太陽(yáng)能加熱系統(tǒng)在池塘水處理中的應(yīng)用

太陽(yáng)能加熱系統(tǒng)在池塘水處理中的應(yīng)用

近年來(lái)，考慮到世界能源的緊張和國(guó)家對(duì)節(jié)能減排的高度重視，用太陽(yáng)能系統(tǒng)加熱水池水逐漸受到人們的喜愛。還有一些使用。由于游泳池水太陽(yáng)能加熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算方法比較復(fù)雜,不易掌握,筆者根據(jù)《游泳池和水上游樂池給水排水設(shè)計(jì)規(guī)程》(CECS14:2002)和《民用建筑太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》(GB50364—2005),整理出游泳池水太陽(yáng)能加熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算方法與步驟,供工程設(shè)計(jì)參考。1太陽(yáng)能對(duì)水加熱若有一處放在首層的游泳池,其水處理設(shè)備、水加熱設(shè)備放置在地下1層,太陽(yáng)能集熱器放置在屋面上,此時(shí)游泳池水的太陽(yáng)能加熱系統(tǒng)如圖1所示。游泳池水的加熱有直接加熱與間接加熱兩種方式,為保證池水水質(zhì),采用間接加熱方式更好。此時(shí),換熱器有容積式、半容積式、半即熱式、板式等型式,考慮到換熱效率與占地,可采用板式換熱器。游泳池水采用的間接加熱方式一般由以下四個(gè)水循環(huán)組成:經(jīng)太陽(yáng)能集熱器加熱的水從集熱器上部流出,由各集熱器間的連接管收集后流入儲(chǔ)熱水箱的上部,儲(chǔ)熱水箱下部溫度較低的水由循環(huán)泵1加壓后經(jīng)輸送、分配管道進(jìn)入太陽(yáng)能集熱器再次加熱,這樣完成太陽(yáng)能對(duì)水的加熱過程。在集熱器出口與儲(chǔ)熱水箱靠下部位分別設(shè)置溫度控制器,兩者的溫度信號(hào)傳送到系統(tǒng)控制器內(nèi),當(dāng)二者溫差大于某值(一般設(shè)定為5～10℃),控制器控制循環(huán)泵1開啟,將集熱器收集到的熱量傳輸?shù)剿?當(dāng)二者溫度差小于設(shè)定值時(shí)(一般為2～5℃),循環(huán)泵1停止工作,從而保持儲(chǔ)熱水箱內(nèi)的水溫。循環(huán)二是由游泳池負(fù)責(zé)水質(zhì)處理的循環(huán)泵2、過濾罐、板式換熱器、電磁閥及相應(yīng)管道、閥門組成,游泳池需要循環(huán)處理的水先通過毛發(fā)聚集器去掉毛發(fā),由循環(huán)泵2加壓后通過過濾罐去除懸浮固體顆粒與雜質(zhì)后,分兩部分前行,其中75%～80%的水再經(jīng)過加藥消毒后流回游泳池,而25%～20%的水則通過板式換熱器加熱后流入游泳池與未加熱的水混合,被加熱部分循環(huán)水的水溫不宜超過40℃。此時(shí),在過濾罐出口分別至游泳池與板式換熱器的管道上均設(shè)置流量計(jì)或水表,以方便控制與調(diào)節(jié)兩管道內(nèi)的流量比例。它是將太陽(yáng)能系統(tǒng)產(chǎn)生的50～55℃的熱水作為熱媒對(duì)游泳池水進(jìn)行加熱。系統(tǒng)控制器同時(shí)也對(duì)循環(huán)泵3和循環(huán)二中的電磁閥進(jìn)行控制,一旦溫度控制器測(cè)到儲(chǔ)熱水箱的水溫低于45℃時(shí),由于換熱效果已很差,會(huì)自動(dòng)關(guān)閉循環(huán)泵3與電磁閥,停止對(duì)游泳池水的加熱,當(dāng)儲(chǔ)熱水箱內(nèi)水溫恢復(fù)到50℃以上時(shí),再恢復(fù)對(duì)游泳池水加熱。它是由儲(chǔ)熱水箱、循環(huán)泵4、電加熱器及相應(yīng)管道、閥門組成。在采用輔助熱源加熱時(shí),當(dāng)儲(chǔ)熱水箱內(nèi)的水溫已達(dá)到設(shè)定水溫時(shí),水溫通過控制器使循環(huán)泵4和電加熱器停止運(yùn)轉(zhuǎn),待儲(chǔ)熱水箱水溫降到設(shè)定的低水溫時(shí),再自動(dòng)開啟電加熱器和循環(huán)泵4。2當(dāng)?shù)靥?yáng)能集熱器簡(jiǎn)介基本參數(shù):游泳池類別與尺寸(長(zhǎng)、寬、深和水容積)、當(dāng)?shù)靥?yáng)能保證率f(%)、當(dāng)?shù)靥?yáng)能集熱器采光面上使用月份平均日太陽(yáng)能輻照量JT[kJ/(m2·d)]、所選用的換熱器傳熱系數(shù)K[W/(m2·℃)]等。2.1循環(huán)水處理設(shè)計(jì)若游泳池水容積為Vp,則有:qc=αadVpΤρqc=αadVpTρ(1)式中qc——水處理循環(huán)流量,m3/h;αad——管道和過濾凈化設(shè)備的水容積附加系數(shù),可取1.05～1.1;Vp——游泳池水容積,m3;Tρ——循環(huán)周期,按《游泳池和水上游樂池給水排水設(shè)計(jì)規(guī)程》的規(guī)定選用。2.2asbcr水壓力和溫度分布Q=Qs+Qt+Qf(2)式中Q——游泳池水加熱所需熱量,kJ/h;Qs——游泳池水表面蒸發(fā)損失的熱量,kJ/h;Qt——游泳池水表面、池底、池壁、管道和設(shè)備傳導(dǎo)損失的熱量,kJ/h;Qf——游泳池補(bǔ)充新鮮水加熱所需的熱量,kJ/h。各項(xiàng)的具體計(jì)算下:Qs=1βργ(0.0174vω+0.0229)(pb-pq)AsBB′Qs=1βργ(0.0174vω+0.0229)(pb?pq)AsBB′(3)式中β——壓力換算系數(shù),取133.32Pa;ρ——水的密度,取1kg/L;γ——與游泳池水溫相等的飽和蒸汽的蒸發(fā)氣化潛熱,kJ/kg,見表1;vω——游泳池水表面上的風(fēng)速,室內(nèi)池取0.2～0.5m/s,室外池取2～3m/s;pb——與游泳池水溫相等的飽和空氣的水蒸氣分壓力,Pa,見表2;pq——游泳池上環(huán)境空氣的水蒸氣分壓力,Pa,見表3;As——游泳池水面面積,m2;B——標(biāo)準(zhǔn)大氣壓,取101325Pa;B′——游泳池所在地的大氣壓,Pa,見表4。Qt=0.2Qs(4)Qf=cqdρ(tL-tf)ΤdQf=cqdρ(tL?tf)Td(5)式中c——水的比熱,取4.187kJ/(kg·℃);qd——游泳池每日新鮮水補(bǔ)水量,L/d;tL——游泳池池水設(shè)計(jì)溫度,℃;tf——游泳池補(bǔ)充水水溫,℃;Td——游泳池水每日加熱時(shí)間,h。2.3qwt循環(huán)水量qwt=(0.20～0.25)qc(6)Δth=Qcρqwt(7)式中qwt——被加熱的循環(huán)水量,L/h,一般不少于全部循環(huán)水量的20%～25%;Δth——被加熱循環(huán)水在換熱器進(jìn)、出口的溫差,℃。2.4集熱器性能與熱壓的關(guān)系Δtt=tmc+tmz2-tr+tL2(8)式中Δtt——換熱器計(jì)算溫差,℃;tmc、tmz——換熱器熱媒的初溫與終溫,℃。在此即太陽(yáng)能熱水進(jìn)、出換熱器的溫差,與集熱器的性能有關(guān),一般取值5～10℃,集熱器性能高,取高值;tL、tr——游泳池被加熱水在換熱器進(jìn)、出口的水溫,℃,Δth=tr-tL。2.5間接加熱時(shí)換熱器的質(zhì)量Fhx=(1.1~1.2)Q3.6εΚΔtt(9)式中Fhx——采用間接加熱時(shí),換熱器的加熱面積,m2;Q——游泳池水加熱需熱量,kJ/h;ε——換熱器結(jié)構(gòu)系數(shù),水-水交換時(shí)取ε=0.7～0.8;K——換熱器的傳熱系數(shù),W/(m2·℃)。2.6太陽(yáng)能資源區(qū)f值的確定式中Fc——采用直接式加熱時(shí),太陽(yáng)能集熱器面積,m2;Wd——游泳池水加熱全日所需熱量,kJ/d;f——太陽(yáng)能保證率,%,不同太陽(yáng)能資源區(qū)f值的取值范圍見表5。JT——太陽(yáng)能集熱器采光表面平均日太陽(yáng)輻照量,kJ/(m2·d);ηL——管路及儲(chǔ)水箱的熱損失率,一般取0.2～0.3,對(duì)于管路短、保溫好的系統(tǒng),可取0.2;ηcd——太陽(yáng)能集熱器全日集熱效率,具體取值根據(jù)集熱器產(chǎn)品的實(shí)際測(cè)試而定,一般取值范圍0.25～0.5,對(duì)于質(zhì)量好的產(chǎn)品可達(dá)0.4～0.45。2.7陽(yáng)能集熱器所需面積的計(jì)算Fin=Fc(1+δFcΚFhx)(11)式中Fin——采用間接加熱時(shí),太陽(yáng)能集熱器所需面積,m2;δ——太陽(yáng)能集熱器總熱損系數(shù),W/(m2·℃)。具體取值要根據(jù)集熱器產(chǎn)品的實(shí)測(cè)結(jié)果而定,無(wú)資料時(shí)可參考如下取值:平板型集熱器取4～6W/(m2·℃);真空管集熱器取1～2W(m2·℃)。2.8太陽(yáng)能熱水加熱系統(tǒng)VE=WΤCρΔtm(12)WT=QTT(13)式中VE——儲(chǔ)熱水箱的有效容積,L;WT——儲(chǔ)熱水箱的儲(chǔ)熱量,kJ;Δtm——太陽(yáng)能熱水溫度與游泳池水溫的溫差,℃;TT——儲(chǔ)熱水箱的儲(chǔ)熱時(shí)間,h。根據(jù)《民用建筑太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》,公共建筑以高溫水為熱媒時(shí),太陽(yáng)能間接加熱系統(tǒng)儲(chǔ)熱水箱的儲(chǔ)熱量可取60min的Q,這對(duì)于游泳池水加熱而言顯然儲(chǔ)熱量偏少?？紤]到游泳池水需持續(xù)加熱,但在白天可以邊輻照邊加熱池水的情況,建議將無(wú)陽(yáng)光輻照時(shí)游泳池散熱量?jī)?chǔ)存于儲(chǔ)熱水箱內(nèi),即TT可取一天中無(wú)陽(yáng)光輻射的時(shí)間。2.9儲(chǔ)熱水箱采用1揚(yáng)程,2.2競(jìng)爭(zhēng)壓力循環(huán)泵1流量qsc≥0.015Fin,單位L/s。循環(huán)泵1揚(yáng)程:Hsc=1.1×0.0098(H1+H2+H3+H4)(14)式中Hsc——循環(huán)泵1揚(yáng)程,MPa;H1——儲(chǔ)熱水箱最低水位至太陽(yáng)能集熱器出口最高點(diǎn)的高差,m;H2——水通過太陽(yáng)能集熱器時(shí)的水頭損失,m。集熱器的阻力應(yīng)按照產(chǎn)品廠家提供的壓力降測(cè)試曲線確定。在廠家未提供實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)時(shí),單組集熱器的水頭損失可依據(jù)圖2曲線取得;H3——循環(huán)管道內(nèi)沿程水頭損失,m;H4——循環(huán)管道內(nèi)局部水頭損失,m,一般取H4=0.2H3。2.10換熱器的性能計(jì)算qhc=Q3600Δtnρc(15)式中qhc——熱媒(太陽(yáng)能熱水)循環(huán)流量,L/s;Q——游泳池水加熱所需熱量,kJ/h;Δtn——換熱器熱媒進(jìn)、出口的初溫與終溫的溫差,一般取值5～10℃,換熱器性能高取高值。循環(huán)泵3揚(yáng)程:Hhc=1.1×0.0098(H5+H6+H7+H8)(16)式中Hhc——循環(huán)泵3揚(yáng)程,MPa;H5——儲(chǔ)熱水箱最高、最低水位的高差,m;H6——水通過換熱器時(shí)的水頭損失,m,對(duì)于水-水交換的板式換熱器可取0.03～0.05MPa;H7——循環(huán)管道沿程水頭損失,m;H8——循環(huán)管道局部水頭損失,m,一般取H8=0.2H7。2.11輔助熱源設(shè)計(jì)時(shí)耗熱量的計(jì)算太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)常用的輔助熱源種類有蒸汽或熱水、燃油或燃?xì)狻㈦?、熱泵等。由于游泳池的循環(huán)水處理加上太陽(yáng)能加熱設(shè)備系統(tǒng)比較龐大,故對(duì)中、小型游泳池,在電源供應(yīng)充足的地方,建議采用新型電能水加熱裝置(旋轉(zhuǎn)電磁熱機(jī)、光電供熱爐、液流熱能發(fā)生器),對(duì)于減少投資、節(jié)省占地來(lái)說是合理的。此時(shí),輔助加熱設(shè)備的供熱水箱仍利用太陽(yáng)能系統(tǒng)的儲(chǔ)熱水箱,輔助熱源的設(shè)計(jì)小時(shí)供熱量計(jì)算如下:Qg=(Q-1.163×ηVEΤfΔtmρ)×13.6(17)式中Qg——輔助熱源設(shè)計(jì)小時(shí)供熱量,W;Q——游泳池水加熱所需熱量,kJ/h;VE——儲(chǔ)熱水箱有效容積,L;η——有效儲(chǔ)熱容積系數(shù),取0.75～0.85;Δtm——儲(chǔ)熱水箱水溫與游泳池水溫的溫差,℃;Tf——式(17)取自《建筑給水排水設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50015—2003),對(duì)于生活熱水而言,Tf為設(shè)計(jì)小時(shí)耗熱量持續(xù)時(shí)間,原公式一般取值2～4h。用于游泳池后,由于游泳池的耗熱量基本上是均勻的,不應(yīng)是2～4h,宜取游泳池的開放時(shí)間,即8～10h。電能水加熱裝置所需功率P:Ρ=Qg1000η′(18)式中P——電能水加熱裝置所需功率,kW;η′——電能水加熱裝置的熱效率,可取95%～97%。2.12qg—輔助熱源加熱循環(huán)泵4選用循環(huán)泵4流量:qEC=Qg3600Δtmρc(19)式中qEC——輔助加熱裝置循環(huán)泵流量,L/s;Qg——輔助熱源設(shè)計(jì)小時(shí)供熱量,kJ/h(注意單位換算1W=3.6kJ/h)。循環(huán)泵4在運(yùn)行中,除去水箱的最高、最低水位高差H5外,克服的水流通過電能水加熱裝置與管道的阻力都較小,循環(huán)泵4的揚(yáng)程可控制在5～10m范圍內(nèi)。3池內(nèi)水容積vp北京地區(qū)有一座室內(nèi)公共游泳池,平面尺寸50m×12.5m,淺端水深1.2m、深端水深1.8m,池內(nèi)水容積VP=937.5m3。若考慮要滿足在春、秋季節(jié)采用太陽(yáng)能系統(tǒng)對(duì)游泳池水加熱,試計(jì)算和選用太陽(yáng)能系統(tǒng)設(shè)備。3.1qc的配置取αad=1.05,Tρ=6h,代入式(1)得:qc=164000L/h。3.2補(bǔ)充水水溫以回收點(diǎn)為1.2,有2.2qf/h確定游泳池水溫tL=26℃,查表1、表2、表3得:γ=2438.9kJ/kg,pb=3359.7Pa,pq=1893.1Pa(室溫25℃、相對(duì)溫度60%);As=50×12.5=625m2;B=101325Pa;若游泳池海拔為100m,查表4得:B′=102000Pa;vω取0.3m/s。將以上數(shù)值代入式(3)得:Qs=468072kJ/h,Qt=0.2Qs=93614kJ/h。游泳池新鮮水補(bǔ)水量為池水容積的5%,則有:qd=937.5×103×5%=46875L/d。若補(bǔ)充水水溫取12℃,代入式(5)得:Qf=114305kJ/h。代入式(2)有:Q=675991kJ/h。3.3加熱后建立池的溫度由式(6)得:qwt=0.2×164000=32800(L/h),代入式(7)得:Δth=4.92℃。此時(shí),游泳池水經(jīng)加熱的部分循環(huán)水,加熱后進(jìn)游泳池時(shí)的水溫為26+4.92=30.92(℃)。滿足《游泳池和水上游樂池給水排水設(shè)計(jì)規(guī)程》關(guān)于“被加熱的循環(huán)水溫度不宜超過40℃”的要求,因此是安全的。3.4計(jì)算stttmc取55℃、tmz取45℃、tr=30.92℃、tL=26℃,代入式(8)得:Δtt=21.54℃。3.5確定Fhx取ε=0.75,換熱器采用板式換熱器,K取2500W/(m2·℃),代入式(9)得:Fhx=5.11m2。3.6平均日輻照量測(cè)定北京為太陽(yáng)能資源較富區(qū),取f=55%、ηL取0.2、ηcd取0.45。查北京地區(qū)春、秋季4、5、9、10月份緯度傾角時(shí)月平均日輻照量JT見表6。4個(gè)月的平均日輻照量:ˉJΤ=17777kJ/(m2?d),代入式(10)得:Fc=1394m2。3.7真空管太陽(yáng)能集熱器太陽(yáng)能集熱器選用真空管集熱器,δ取1.5。將各參數(shù)代入式(11)后得:Fin=1622m2。選用某廠真空管太陽(yáng)能集熱器,每組集熱器采光面積3.2m2。集熱器由兩大片并聯(lián)設(shè)置,每片17行,每行15組,共510組真空管集熱器,總采光面積1632m2。每組集熱器左右寬2.16m,前后長(zhǎng)1.74m,放置傾角采用40°,依據(jù)集熱器的高度前后排間距為2.1m。集熱器的布置方案見圖3,放置面積約需4220m2。3.8陽(yáng)光輻照時(shí)間儲(chǔ)熱水箱水溫取55℃、游泳池水溫26℃,得Δtm=55-26=29(℃)。查氣象資料,北京地區(qū)春秋季的陽(yáng)光平均日輻照時(shí)間為: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。儲(chǔ)熱水箱選用不銹鋼材質(zhì),尺寸為10m×4m×2.5m,水深2.2m,有效容積88m3。3.9集熱器阻力損失計(jì)算流量qsc=0.015×1622=24.33(L/s)=87.6(m3/h)。揚(yáng)程Hsc:結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況,H1取12.3m;查圖2曲線,當(dāng)流量為0.015×3.2=0.048(L/s)時(shí),水流經(jīng)每組集熱器的阻力損失為1.3kPa,每行15組集熱器的總阻力損失H2=19.5kPa≈1.95m;從儲(chǔ)熱水箱至集熱器的管道采用PP-R給水塑料管,通過水力計(jì)算得H3+H4=20.5m。代入式(14)得:Hsc=0.375MPa。3.10板式換熱器儲(chǔ)熱水箱流量qhc=6759913600×10×1×4.187=4.48