槽式太阳能储热采暖系统设计

收稿日期：2018-02-05
作者简介：牛高云（1981—），男，河南安阳人，工程师，大学本科，工学学士，毕业于中原工学院，热能与动力工程专业，主要从事
火力发电厂项目管理工作。

郭锋（1978—），男，黑龙江北安人，高级工程师，硕士研究生，毕业于东北电力学院，热能工程专业，主要从事火力发电厂设计工作。

刘
杨（1978—），女，沈阳人，工程师，硕士研究生，毕业于东北电力学院，热能工程专业，主要从事火力发电厂设计工作。

摘要：我国太阳能辐射资源丰富，大力开发太阳能资源，对改变国家能源结构，优化能源配置，提高能源综合利用率具有重要意义。

在分析太阳能与常规供热方式联合供热的基础上，提出一种新型的槽式太阳能储热采暖系统，白天光照条件好的情况下，利用供水泵将冷水罐中的冷水泵入槽式太阳光镜场中，将集热管内部的水加热到额定温度，热水回流至热水罐储存起来，一部分热水通过换热器加热供暖系统，由换热水泵将换热后的水泵入冷水罐，多余的热水则储存在热水罐中；晚上或白天无光照条件下，利用热水罐中存储的热水加热供暖系统，从而达到全天24h 供热。

关键词：太阳能；槽式；储热；采暖；水罐中图分类号：TK513.5
文献标志码：A
文章编号：1005－7676（2018）02－0063－
04
NIU Gaoyun,GUO Feng,LIU Yang
（State Nuclear Electric Power Planning Design &Research Institute Co.,Ltd.,Beijing 100094,china ）
It is of great significance to develop solar energy resources in China,which changes the national energy structure,
optimizes the energy allocation,and improves the comprehensive utilization rate of energy.A new kind of parabolic trough solar collecting heat system is put forward on the basis of analyzing the combined solar energy and traditional energy.During the daytime with enough light intensity,cold-water is pumped into the parabolic trough solar concentrator heated to the rated temperature.The water with rated temperature flows back to the hot-water tank,part of it flows through the heat exchanger to the heating system while the redundant hot water stored in the hot-water tank.During the nighttime or the daytime without enough light intensity,the hot-water tank is utilized to provide heat for the collecting heat system so as to achieve
24-hour-heating.
solar;parabolic trough;heat storage;collecting heat;water tank
槽式太阳能储热采暖系统设计
牛高云，郭锋，刘杨
（国核电力规划设计研究院有限公司，北京100094）
我国是世界上最大的煤炭生产和消费国，能源结构中将近76%由煤炭供给，这种过度依赖化石燃
料的能源结构已经造成了很大的环境、经济和社会负面影响。

大量的煤炭开采、运输和燃烧，对我国
DOI ：10.16056/j.1005-7676.2018.02.017
的生态环境已经造成极大的破坏。

太阳能作为一种清洁绿色能源是人类开发较早的可再生能源之一[1-2]。

我国的青藏高原、内蒙古高原、青海、新疆东南、宁夏北部、甘肃西部地区由于太阳能总辖射量和日照小时数均为全国最高，属于太阳能资源丰富地区；中部、东部、南部及东北等其他地区为资源较富区或一般区；四川盆地、贵州为资源贫乏区，我国太阳能法向直接辐射区域分布图见图1。

由图1可以看出我国青藏高原、内蒙古高原及青海地区光资源最为丰富，而且这些地区地广人稀，具备光热太阳能采暖的得天独厚的优势，发展光热太阳能采暖有利于解决以上地区，尤其是西藏地区多数居民住宅靠牛粪、枯枝、草皮等采暖，勉强御寒，严重破坏生态平衡和自然环境的现状[3]。

因此为了改善民生，提高人们的生活水平和质量，应充分利用太阳能这种清洁的可再生能源，减少对不可再生资源的浪费，可避免了污染，又降低了能耗。

而我国相对在太阳能资源方面的利用率还比较低，这主要取决于一些方面的先进技术还不够完善与成熟[4]。

1
系统设计
1.1
设计输入
假定条件一：供热面积100万m 2，采暖热指标
50W/m 2，采暖期天数159d ，室内计算温度18℃，采暖期室外平均温度-3℃，采暖期室外计算温度-7.3℃，则采暖期设计热负荷为25000kW ，全年供热量285069GJ ；
假定条件二：供回水温度设计选取120/60℃[5]。

1.2
供暖系统及换热系统设计供热管网设计流量[5]：
=3.6/(1-2)
(1)
式中：为供热管网设计流量，t/h ；
为设计热负
荷，kW ；为水的比热容，4.2kJ/（kg ·℃）；1为供热管网供水温度，℃；2为供热管网回水温度，℃。

将假设条件带入式(1)，可得供热管网设计流量约为715t/h 。

假定供热管网设计压力2.0MPa.a ，管道规格选择见表1。

确定热水热力网主干线管径时，宜采用经济比
摩阻。

经济比摩阻数值宜根据工程具体条件计算确定，主干线比摩阻可采用30～70Pa/m 。

热水热力网支干线、支线应按允许压力降确定管径，但供热介质流速不应＞3.5m/s 。

支干线比摩阻不应＞300Pa/m ，连接一个热力站的支线比摩阻可＞300Pa/m 。

假定水水换热器换热端差为5℃，则水水换热器热侧的流体进口温度为125℃，出口温度为65
℃，流量为715t/h ，光热镜场有效吸热时间为6h ，如果保证24h 连续供暖，则热水罐储水时间≥18h ，考虑设计余量后，热水罐储热时间取用20h ，根据CJJ 34《城镇供热管网设计规范》相关规定，对采暖室外计算温度＞-10℃时，最低供热量保证率为
40%，因此20h 储热时长的热水罐，最长可以保证
50h 的连续供热。

热水罐和冷水罐外形尺寸的确定：=π2=1/
(2)
式中：为储水罐有效容积，m 3；为储水罐内径，m ；为储水罐内有效储水高度，m ；为余量系数,可取1.03～1.05；1
为储水量，t ；为储水罐中水
的密度，kg/m 3。

储水罐采用圆柱形立式储罐，20h 储水量为14300t ，储水罐内热水设计温度为130℃，热水密度为934.606kg/m 3，余量系数取1.04，计算结果见表2。

冷水罐的数量及容积采用与热水罐相同，为保证热水罐内压力，热罐顶部设有氮气稳压罐，整定压力为0.25MPa.g 。

1.3供水泵和换热水泵配置
由于供水泵从冷水罐供水至槽式光热镜场后回
表1
供热管网供回水管道规格
设计温度/℃管道材料管道规格/mm 介质流速/（m ·s -1）120
20号钢
管道外径325×7.5
2.79
图1
法向直接辐射＞1700kW ·h/m 2区域（虚线内部分
）
到热水罐储热，槽式镜场阻力较大，因此供水泵配置3×50%卧式多级离心水泵，2台运行1台备用，
并配有调速装置，单台水泵流量按照设计流量的110%选型。

换热水泵从热水罐供水至换热器，在换热器中将热量释放给采暖系统，回水至冷水罐，因此换热水泵配置2×100%卧式离心水泵，1台运行1台备用，并配有调速装置，单台水泵流量按照设计流量的110%选型。

1.4槽式镜场配置
槽式镜场输入热量考虑正常供热量加上储热量，并留有余量：
=(+1/2)(3)式中：0为槽式镜场设计热负荷，kW ；为采暖系
统设计热负荷，kW ；1为储热时间，h ；2
为有效
吸热时间，h ；为余量系数，取1.05。

设计热负荷25000kW ，光热镜场有效吸热时间为6h ，热水储水罐储热时间取用20h ，将以上数据代入，可得槽式镜场设计热负荷113750kW ；槽式光热镜场单回路吸热量约1.5MW ，则共需要约76个回路。

1.5系统集成
根据以上计算结果，绘制槽式太阳能储热采暖系统图见图2。

系统功能包括吸热过程和放热过程。

1）吸热过程：供水泵将冷水罐中冷水泵入槽式光热镜场吸收太阳光能，吸热后的热水进入热水罐，进水温度由热水罐进口调节阀控制镜场出水温度。

2）放热过程：换热水泵将热水罐内热水流经水水换热器后泵入冷水罐，热水在水水换热器中加热采暖系统回水，采暖系统供水温度由调速换热水泵调节，保证采暖系统供水温度至额定温度。

白天光照条件好的情况下，系统供热的同时储热；夜间或光照条件不好的情况下，利用热水罐内储热供热。

2经济性分析
槽式太阳能储热系统初投资包括：槽式镜场、冷热水罐、供水泵、换热水泵、水水换热器，相关的连接管道阀门，控制系统等。

投资及回收期限估算见表3。

由表3可以看出，槽式太阳能储热系统初投资
表2
储水罐参数总容积/m 3
有效容积/m 3
数量/个
内径/m 罐内有效储水高度/m
罐内顶标高/m
15920
15300.6
1
15
21.65
22.53
图
2槽式太阳能储热采暖系统图
约61390万元，年供热收入约2280.6万元，不考虑贷款利率、折旧费、人工费、维修费、运行费等因素，回收期限约为27年。

3污染物排放量减排分析
本槽式太阳能储热系统年供热量为285069GJ ，
如果分散小锅炉供热标煤耗按55kg/GJ ，则全年共节约标煤1.57万t 标煤，相应每年可减少多种大气
污染物的排放，其中减少CO 2排放量约4.18万t ，减少SO 2排放量约351.7t ，氮氧化物NO 约110t ，减少烟尘及灰渣等污染物的排放。

此外，还可节约大量淡水资源，减少燃煤电厂产生的噪声及燃料、灰渣运输处置带来的相应环境和生态影响。

4结论
1）槽式太阳能储热系统供暖可以满足全天24h
表3
投资及回收期限估算
投资费用/万元安装费用/万元场地费用/万元总投资
费用/万元热负荷/（GJ ·a -1）售热单价/
（元·GJ -1）
供热时间/
（d ·a -1）
供热收入/
（万元·a -1）49490
3500
8400
61390
285069
80
159
2280.6
（上接第57页）
况，要使烟囱达标排放需采取如下几方面的措施：1）焦炉加热尽量采用高炉煤气加热的方式，由于高炉煤气中含硫成分少，故煤气燃烧不会生成SO2。

但如果高炉煤气中有含硫组分，就需要有效减少高炉煤气中硫的含量，使用低硫铁矿石[5]；使用焦炉煤气加热时，就需要对焦炉煤气的精制进行脱硫脱氰处理。

按照目前我厂焦炉煤气脱硫脱氰的设计，焦炉煤气脱硫脱氰后H2S质量浓度需降至≤200 mg/m3，目前我厂焦炉煤气脱硫脱氰的结果完全不能满足所需条件，这也是困扰我厂烟囱SO2超标的主要原因。

焦炉加热尽量采用高炉煤气加热的方式可有效控制烟囱SO2及NO的排放。

2）需强化焦炉生产的技术管理，严格执行焦炉的温度、压力制度，加强焦炉护炉铁件管理。

通过护炉铁件给焦炉砌体施加连续、合理的保护性压力，提高砌体的严密性，将焦炉串漏点控制在2%以下。

3）加强热工管理，在保证焦炉焦炭成熟的前提下降低煤气耗量同时适当减小烟道吸力，控制合适的空气过剩系数值。

资料表明焦炉加热燃烧废气中NO质量浓度与焦炉立火道温度有关。

当火道温度在1200～1250℃时，焦炉废气中NO质量浓度不明显，温度高于1300℃时，NO明显增加。

因此需要严格控制焦炉立火道温度不高于1300℃。

4）严格焦炉炉体的密封。

焦炉煤气中的氮组分燃烧后会增加烟道废气中NO浓度，因此需严格焦炉炉体密封，减少荒煤气串漏到燃烧室内。

4结论
通过对焦炉加热煤气成分含量的对比研究分析，炼焦炉采用合适的加热煤气可以使焦炉烟囱达标排放，既保护环境又可以取得可观的经济效益。

参考文献
[1]周师庸,赵俊国.炼焦煤性质与高炉焦炭质量[M].北京:冶
金工业出版社,2005.
[2]环保部.炼焦化学工业污染物排放标准:GB16171—2012
[S].北京:冶金工业出版社,2012.
[3]郑中.炼焦工艺[M].北京:兵器工业出版社,1982.
[4]严文福,郑明东.焦炉热工测试与调节[M].北京:冶金工业
出版社,1994.
[5]鞍山焦耐设计研究院.焦炉技术管理规程参考资料[M].北
京:冶金工业出版社,1993.
供暖需要，系统控制简单，易于系统调试及运行管理，能够很好的替代化石能源；
2）在太阳资源丰富的地区采用槽式太阳能储热系统有利于减少多种大气污染物的排放；
3）现阶段槽式太阳能储热系统初投资高，回报率低，但随着科技进步投资成本将会逐年降低，同时应积极需求政策扶持，寻求相关优惠政策，进一步降低投资成本。

我国西部地区具备光热太阳能采暖的得天独厚的优势，发展光热太阳能采暖有利于解决以上地区，尤其是西藏地区无集中供暖的现状；发展太阳能供暖是改善生态、保护环境的有效途径。

参考文献
[1]张思思,董重成,陈玲.太阳能散热器采暖与热水供应技
术实验研究[J].节能技术,2010,28(2):173-177.
[2]朱敦智,刘君,芦潮.太阳能采暖技术在新农村建设中
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[3]李元哲.拉萨市住宅利用太阳能采暖的可行性[J].太阳能,
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[5]中华人民共和国住房和城乡建设部.城镇供热管网设计规
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