0前言
随着人们生活质量的提高，环保意识加强，原来采用锅炉加热工业用水设施消耗大量常规能源，运行费用也比较高昂。为了解决上述问题，本项目采用太阳能等设备来解决，太阳能是一种环保、无污染、可再生的清洁能源，充分利用太阳能将可节省运行费用。本项目是太阳能应用领域的又一次崭新的尝试，又是太阳能在工业用水加热中的成功应用典范。本文以浙江亚太特宽幅印染有限公司（以下简称“亚太特宽幅”）工业用水太阳能供热系统为例谈一下该项目设计思路与理念。
1项目背景概述
亚太特宽幅坐落于江南水乡名镇浙江省绍兴县安昌镇，紧邻亚洲最大的轻纺市场——中国轻纺城，为国家重点高新技术企业。亚太特宽幅年产各类全棉、麻、棉麻、粘麻、化纤等中高档特宽幅产品，并具有各种宽幅的服饰面料、装饰用布、床上用品等印花和染色的能力。现有24台印染设备日需求90℃和120℃热水5600t（退煮漂联合机、丝光机、水洗机、轧染机：水温90℃；染缸：水温120℃）。现该厂消耗蒸汽年均每日900多t，工业废水余热没有经过回收利用，能源消耗严重。为响应国家节能减排号召，将节能减排付诸实际行动，也为了节省企业的能源费用，从而取得更大的经济效益，亚太特宽幅积极推进太阳能利用，采用太阳能供热系统节能改造及余热回收利用项目。
亚太特宽幅计划采用太阳能光热（太阳能供热系统）和余热回收提供主要的工业用水加热需求。
经过土建、钢结构整改后的可利用厂房屋面空间约50000㎡。该项目建设期预计为15个月，太阳能系统将分期建设（一期、二期），一期现已实施完毕，已正常运行，效果良好。
2项目实施要点
2.1本项目实施依据参照的国家标准、浙江省和当地气象资料
GB/T18713-2002《太阳热水系统设计、安装及工程验收技术规范》
GB 50364-2005《民用建筑太阳热水系统应用技术规范》
GB50015-2003《建筑给水排水设计规范》
GBJ1788《钢结构设计规范》
GB50275《压缩机、风机、泵安装工程施工及验收规范》
查有关资料，绍兴市：纬度30º14′，经度120º10′。
表1 绍兴市全年各月平均室外气温/当地纬度斜面上的月平均日太阳辐照量MJ/（㎡·d）
|
月份 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
11 |
12 |
|
气温/℃ |
4.3 |
5.6 |
9.5 |
15.8 |
20.7 |
24.3 |
28.4 |
27.9 |
23.4 |
18.3 |
12.4 |
6.8 |
|
水平面/m |
6.813 |
7.753 |
9.021 |
12.542 |
14.468 |
13.218 |
17.405 |
16.463 |
12.013 |
10.276 |
8.388 |
7.303 |
|
纬度斜面 |
11.546 |
14.158 |
16.448 |
17.858 |
18.916 |
17.929 |
15.548 |
15.597 |
15.714 |
14.272 |
11.234 |
10.408 |
2.2项目实施方案
2.2.1总体概括
本项目设计采用50000㎡的太阳能供热系统和余热回收系统结合使用，晴好天气（日辐照量17MJ/㎡时）满足日提供60℃5000t热水，不足部分和阴雨天气由蒸汽系统供给所需热量。
太阳能集热模块在定型车间、前处理车间、染色车间和印花车间的屋顶钢构架上进行安装铺设。安装时，太阳能适当倾斜，之间留有一定的间距，保持光照、安全和通风。
本太阳能项目：由若干个小单元组成一个系统，再由若干个系统组成一个大的集成系统，最后统一集成控制。
2.2.2系统设计原则
高效先进性：保持系统的高效运转，最大化优先利用太阳能，力求5～10a内该项目保持国内和国际领先，本项目采用国际先进的德国西门子集成控制系统，将太阳能系统和余热回收系统集成，利用计算机监测和控制。
安全可靠性：本项目采用高可靠性、技术成熟的太阳能和集成控制设备，结合完善的施工和保护措施来提高太阳能系统的整体安全性和供热水可靠性。
和谐美观性：结合现有建筑安装，充分考虑原建筑设计，保持建筑的原有风格和美学观感。
公共展示性：本项目充分显示各级政府对节能减排的重视和决心，体现对可再生能源利用的重视，因此本项目重点考虑了能源循环利用的展示性，本项目建成后将成为国内规模较大的太阳能工业用水项目，将起到良好的展示效果，向相关企业、单位、市民直观展示绿色能源的有效、循环利用，宣扬节能环保理念。
2.2.3技术运行
本项目采用直流式定温加热太阳能系统：太阳能将经过净化的冷水加热到设定的温度（60℃左右）后进入储热水箱，再将储热水箱的热水泵至用水设备，利用蒸气加热至90℃～120℃。经过印染设备使用的污水进入污水处理池，通过热交换器将污水的热量充分利用，再进入储热水箱。
本项目既充分利用了太阳能系统，又充分解决了污水余热再利用的问题，减少原污水直接排放对地表的危害，降低了对大地热能的排放，保护了地表的原生态，真正体现节能环保。
2.2.4系统控制方式
1.太阳能自动补水：太阳能温度达到设定值时，冷水电动阀自动打开补水；直至太阳能末端温度点低于设定值；
2.太阳能定温加热：太阳能温度达到设定值时，热水自动保存在储热水箱内；
3.辅助热源：储热水箱热水经过水泵泵至设备水池内，温度不足时，蒸气自动加热至设备所需温度；
4.余热回收利用：余热回收设备将余热回收至储热保温水箱内；
5.系统内部局域监控：可利用电脑远程监控。
2.2.5系统其他技术措施
防雷：系统按照三类民建防雷、漏电设计，系统与建筑接地网可靠接地；
防震：系统与建筑之间连接可靠，按抗风10级标准设计施工，防震防裂90；
防火：系统设备、配件均采用不燃或阻燃材料，电器部分按照国家规范设计、施工，太阳能系统场地预留消防通道；
气密安全：太阳能按照国家标准生产、检验，保证出厂产品完全达到国家标准要求的气密性条件；热水系统管路和设备在连接时完全按照国家标准规范进行施工，保证系统的气密性和水密性要求；
防漏电：系统电器部分具备防漏电保护功能，电器部分可靠接地；
防腐：系统防腐性能保证使用达到15a以上的防腐要求；
防漏水：系统在安装时，太阳能炸管漏水有可靠的预防措施，同时屋面也做防水处理；
防水质污染：本系统设备、管道等材料均采用符合国家标准的材质，水质污染可能性为零；
自然光处理：考虑到屋顶太阳能设备会对建筑本身的自然光有一定的遮挡，本项目考虑在北向的屋顶铺设防水反光材料，既保证了建筑本身的防水要求，又保证了建筑本身的自然采光，保证了生产工艺的严格要求。
2.2.6本项目工艺流程
本项目采用直流式定温加热太阳能热水工程系统：经过若干个系统和单元（一栋建筑5个单元组成一个系统，13栋建筑共计13套太阳能供热系统）组成的太阳能系统将冷水加热到设定的温度（60℃左右）后进入保温储热水箱，再将保温储热水箱的热水，泵至用水设备，再利用蒸气加热至90℃～120℃。经过设备使用的污水进入污水处理池，通过热交换器将污水的热量经过换热后充分利用，再进入保温储热水箱。
太阳能工业用水加热系统流程
2.2.7关键设备选型
2.2.7.1太阳能集热模块选择
目前国内的太阳能光热元件掌握了核心技术，在国际上处于领先水平，本项目采用具有领先水平的天普太阳能集热设备。
本项目采用高性能全玻璃真空管太阳能集热器，密集式排列，吸热快，效率高。
1. 真空管：采用国际具有领先水平的高效全玻璃真空集热管，性能参数，见表2：
表2 真空集热管性能参数
|
项目名称 |
性能参数 |
备注 |
|
长度/mm |
1800 |
符合国标 |
|
罩玻璃长度/mm |
58 |
符合国标 |
|
壁厚/mm |
1.5/1.6 |
优于国标 |
|
膨胀系数 |
3.3×10–6 |
优于国标 |
|
罩玻璃的透射率 |
≥0.95 |
优于国标 |
|
吸收体 |
溅射渐变铝-氮/铝 |
优于国标 |
|
太阳吸收比 |
≥0.96 |
优于国标 |
|
发射比 |
≤0.05 |
优于国标 |
|
真空度 |
≤5×10–2Pa |
优于国标 |
|
空晒度 |
≥250℃ |
优于国标 |
|
平均热损系数 |
≤0.52W/㎡·℃ |
优于国标 |
|
抗冰雹能力 |
D25mm冰雹冲击不破损 |
优于国标 |
|
耐压能力/MPa |
≥0.6～0.8 |
优于国标 |
2.太阳能集热器内胆：0.8mm厚度304/2B食品级不锈钢，不影响水质；全自动高频氩弧焊接，质量可靠，寿命长，可达12a-15a；
3.太阳能集热器保温：采用进口高压发泡设备，无氟聚氨酯整体发泡保温，发泡均匀，闭孔率超过98%，保温性能良好；
4.联箱外胆：采用优质不锈钢材质，耐腐蚀，寿命长；
5.集热器边框支架：采用0.6mm全钢方管，机械性能好，抗弯曲，耐腐蚀。
2.2.7.2．太阳能集热器性能规格参数(见表3)
表3 太阳能集热器性能规格参数
|
项目名称 |
指标 |
国家标准 |
备注 |
|
|
型号 |
58（mm）×1800（mm） |
|
符合国标 |
|
|
真空管/支数 |
50 |
|
符合国标 |
|
|
集热器接口 |
DN25 |
|
优于国标 |
|
|
保温材料 |
熟化聚氨酯 |
|
优于国标 |
|
|
承受压力/kg/㎡ |
0.6 |
0.5 |
优于国标 |
|
|
占地尺寸 |
2000（mm）×3300（mm） |
|
优于国标 |
|
|
联
箱
参
数 |
内胆材质 |
0.8mm厚度304/2B食品级不锈钢 |
优于国标 |
|
|
外皮材质 |
采用优质不锈钢材质，耐腐蚀，寿命长。 |
优于国标 |
||
|
保温材料 |
采用进口高压发泡设备，无氟聚氨酯整体发泡保温，发泡均匀，闭孔率超过98%，保温性能良好。 |
优于国标 |
||
2.2.7.3工业余热回收设备
本项目采用全球具有领先换热技术的美国舒瑞普工业余热回收设备4套，日换热污水处理5000t。
2.2.7.4本项目工业控制系统
本项目采用全球工业控制系统知名品牌德国西门子工业控制系统，系统运行稳定，稳定性强，功能强大高效。
本项目共设13套PLC工业控制设备（13套PLC工业控制设备对由若干单元组成的系统A、B、C、D等进行控制）。1套计算机自动监控设备实现13套太阳能系统进行整合，实现对13套太阳能系统整体监测和控制。
2.7.5工业水泵
采用80%材质能够再利用的国际名牌丹麦格兰富工业水泵，该泵噪音低，性能稳定可靠，使用寿命长。
2.2.7.6工业用电动阀
选用德国J+J工业用电动阀，该电动阀动作灵敏准确，性能稳定可靠。
2.2.7.7保温储热水池
本项目保温水池的整体容积5000t。
2.3项目配套工程
1.供水：利用厂内市政管网供水管道，不足时申请市政管道。
2.供电：利用厂内电力，不足时申请市内电力。
3.供气：仍采用热电余热蒸汽作为二次加热。
4.土建：屋顶改造，屋面防水处理、反光材料处理；污水池建造、过滤池建造、半地下保温储水池改造等。
3项目效益分析
3.1有关节能计算公式及参数
3.1.1测算公式
Q = cmΔT /η；
式中： Q：热量 KJ。
c：水的比热 1KJ/(kg·℃)
m： 加热水量，kg；
ΔT: 加热温差 ℃。
η：热效率，无量纲。
3.1.2基础数据
亚太特宽幅日用水量：5600t，用水温度：90℃/120℃，冷水温度：10℃
1t蒸气热值：1t蒸气=700kW/h
按照75%的热效率计算：700kW×860（KJ/Kw/h）×75%＝451500KJ
3.2项目经济效益分析
3.2.1每日将5600t10℃冷水加热到90℃需要蒸气量：
M1= cMΔT /Q蒸汽=1×5600×1000×（90-10）/451500=992.3 t；
3.2.2 600t10℃冷水加热到90℃热水需要蒸汽量为：
M2= cMΔT /Q蒸汽=1×600×1000×（90～10）/451500=106.3t
3.2.3 5600t60℃热水加热到90℃热水需要蒸汽量为：
M3= cMΔT /Q蒸汽=1×5600×1000×（90～60）/451500=372.1t
3.2.4 5600t10冷水加热到90℃热水，在没有太阳时日使用蒸气量为 992.3 t，有太阳能时日使用蒸气量 478.4t，每日节约蒸气513.9t，折合33.2t标煤。
综上分析：1.本系统投资预算约6000万元，蒸汽按160元/t，日节约费用8.2224万元； 2.每年按照250d晴好天气计算：年节约费用2055.6万元； 3a～4a将可收回投资成本。 3.本系统可使用10a以上，10a内可节约费用2.0556亿元。
太阳能系统的使用寿命在12a以上（一般可用12～15a）。由此可见，安装太阳能供热系统的经济效益非常显著。
3.3.项目环境效益分析
太阳能热水系统使用寿命在12a以上，本项目实施后（按15a寿命计算），可节约标煤约124.5万t，降低了常规能源的消耗，减少CO2等废气、污染物的排放，达到有效的环保节能效果。该太阳能供热系统无污染、无噪音、无废物废气排放，可以有效降温室气体CO2的排放，有利于缓解全球气候变暖；同时也减少酸雨气体SO2和总悬浮颗粒物的排放量，有益于提高杭州地区的生态环境，环境效益显著；还能较大幅度地减少煤炭或其他化石燃料的消耗。
3.4项目社会效益分析
1.不占用土地资源，与建筑相结合的节能项目；
2.减少污染源的产生，增加消费者、企业自身、上下游合作伙伴的信任度；
3.通过良好的集成设计，减少了常规能源带来的资金、污染压力，展示对环境、节能减排的重视态度。
以太阳能作为热源提供生活热水符合资源可持续发展的要求，GB50015-2003《建筑给水排水设计规范》也对此有明确的规定，其中第5.2.2条“集中热水供水系统的热源，宜首先利用工业余热、废热、地热和太阳能。” 第5.2.6条也规定了“局部热水供应系统的热源宜采用太阳能及电能、燃气、蒸汽等” ；同时采用太阳能供热系统符合国家环保政策，利国利民，一次投资，长期受益。太阳能供热系统的节能、环保、安全与社会发展潮流相符合，太阳能供热系统的广泛应用，获得了良好的社会效益。
图1 项目一期安装运行后实景