太阳能加热系统在池塘水处理中的应用

太阳能加热系统在池塘水处理中的应用

近年来，考虑到世界能源的紧张和国家对节能减排的高度重视，用太阳能系统加热水池水逐渐受到人们的喜爱。还有一些使用。由于游泳池水太阳能加热系统的设计计算方法比较复杂,不易掌握,笔者根据《游泳池和水上游乐池给水排水设计规程》(CECS14:2002)和《民用建筑太阳能热水系统应用技术规范》(GB50364—2005),整理出游泳池水太阳能加热系统的设计计算方法与步骤,供工程设计参考。1太阳能对水加热若有一处放在首层的游泳池,其水处理设备、水加热设备放置在地下1层,太阳能集热器放置在屋面上,此时游泳池水的太阳能加热系统如图1所示。游泳池水的加热有直接加热与间接加热两种方式,为保证池水水质,采用间接加热方式更好。此时,换热器有容积式、半容积式、半即热式、板式等型式,考虑到换热效率与占地,可采用板式换热器。游泳池水采用的间接加热方式一般由以下四个水循环组成:经太阳能集热器加热的水从集热器上部流出,由各集热器间的连接管收集后流入储热水箱的上部,储热水箱下部温度较低的水由循环泵1加压后经输送、分配管道进入太阳能集热器再次加热,这样完成太阳能对水的加热过程。在集热器出口与储热水箱靠下部位分别设置温度控制器,两者的温度信号传送到系统控制器内,当二者温差大于某值(一般设定为5～10℃),控制器控制循环泵1开启,将集热器收集到的热量传输到水箱;当二者温度差小于设定值时(一般为2～5℃),循环泵1停止工作,从而保持储热水箱内的水温。循环二是由游泳池负责水质处理的循环泵2、过滤罐、板式换热器、电磁阀及相应管道、阀门组成,游泳池需要循环处理的水先通过毛发聚集器去掉毛发,由循环泵2加压后通过过滤罐去除悬浮固体颗粒与杂质后,分两部分前行,其中75%～80%的水再经过加药消毒后流回游泳池,而25%～20%的水则通过板式换热器加热后流入游泳池与未加热的水混合,被加热部分循环水的水温不宜超过40℃。此时,在过滤罐出口分别至游泳池与板式换热器的管道上均设置流量计或水表,以方便控制与调节两管道内的流量比例。它是将太阳能系统产生的50～55℃的热水作为热媒对游泳池水进行加热。系统控制器同时也对循环泵3和循环二中的电磁阀进行控制,一旦温度控制器测到储热水箱的水温低于45℃时,由于换热效果已很差,会自动关闭循环泵3与电磁阀,停止对游泳池水的加热,当储热水箱内水温恢复到50℃以上时,再恢复对游泳池水加热。它是由储热水箱、循环泵4、电加热器及相应管道、阀门组成。在采用辅助热源加热时,当储热水箱内的水温已达到设定水温时,水温通过控制器使循环泵4和电加热器停止运转,待储热水箱水温降到设定的低水温时,再自动开启电加热器和循环泵4。2当地太阳能集热器简介基本参数:游泳池类别与尺寸(长、宽、深和水容积)、当地太阳能保证率f(%)、当地太阳能集热器采光面上使用月份平均日太阳能辐照量JT[kJ/(m2·d)]、所选用的换热器传热系数K[W/(m2·℃)]等。2.1循环水处理设计若游泳池水容积为Vp,则有:qc=αadVpΤρqc=αadVpTρ(1)式中qc——水处理循环流量,m3/h;αad——管道和过滤净化设备的水容积附加系数,可取1.05～1.1;Vp——游泳池水容积,m3;Tρ——循环周期,按《游泳池和水上游乐池给水排水设计规程》的规定选用。2.2asbcr水压力和温度分布Q=Qs+Qt+Qf(2)式中Q——游泳池水加热所需热量,kJ/h;Qs——游泳池水表面蒸发损失的热量,kJ/h;Qt——游泳池水表面、池底、池壁、管道和设备传导损失的热量,kJ/h;Qf——游泳池补充新鲜水加热所需的热量,kJ/h。各项的具体计算下:Qs=1βργ(0.0174vω+0.0229)(pb-pq)AsBB′Qs=1βργ(0.0174vω+0.0229)(pb−pq)AsBB′(3)式中β——压力换算系数,取133.32Pa;ρ——水的密度,取1kg/L;γ——与游泳池水温相等的饱和蒸汽的蒸发气化潜热,kJ/kg,见表1;vω——游泳池水表面上的风速,室内池取0.2～0.5m/s,室外池取2～3m/s;pb——与游泳池水温相等的饱和空气的水蒸气分压力,Pa,见表2;pq——游泳池上环境空气的水蒸气分压力,Pa,见表3;As——游泳池水面面积,m2;B——标准大气压,取101325Pa;B′——游泳池所在地的大气压,Pa,见表4。Qt=0.2Qs(4)Qf=cqdρ(tL-tf)ΤdQf=cqdρ(tL−tf)Td(5)式中c——水的比热,取4.187kJ/(kg·℃);qd——游泳池每日新鲜水补水量,L/d;tL——游泳池池水设计温度,℃;tf——游泳池补充水水温,℃;Td——游泳池水每日加热时间,h。2.3qwt循环水量qwt=(0.20～0.25)qc(6)Δth=Qcρqwt(7)式中qwt——被加热的循环水量,L/h,一般不少于全部循环水量的20%～25%;Δth——被加热循环水在换热器进、出口的温差,℃。2.4集热器性能与热压的关系Δtt=tmc+tmz2-tr+tL2(8)式中Δtt——换热器计算温差,℃;tmc、tmz——换热器热媒的初温与终温,℃。在此即太阳能热水进、出换热器的温差,与集热器的性能有关,一般取值5～10℃,集热器性能高,取高值;tL、tr——游泳池被加热水在换热器进、出口的水温,℃,Δth=tr-tL。2.5间接加热时换热器的质量Fhx=(1.1~1.2)Q3.6εΚΔtt(9)式中Fhx——采用间接加热时,换热器的加热面积,m2;Q——游泳池水加热需热量,kJ/h;ε——换热器结构系数,水-水交换时取ε=0.7～0.8;K——换热器的传热系数,W/(m2·℃)。2.6太阳能资源区f值的确定式中Fc——采用直接式加热时,太阳能集热器面积,m2;Wd——游泳池水加热全日所需热量,kJ/d;f——太阳能保证率,%,不同太阳能资源区f值的取值范围见表5。JT——太阳能集热器采光表面平均日太阳辐照量,kJ/(m2·d);ηL——管路及储水箱的热损失率,一般取0.2～0.3,对于管路短、保温好的系统,可取0.2;ηcd——太阳能集热器全日集热效率,具体取值根据集热器产品的实际测试而定,一般取值范围0.25～0.5,对于质量好的产品可达0.4～0.45。2.7阳能集热器所需面积的计算Fin=Fc(1+δFcΚFhx)(11)式中Fin——采用间接加热时,太阳能集热器所需面积,m2;δ——太阳能集热器总热损系数,W/(m2·℃)。具体取值要根据集热器产品的实测结果而定,无资料时可参考如下取值:平板型集热器取4～6W/(m2·℃);真空管集热器取1～2W(m2·℃)。2.8太阳能热水加热系统VE=WΤCρΔtm(12)WT=QTT(13)式中VE——储热水箱的有效容积,L;WT——储热水箱的储热量,kJ;Δtm——太阳能热水温度与游泳池水温的温差,℃;TT——储热水箱的储热时间,h。根据《民用建筑太阳能热水系统应用技术规范》,公共建筑以高温水为热媒时,太阳能间接加热系统储热水箱的储热量可取60min的Q,这对于游泳池水加热而言显然储热量偏少。考虑到游泳池水需持续加热,但在白天可以边辐照边加热池水的情况,建议将无阳光辐照时游泳池散热量储存于储热水箱内,即TT可取一天中无阳光辐射的时间。2.9储热水箱采用1扬程,2.2竞争压力循环泵1流量qsc≥0.015Fin,单位L/s。循环泵1扬程:Hsc=1.1×0.0098(H1+H2+H3+H4)(14)式中Hsc——循环泵1扬程,MPa;H1——储热水箱最低水位至太阳能集热器出口最高点的高差,m;H2——水通过太阳能集热器时的水头损失,m。集热器的阻力应按照产品厂家提供的压力降测试曲线确定。在厂家未提供实测数据时,单组集热器的水头损失可依据图2曲线取得;H3——循环管道内沿程水头损失,m;H4——循环管道内局部水头损失,m,一般取H4=0.2H3。2.10换热器的性能计算qhc=Q3600Δtnρc(15)式中qhc——热媒(太阳能热水)循环流量,L/s;Q——游泳池水加热所需热量,kJ/h;Δtn——换热器热媒进、出口的初温与终温的温差,一般取值5～10℃,换热器性能高取高值。循环泵3扬程:Hhc=1.1×0.0098(H5+H6+H7+H8)(16)式中Hhc——循环泵3扬程,MPa;H5——储热水箱最高、最低水位的高差,m;H6——水通过换热器时的水头损失,m,对于水-水交换的板式换热器可取0.03～0.05MPa;H7——循环管道沿程水头损失,m;H8——循环管道局部水头损失,m,一般取H8=0.2H7。2.11辅助热源设计时耗热量的计算太阳能热水系统常用的辅助热源种类有蒸汽或热水、燃油或燃气、电、热泵等。由于游泳池的循环水处理加上太阳能加热设备系统比较庞大,故对中、小型游泳池,在电源供应充足的地方,建议采用新型电能水加热装置(旋转电磁热机、光电供热炉、液流热能发生器),对于减少投资、节省占地来说是合理的。此时,辅助加热设备的供热水箱仍利用太阳能系统的储热水箱,辅助热源的设计小时供热量计算如下:Qg=(Q-1.163×ηVEΤfΔtmρ)×13.6(17)式中Qg——辅助热源设计小时供热量,W;Q——游泳池水加热所需热量,kJ/h;VE——储热水箱有效容积,L;η——有效储热容积系数,取0.75～0.85;Δtm——储热水箱水温与游泳池水温的温差,℃;Tf——式(17)取自《建筑给水排水设计规范》(GB50015—2003),对于生活热水而言,Tf为设计小时耗热量持续时间,原公式一般取值2～4h。用于游泳池后,由于游泳池的耗热量基本上是均匀的,不应是2～4h,宜取游泳池的开放时间,即8～10h。电能水加热装置所需功率P:Ρ=Qg1000η′(18)式中P——电能水加热装置所需功率,kW;η′——电能水加热装置的热效率,可取95%～97%。2.12qg—辅助热源加热循环泵4选用循环泵4流量:qEC=Qg3600Δtmρc(19)式中qEC——辅助加热装置循环泵流量,L/s;Qg——辅助热源设计小时供热量,kJ/h(注意单位换算1W=3.6kJ/h)。循环泵4在运行中,除去水箱的最高、最低水位高差H5外,克服的水流通过电能水加热装置与管道的阻力都较小,循环泵4的扬程可控制在5～10m范围内。3池内水容积vp北京地区有一座室内公共游泳池,平面尺寸50m×12.5m,浅端水深1.2m、深端水深1.8m,池内水容积VP=937.5m3。若考虑要满足在春、秋季节采用太阳能系统对游泳池水加热,试计算和选用太阳能系统设备。3.1qc的配置取αad=1.05,Tρ=6h,代入式(1)得:qc=164000L/h。3.2补充水水温以回收点为1.2,有2.2qf/h确定游泳池水温tL=26℃,查表1、表2、表3得:γ=2438.9kJ/kg,pb=3359.7Pa,pq=1893.1Pa(室温25℃、相对温度60%);As=50×12.5=625m2;B=101325Pa;若游泳池海拔为100m,查表4得:B′=102000Pa;vω取0.3m/s。将以上数值代入式(3)得:Qs=468072kJ/h,Qt=0.2Qs=93614kJ/h。游泳池新鲜水补水量为池水容积的5%,则有:qd=937.5×103×5%=46875L/d。若补充水水温取12℃,代入式(5)得:Qf=114305kJ/h。代入式(2)有:Q=675991kJ/h。3.3加热后建立池的温度由式(6)得:qwt=0.2×164000=32800(L/h),代入式(7)得:Δth=4.92℃。此时,游泳池水经加热的部分循环水,加热后进游泳池时的水温为26+4.92=30.92(℃)。满足《游泳池和水上游乐池给水排水设计规程》关于“被加热的循环水温度不宜超过40℃”的要求,因此是安全的。3.4计算stttmc取55℃、tmz取45℃、tr=30.92℃、tL=26℃,代入式(8)得:Δtt=21.54℃。3.5确定Fhx取ε=0.75,换热器采用板式换热器,K取2500W/(m2·℃),代入式(9)得:Fhx=5.11m2。3.6平均日辐照量测定北京为太阳能资源较富区,取f=55%、ηL取0.2、ηcd取0.45。查北京地区春、秋季4、5、9、10月份纬度倾角时月平均日辐照量JT见表6。4个月的平均日辐照量:ˉJΤ=17777kJ/(m2⋅d),代入式(10)得:Fc=1394m2。3.7真空管太阳能集热器太阳能集热器选用真空管集热器,δ取1.5。将各参数代入式(11)后得:Fin=1622m2。选用某厂真空管太阳能集热器,每组集热器采光面积3.2m2。集热器由两大片并联设置,每片17行,每行15组,共510组真空管集热器,总采光面积1632m2。每组集热器左右宽2.16m,前后长1.74m,放置倾角采用40°,依据集热器的高度前后排间距为2.1m。集热器的布置方案见图3,放置面积约需4220m2。3.8阳光辐照时间储热水箱水温取55℃、游泳池水温26℃,得Δtm=55-26=29(℃)。查气象资料,北京地区春秋季的阳光平均日辐照时间为:4月8.66h,5月9.41h,9月8.00h,10月8.34h,故取TT=24-8.5=15.5(h)。代入式(12)、(13)得:VE=86.292m3。储热水箱选用不锈钢材质,尺寸为10m×4m×2.5m,水深2.2m,有效容积88m3。3.9集热器阻力损失计算流量qsc=0.015×1622=24.33(L/s)=87.6(m3/h)。扬程Hsc:结合现场情况,H1取12.3m;查图2曲线,当流量为0.015×3.2=0.048(L/s)时,水流经每组集热器的阻力损失为1.3kPa,每行15组集热器的总阻力损失H2=19.5kPa≈1.95m;从储热水箱至集热器的管道采用PP-R给水塑料管,通过水力计算得H3+H4=20.5m。代入式(14)得:Hsc=0.375MPa。3.10板式换热器储热水箱流量qhc=6759913600×10×1×4.187=4.48