大型住宅小区利用太阳能集中供热水工程

项目可行性研究报告
项目名称：大型住宅小区太阳能热水工程（该项目建筑面积达90万m2）
领域：新能源、环保与节能
申报单位：
起草人：高毛红（山东桑乐太阳能有限公司,山东省
能源研究）
申报时间：2005.7。

3、研究方案、技术路线、组织方式与课题分解
该项目是一项多学科、多专业组合优化工作。

主要由集热器阵列、蓄热水箱、循环管路、变频控制供水系统、泵阀选用、辅助加热系统、传感系统、PLC 可编程控制系统、人机界面触摸屏和远程监控系统等组成。

系统的组成如图1所示，下面重点对系统的工作原理和控制要点作介绍：
远程通信
太阳辐照仪
控制执行器件
采集现场数据工业控制计算机
PLC
触摸屏
人机界面
图1 太阳热水工程原理、供热水及其控制系统
工作原理：
U 型真空管集热器吸热后使其联管内水温升高，当达到设定水温时，电磁阀1打开，自来水将集热器内的热水推进蓄热水箱，当定温点水温降低后，电磁阀自动关闭，当光照继续加热集热器内水温达到设定温度后，电磁阀1又自
动打开，这样反复加热脉冲式送水，如果集热器和水箱匹配，光照结束后，水箱内充满所要热水。

如果水箱提前充满（有剩余热水），系统自动进入温差循环状态。

定温电变成高温点，水箱内是低温点。

通过循环泵与蓄热水箱循环使蓄热水箱温度继续升高。

辅助热源（预定天然气锅炉）在太阳能量不足时工作，作为太阳能的补充，同样实行定温直流方式，系统全自动运行。

有情况变化，电脑芯片的程序也随之变化按已定程序工作适应变化。

变频控制系统通过变频器控制水泵给各终端供水，终端供水水压恒定，而且使供水管路中存水与蓄热水箱之间定温循环，实现出水即热。

PLC可编程控制系统利用传感系统采集现场数据，并对数据进行分析和处理，触摸屏人机界面对系统参数进行设置，控制泵阀和电加热等执行器件的工作，使整个系统可靠运转。

PLC可把系统数据通过远程通信传送给工业控制计算机，通过工业控制计算机可对系统进行远程监控。

①、集热器
系统采用U形管─真空管集热器,集热器单体采用模块化制作，太阳能集热器阵列采用集热器模块化组合。

U形管─真空管集热器是在全玻璃真空管中插入弯成U形的金属管，在U 形管和玻璃真空管之间有与二者紧密接触的金属翅片，进行热量传导。

此集热器为我公司研制的新型产品，除具全玻璃真空管集热器的优点外，集热器可在承压下运行，更适合较复杂的运行状态，更适合安装现场的变化要求，可更好的优化系统，该集热器已通过德国国家实验室ISFH测试。

②、变频控制供水系统
变频控制系统通过变频器控制水泵给各终端供水，使终端供水水压恒定，而且实现出水即热。

原理如下：
通过远传压力表传递压力给变频器，变频器控制热水循环泵使整个供水管路恒压，解决了太阳能供水水压不足的缺陷。

为实现供水出水即热，避免管道冷水的影响，在供水管路放置温度传感器检测供水管路温度，当温度低于系统设定温度时，打开电磁阀，这样远程压力表、变频热水循环泵和蓄热水箱组成一个回路，变频泵使管路冷水与蓄热水箱热水循环，直到管道温度高于系统设定温度时电磁阀关闭循环停止，这样实现了整个系统供水的出水即热。

图2 变频控制供水系统
③、传感系统
控制系统设置了多个温度传感器、水位传感器等对系统运行情况进行检测，为了对系统自身进行自我测试和自我优化，在系统集热器周围安装了太阳辐射仪，太阳辐射仪可以对太阳能辐射能量进行检测，可以与系统的运行情况形成对照表，测试整个系统的运行效果和热性能。

PLC可编程控制系统和触摸屏人机界面
PLC可编程控制系统是整个系统的大脑，控制整个系统的运行。

（1）集热器和蓄热水箱通过循环泵换热，通过太阳能辐射能量和温差双重控制循环泵，提高系统热性能。

太阳能辐射能量通过太阳辐照仪检测，当单位太阳能辐射能量达到一定值时泵运行，低于一定值时泵停止。

检测集热器高温点温度T1和循环泵入口处温度T2，当T1-T2≥△T1时泵运行，当T1-T2<△T2时泵停止。

（2）蓄热水箱与电热水箱的循环控制和电热预约控制。

系统根据使用要求设定好每天的用水时间、用水量等用水要求，PLC根据此要求对系统进行模糊控制，当太阳能量不能满足使用要求时，可自动开启辅助电加热系统进行补充。

系统检测电加热水箱的水温T3，通过此温度控制蓄热水箱与电热水箱的循环。

T3≥T P时电加热关闭，泵运行；T3<T P-5℃时，泵关闭，电辅助加热运行。

依次循环，直至达到使用要求。

T P为系统设定热水温度。

（3）太阳能系统管道的防冻控制。

在我国北方地区，在寒冷季节太阳能循环管道容易冻堵，系统采用自限温电伴热带敷设预热管道或管道循环防止冻堵。

系统检测管道最低温度T4，当T4<4℃时电伴热带或管道循环启动，当T4≥10℃时电伴热带或管道循环关闭，实现防冻的自动控制。

触摸屏与PLC通过数据线进行通信，通过操作触摸屏对系统进行控制。

触摸屏使人机界面更友好，操作更方便。

④、远程监控系统
PLC可与工控计算机之间进行远程通信，通过工控计算机可远程监控系统的运行。

通信方式分有线和无线两种方式：
（1）有线通信方式，如下图所示：
PLC控制系统
工业控制计算机
RS232/RS485 转换器
RS232/RS485 转换器
图3 有线通信方式
通信方式为串行通信，通信接口为RS232接口，由于RS232接口传输距离近，直接采用RS232方式不能满足传输要求，这样通过RS485方式，RS232与RS485之间采用通信转换。

（2）无线通信方式，如下图所示：
PLC控制系统
工业控制计算机
监控点
移动内部网络
DNS 服 务 器
ADSL
A D
S L
域明
解
析
监控中心
GPRS 基站
图4 无线通信方式
此通信方式为GPRS 的无线通信方式。

此通信方式先向INTERNET 运营商申请ADSL 等宽带业务，监控中心采用ADSL 等INTERNET 公网连接，采用公网固定IP ，监控点直接向中心发起连接，运行可靠稳定。

监控中心工控计算机可与多个PLC 控制系统组成网络，实现监控中心对多个现场控制系统的监控。

利用监控中心工业控制计算机的强大功能，可对现场的数据进行存储和处理。

根据每日系统的产热水量可以计算出系统的得热量，利用太阳辐照仪可求得系统的太阳辐射热量，自动生成日、月、年系统得热量和太阳辐射热量
对照表，对系统热性能进行评价。

根据存储的得热量数据，可调整系统的运行参数，使系统运行到最佳效果。

远程监控可实现在单位总部监控室内监控全国的大面积太阳能供热水系统的运行情况，进行在线调试、数据采集和故障处理等。

七、该项目的经济效益和社会效益分析：
1、节能效果：
为了准确地计算太阳热水器节约常规能源的数量，一般以节约多少标准煤为衡量依据：G c＝Q s365B／H cη1η2
式中：G c———太阳热水器年节约标准煤数量，㎏
Q s———太阳热水器单位采光面积的日有用得热量，KJ/㎡
B ———全年的日照百分率，％（可查，北京为63％）
H c———标准煤的热值，29307.6KJ/㎏
η
1
———管道输送效率，％（可取85％～90％）
η2———锅炉运行效率，％（可取55％～68％）
太阳热水器节约其他常规能源的计算，为便于说明计算方法，首先做出有关参数的选定：
①、各种常规能源的低位发热值不同，计算中按有关资料的数据
②、使用电、气、油、煤等能源装置的运行效率不同，分别设η
电＝90％，η
气
＝80％，η
油
＝70％，η
煤
＝60％
③、管道输送效率η
1
均按90％考虑
④、太阳能资源使用北京地区的数据。

采用公式G c＝Q s365B／H cη1η2计算的结果如下
单位面积太阳热水器年节约能源量
中图分类号：TM513 文献标识码：B 文章编号：1671－5292（2004）06－0075－03 如果该项目采光面积选定14700㎡(每户每天150公斤)全年节约：
如果每度电按0.54元计算，全年可节约523万余元，
如果天然气按每方2元计算，全年可节约217万余元。

如果0＃柴油按每吨4000元计算，全年可节约417万余元。

2、环保效果：
太阳热水器的环境效益主要表现在它对环境污染物的减排能力，即向大气环境减少排放CO2、SO2和粉尘的数量。

通过计算，太阳热水器每节约1t标准煤，就等于减少向大气排放：
如果该项目采光面积选定14700㎡(每户每天150公斤)，每年按节约烟煤
2955吨计算，可减少向大气排放：
3、经济效益
据建筑行业披露的信息，全国在建住宅区50万平米以上规模的就有400个。

太阳能集中供热水是一个前景巨大的市场，规模应在百亿元以上，现有的大面积太阳能集中供热水系统在太阳能行业比例很小，约有6亿元的市场份额。

本项目研制成功后，如果能在太阳能行业得到推广，在未来十年内在集中供热水行业中市场占有率按10%计算，市场规模将会达到十几亿元。

八、年度计划内容：
分年度说明项目执行过程中的年度目标；年度工作内容及经费投入。

申请单位配备有辐射表、温度巡监仪、风速仪等各种热能实验设备和单片机开发系统、PLC可编程序开发系统等开发设备，设备齐全先进，可保证本项目的顺利实施。

九、经费预算
略。