水输送到集热器中,吸收太阳能热量。依据《建筑给排水设计手册》中太阳能设计规范,每平方太阳能集热器所需流量为0.015~0.02L/S,水头损失为3mmH2O左右,静压差为1.5mmH2O。本项目因为是改造项目,根据楼面现状设计集热器矩阵摆放形式。为保证太阳能循环效果,本项目太阳能循环系统采用进口优质水泵,水泵电机配有过热保护,采用高效叶轮降低噪音,循环水泵扬程为10m以上,满足本项目热水系统要求。




四、节能分析

太阳能部分的节能分析:本项目实际安装的太阳能集热器集热面积为116㎡,根据面积,可以测算出本项目所利用太阳能的基本情况。根据气象参数表1,按照水平面年总太阳能辐照量为6559.05MJ/(㎡·a)计算太阳能热水系统年节能量:
QSAVE=AcJT(1-ηc)ηcd=116´6559.05´(1-0.2)´65% =395641.896MJ´239千卡/ MJ=94558413.14千卡

将1吨冷水从15℃加热到55℃所需要的热量计算公式:

Q=1000千克×(55℃-15℃)×1千卡/千克℃=40000千卡


将12吨冷水从15℃加热到55℃一年所需要的热量计算公式:

QA= 365天×12×Q=175200000千卡


蒸气换热效率为90%,生产每吨水蒸气所需费用为189元。一吨135℃的水蒸气放出的热量为135000千卡,一年需要水蒸气的质量计算公式:
M=175200000千卡/(90%×135000千卡/吨)=1441.98吨


则1441.98吨蒸汽所需要的费用的计算公式:1441.98吨×189元/吨=272534.22元


改造后一年需要水蒸气的质量计算公式:

(QA-△QSAVE)/(90%×135000千卡/吨)=(17520000千卡-94558413.14千卡/(90%×1350000千卡/吨)
=80641586.86千卡/(90%×135000千卡/吨) ≈663.72吨


则663.72吨所需要的费用的计算公式:
663.72吨×189元/吨=125443.08(元)


第三年起,太阳能热水系统年维保费约为每年平均维保费为7500元。
太阳能与蒸汽换热经济效益对比见表2(精确到小数点后第2位):


表2 太阳能与蒸汽换热经济效益对比表


通过上表分析,本项目在节能方面具有显著的效果。理论节能率达到了50%,实际综合节能率达到约40%以上,日均节省标准煤约4t/d,减少碳排量约2.6t/d。因此,本项目在利用绿色能源、节能减排等方面能够起到很好的示范作用。因为本项目投产时间还不长,具体数据需要系统运行一段时间后加以验证。





五、结束语



无锡市妇幼保健院太阳能热水系统投产后,热水系统设备实现了无人值守、故障自动报警、全自动运行。通过本项目的系统改造,我院优化了热水系统设备生产运行管理,随着时间的推移,将会极大减少热水消耗的水、电能耗费用,改善医院后勤管理和服务质量并显著提高经济效益。本项目响应国家提倡节能减排的号召,符合国家绿色节能建筑设计和运行要求,提升了医院后勤管理形象和社会服务价值。


参考文献

[1]张昕宇,由世俊,等.带遮热板的热管式真空管集热器中温性能的理论与实验研究[J].太阳能学报,2016(1):116-121.

[2]王慧.热管式真空管太阳能集热器热性能测试研究[J].德州学院学报,2014(2):70-72.

[3]王忠海,马兵善,王刚.热管式真空管和平板型集热器在兰州地区太阳能热水系统中的热性能对比分析[J].2018(1):55-61.

原文作者:张钧  无锡市妇幼保健院



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