周 鑫, 孟 欣

陜西理工大學(xué) 機械工程學(xué)院, 陜西 漢中 723000

隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展,人們生活水平不斷提高,游泳作為一項廣受大家喜愛的體育運動,在全民的普及范圍越來越大,而恒溫泳池甚至成為很多小區(qū)和學(xué)校的標(biāo)配?，F(xiàn)有的恒溫泳池常選用鍋爐或熱泵作為供熱設(shè)備為其提供恒溫?zé)崴?高能耗伴隨著高成本,既增大了業(yè)主的使用成本,也不利于我國“雙碳”目標(biāo)的實現(xiàn)。而太陽能作為一種免費的綠色可再生能源具有巨大的節(jié)能和環(huán)保優(yōu)勢,因此將綠色可再生的太陽能與燃氣鍋爐或熱泵高效集成,采用耦合供能的方式為泳池提供恒溫?zé)崴约跋丛崴?將有效降低系統(tǒng)對天然氣或電能的消耗。

陜西省西安市地處關(guān)中平原中部,屬暖溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候,冷暖干濕四季分明。本文以西安地區(qū)為例,采用太陽能天然氣鍋爐耦合方式為泳池提供恒溫?zé)崴约跋丛崴?并在此基礎(chǔ)上進行建模,使用POLYSUN軟件對系統(tǒng)全年運行過程進行模擬,探究溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候地區(qū)不同季節(jié)及室外環(huán)境溫度對太陽能出力的影響,以及在太陽能介入的情況下,系統(tǒng)的節(jié)能經(jīng)濟效益。目前國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)在太陽能燃氣鍋爐或者太陽能熱泵的耦合方式[1-3]、系統(tǒng)節(jié)能情況[4-7]、運行狀態(tài)[8-9]等方面進行了一些研究,但是針對傳統(tǒng)燃氣鍋爐為恒溫泳池提供恒溫?zé)崴约跋丛崴哪芎妮^高,燃燒還會產(chǎn)生溫室氣體。本文提出太陽能燃氣鍋爐耦合應(yīng)用為恒溫泳池提供恒溫?zé)崴约跋丛崴?進一步降低系統(tǒng)綜合能耗。

1 太陽能燃氣鍋爐耦合系統(tǒng)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)耦合方式

本文提出的太陽能燃氣鍋爐耦合系統(tǒng)是在傳統(tǒng)的燃氣鍋爐恒溫泳池?zé)崴到y(tǒng)的基礎(chǔ)上引入一套太陽能集熱系統(tǒng),通過緩沖水箱以及控制閥,實現(xiàn)太陽能燃氣鍋爐高效耦合為恒溫泳池提供熱能。系統(tǒng)實現(xiàn)在保證恒溫泳池水溫要求以及洗浴熱水的基礎(chǔ)上,首先充分利用免費的太陽能為系統(tǒng)提供熱源,當(dāng)遇到太陽能不足時燃氣鍋爐啟動為系統(tǒng)補充熱能。

1.2 太陽能燃氣鍋爐耦合系統(tǒng)設(shè)計

設(shè)計如圖1所示的太陽能燃氣鍋爐耦合系統(tǒng),主要包括太陽能集熱器、蓄熱水箱、燃氣鍋爐、板式換熱器、洗浴熱水端和泳池供熱端?；诎踩珒?yōu)先的考慮,太陽能集熱系統(tǒng)、洗浴熱水系統(tǒng)和泳池供熱系統(tǒng)均采用間接換熱方式。

圖1 太陽能燃氣鍋爐耦合系統(tǒng)

1.2.1 恒溫泳池?zé)嶝摵捎嬎?/p>

恒溫泳池?zé)嶝摵捎嬎阋罁?jù)為《游泳池給水排水工程技術(shù)手冊》[10],維持泳池恒溫的總熱量需求Q總由下式計算:

Q總=Qc+Qz+Qb+Qcr,

(1)

式中,Qc為池水初次加熱所需熱量,Qz為泳池池水表面蒸發(fā)損失的熱量,Qb為補充水加熱所需的熱量,Qcr為泳池水面、池壁、池底傳導(dǎo)熱損失和管道熱損失。

池水初次加熱所需熱量Qc由下式計算:

Qc=Vcρc(Td-Tf),

(2)

式中,Vc為泳池的池水容積,此處選用3 600 000 L;ρ為水的密度,此處取0.999 7 kg/L;c為水的比熱容,此處取4.186 8 kJ/(kg·℃);Td為泳池設(shè)計溫度,此處取26 ℃;Tf為泳池初次注水水溫,按初次注入水溫10 ℃計算。算出泳池初次加熱所需熱量Qc=66 968.7 kWh。初次加熱時間按48 h計算,則每小時需熱量為1 395 kW。

泳池池水表面蒸發(fā)損失的熱量Qz由下式計算:

(3)

式中,β為壓力換算系數(shù),此處取133.32 Pa;γ為與池水溫度相等的飽和蒸汽的蒸發(fā)汽化潛熱,單位kJ/kg;vw為池水表面風(fēng)速,單位m/s;Pb為與池水溫度相等的飽和空氣的水蒸汽氣壓力,單位Pa;Pq為游泳池環(huán)境空氣的水蒸汽分壓,單位Pa;B/B′為標(biāo)準大氣壓與當(dāng)?shù)卮髿鈮罕戎?As為游泳池的水面面積,此處取1 500 m2。算得Qz為215.5 kW。

補充加熱所需的熱量Qb由下式計算:

Qb=ρcVb(Td-Tf)/t,

(4)

式中,Vb為池水補水量,池水補水量按池水容積的5%計,此處為18 000 L/d;t為加熱時間,此處取24 h。算得Qb為139.5 kW。

泳池水面、池壁、池底傳導(dǎo)熱損失和管道熱損失,取池水面積熱損失的20%,算得Qcr為43.1 kW。

最后算得恒溫的總熱量需求Q總為1 793 kW。

1.2.2 熱水負荷計算

一天的生活熱水負荷Qd由下式計算:

(5)

式中,c為50 ℃水的比熱容,取4.178 kJ/(kg·℃);q為熱水用水定額,根據(jù)《建筑給排水設(shè)計規(guī)范》[11]規(guī)定,50 ℃水溫時每天人均生活熱水定額在49～98 L/(人·天),此處取50 L/(人·天);ρ為50 ℃時水的密度,此處取988.1 kg/m3;tr為生活熱水的熱水溫度,此處取50 ℃;t1為生活熱水的冷水溫度,此處取5 ℃;m為用水人數(shù),此處取30。

計算得出一天的生活熱水負荷Qd為3.2 kW。

系統(tǒng)的總負荷QH為1 796.2 kW。

1.2.3 太陽能集熱器面積計算

因西安地區(qū)冬季溫度較低,太陽能集熱循環(huán)采用間接供熱方式向恒溫泳池供熱,間接系統(tǒng)集熱器面積計算如下:

(6)

1.3 設(shè)備選型

1.3.1 太陽能集熱器

通過用POLYSUN軟件對選擇不同面積太陽能集熱器的太陽能燃氣鍋爐耦合系統(tǒng)進行模擬,太陽能集熱器的面積分別為300、350、400、450 m2。根據(jù)表1,比較使用不同面積太陽能集熱器的耦合系統(tǒng)所節(jié)省燃料最大量,以及考慮投資和冬季太陽輻射情況,最終選取了某公司品牌平板型集熱器200塊,單塊規(guī)格為2 m×1 m,單塊采光面積1.8 m2,總面積400 m2,單位面積流量15 L/(h·m2),安裝傾角45 °。導(dǎo)熱流體采用質(zhì)量分數(shù)33.3%下的丙烯混合物。

表1 不同面積太陽能集熱器參數(shù)比較

1.3.2 燃氣鍋爐

由于平板集熱器容易受到外界環(huán)境、氣候等因素的影響,不能保證足夠的太陽能輻射,采用燃氣鍋爐補充熱能,以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。燃氣鍋爐選用某公司500 kW帶內(nèi)置泵的燃氣鍋爐,該燃氣鍋爐熱效率90%,功率500 kW,最小功率80 kW,流量43 000 L/h,質(zhì)量560 kg,安全溫度140 ℃。該燃氣鍋爐產(chǎn)生的熱量最小值大于泳池恒溫總熱量需求,如遇極端天氣,太陽能集熱器無法正常工作,燃氣鍋爐也可獨立供熱滿足供熱需求。

1.3.3 蓄熱水箱

蓄熱水箱主要為恒溫泳池提供熱水時起到儲存熱水的作用,該系統(tǒng)中選擇國內(nèi)某公司生產(chǎn)容積2 000 L的蓄熱水箱,該水箱材料為鋼,墻體厚度2.5 mm,水箱頂和底厚度均為100 mm,水箱高度2.5 m,保溫材料采用100 mm厚硬聚氨酯泡沫。

1.4 泳池設(shè)計參數(shù)

根據(jù)上面的理論分析,本文選取西安地區(qū)某地下一層游泳訓(xùn)練館燃氣鍋爐供能下的恒溫游泳池為實驗研究對象。在此基礎(chǔ)上搭建太陽能集熱系統(tǒng)與燃氣鍋爐共同作為恒溫泳池的供能設(shè)施,利用蓄熱水箱、循環(huán)管路、換熱器、泵以及控制器設(shè)備對供能系統(tǒng)進行耦合。表2為該室內(nèi)恒溫泳池設(shè)計參數(shù)。表3為太陽能燃氣鍋爐耦合供能恒溫泳池主要設(shè)計參數(shù)。

表2 室內(nèi)泳池設(shè)計主要參數(shù)

表3 太陽能燃氣鍋爐耦合供能恒溫泳池主要設(shè)計參數(shù)

2 系統(tǒng)建模分析

2.1 方案建模

本文所采用模擬軟件為瑞士國際太陽能測試中心研發(fā)的太陽能系統(tǒng)模擬軟件POLYSUN。模型調(diào)用軟件庫中西安地區(qū)的氣象數(shù)據(jù),并對太陽能燃氣鍋爐恒溫泳池系統(tǒng)全年運行情況進行模擬,并對模擬結(jié)果進行分析。圖2為太陽能燃氣鍋爐耦合供能恒溫泳池系統(tǒng)圖。系統(tǒng)通過主緩沖水箱向泳池供熱以及洗浴熱水,其中燃氣鍋爐直接與主緩沖水箱相連,太陽能集熱回路以間接換熱方式與主緩沖水箱相連,泳池恒溫水通過板式換熱器提取主緩沖水箱熱量。

圖2 太陽能燃氣鍋爐耦合供能恒溫泳池系統(tǒng)

2.2 溫控啟?？刂?/h3>

太陽能燃氣鍋爐恒溫泳池系統(tǒng)中,當(dāng)太陽輻射較強時,太陽能集熱器為蓄熱水箱提供加熱;當(dāng)太陽輻射較弱,太陽能集熱器無法滿足泳池?zé)崴枨髸r,燃氣鍋爐介入?yún)⑴c供熱,輔助加熱控制器控制燃氣鍋爐的啟停,輔助加熱控制器的啟動差值為5 ℃,斷開差值為10 ℃。即當(dāng)蓄熱水箱溫度低于燃氣鍋爐加熱設(shè)定溫度5 ℃時,輔助加熱控制器控制燃氣鍋爐啟動參與供熱;當(dāng)太陽能集熱器出口溫度高于設(shè)定溫度10 ℃時,說明太陽能輻射較強,太陽能集熱器可以獨自滿足供熱需求,輔助加熱控制器控制燃氣鍋爐停止供熱。

2.3 模擬結(jié)果分析

2.3.1 系統(tǒng)能耗分析

運行系統(tǒng)得到圖3—圖5的溫度模擬圖。圖3和圖4分別選取2021年1月和7月中典型的一個周作為時間變量對集熱器出口溫度與平均室外溫度進行模擬,由于夏季室外溫度較高,水表面散熱量較少,夏季泳池溫度高于冬季。隨著室外溫度的提高,集熱器出口溫度呈增高趨勢,并會隨著晝夜交替呈現(xiàn)峰谷狀態(tài)。夏季的太陽輻射強度高于冬季,故而冬季典型周集熱器有效利用的時間約為50 h,而夏季典型周集熱器有效利用的時間約為110 h,說明在夏季典型周集熱器主要為系統(tǒng)供熱。

圖3 2021年1月12—18日集熱器出口溫度與平均室外溫度模擬

圖4 2021年7月12—18日集熱器出口溫度與平均室外溫度模擬

圖5 系統(tǒng)耦合供能各回路溫度模擬值

圖5為太陽能燃氣鍋爐耦合系統(tǒng)全年運行時間段內(nèi)泳池水溫、太陽能集熱回路溫度、鍋爐供水溫度、室外環(huán)境溫度、冷水溫度的模擬數(shù)據(jù)。觀察發(fā)現(xiàn)冷水溫度與室外環(huán)境溫度變化趨勢相同,但要維持恒溫泳池水溫為始終保持設(shè)定的26 ℃,需要鍋爐與太陽能集熱共同作為系統(tǒng)能源供給方,并隨著太陽能供應(yīng)熱量比重的增加可有效降低鍋爐的使用時間,進而降低系統(tǒng)對燃料和電能的消耗。

太陽能燃氣鍋爐耦合系統(tǒng)2021年各月能耗如圖6、圖7所示,一年內(nèi),系統(tǒng)的總能量消耗量主要來自太陽能集熱器提供給系統(tǒng)的光熱能量。從圖6中可以看出在4—10月份太陽能作為主要能量來源為泳池提供能量,均在10 000 kWh以上,太陽輻射強度逐漸增強,太陽能集熱系統(tǒng)可及時為泳池提供熱水,減少了燃氣鍋爐的使用時間,從而降低燃氣的消耗。相反,在低溫的幾個月里太陽輻射強度減弱,供給系統(tǒng)光熱能量減少,基本都小于10 000 kWh,太陽能集熱系統(tǒng)不足以保證泳池水溫,增加了燃氣鍋爐使用時間,燃氣鍋爐所消耗的燃料和電能明顯增加,消耗的燃料和電能均在800 kWh以上。

圖6 供給系統(tǒng)光熱能量 圖7 燃氣鍋爐所消耗的燃料和電能

2.3.2 系統(tǒng)經(jīng)濟性分析

該系統(tǒng)設(shè)計的使用壽命為20年,通過觀察表4數(shù)據(jù)可知,相較于傳統(tǒng)的燃氣鍋爐提供恒溫?zé)崴约跋丛崴?用太陽能燃氣鍋爐耦合系統(tǒng)在一年中可以減少消耗天然氣14 598.5 m3,按2021年西安市非居民天然氣銷售價格2.67元/m3計算,相較于傳統(tǒng)的燃氣鍋爐系統(tǒng)一年可以節(jié)約燃氣費用38 978元,還可減少二氧化碳排放35 499 kg。太陽能燃氣鍋爐耦合系統(tǒng)與傳統(tǒng)的燃氣鍋爐比較不僅減少了天然氣的消耗還可以極大地降低對環(huán)境的影響。

表4 系統(tǒng)節(jié)能概括

通過使用一種比較簡單的靜態(tài)經(jīng)濟評估法,以投資回收時間作為評估指標(biāo),該方法主要以設(shè)備成本和運行費用為主。太陽能燃氣鍋爐耦合系統(tǒng)是在傳統(tǒng)燃氣鍋爐系統(tǒng)的基礎(chǔ)上耦合了太陽能平板集熱器,太陽能平板集熱器的按市面350元/m2計算,增加的初投資為140 000元;太陽能燃氣鍋爐耦合系統(tǒng)節(jié)省的年運行費用為38 978元。投資回收期等于增加的初投資比運行費用為3.6年,在20年的使用壽命期限內(nèi)太陽能燃氣鍋爐耦合系統(tǒng)節(jié)省費用可達639 560元。

3 結(jié)論

本文基于安全使用的原則,設(shè)計了太陽能燃氣鍋爐耦合系統(tǒng),是在傳統(tǒng)的燃氣鍋爐恒溫泳池?zé)崴到y(tǒng)的基礎(chǔ)上引入一套太陽能集熱系統(tǒng),以板式換熱器為供暖熱水提供能量補償,并采用POLYSUN軟件對該系統(tǒng)方案的全年運行工況進行了模擬和對比分析,結(jié)果發(fā)現(xiàn):

1)利用太陽能集熱器耦合燃氣鍋爐比傳統(tǒng)燃氣鍋爐提供恒溫?zé)崴约跋丛崴袃?yōu)勢,該系統(tǒng)在建設(shè)運行當(dāng)年即可減少消耗天然氣14 598.5 m3,按2021年西安市非居民天然氣銷售價格2.67元/m3計算,當(dāng)年節(jié)約燃氣費用38 978元,投資回收期為3.6年,在使用壽命期限內(nèi)節(jié)省費用可達639 560元,該系統(tǒng)具有良好的節(jié)能效益。

2)使用太陽能燃氣鍋爐耦合系統(tǒng)可以顯著減少CO2排放量,在當(dāng)年內(nèi)可以減少CO2排放量35 499 kg。因此,該系統(tǒng)具有良好的減排效益。

3)在實際應(yīng)用中,太陽能集熱器面積與系統(tǒng)后期運行費用呈反比關(guān)系,前期系統(tǒng)太陽能集熱器面積越大,后期運行成本也就越低。但隨著集熱器面積的逐漸增大,系統(tǒng)的初始投資也越大,對外部環(huán)境的要求也越高,所以要根據(jù)具體的施工情況,合理選取太陽能集熱器面積。