摘要 本文以河北省秦皇岛市经济技术开发区动力公司太阳能+低谷电双水箱热水系统为例，介绍了在楼顶安装太阳能集热器,应用太阳能+低谷电双水箱方式，为使用者降低运行成本，同时充分利用建筑物所能提供的安装条件，达到太阳能与建筑相结合的目的。该工程充分利用了太阳能与低谷电的优势，合理规划，设计出了一套稳定高效的热水系统。
1工程概况
河北省秦皇岛市经济技术开发区动力公司（以下简称“动力”）位于秦皇岛市经济技术开发区崇山路西、闽江道东，拥有锅炉房6座，自有供热能力547MW，供汽能力115t/h，供热管网（一次网）138km，蒸汽管网26.5km，主要负责秦皇岛市开发区的供热及蒸汽供应管理。
图1动力
动力此前采用独立小型锅炉提供四季洗浴用热水，由于近些年秦皇岛市的太阳能热利用程度非常高，同时按照秦皇岛市城市空气污染物排放管理要求，动力公司决定采用太阳能热水系统替代传统锅炉热水系统，在降低污染物排放的同时，达到减少相关费用支出的目的。
浴室位于动力东南角独立的一层建筑，西面是浴室间，东面是锅炉房，锅炉停用，但是暂时保留，不进行拆除，太阳能系统只能放置在楼顶，经过实际测量，楼顶提供的有效面积为70㎡。
2太阳能热力系统方案设计
2.1设计要求太阳能热力系统四季运行，每天需要洗浴的职工人数按照100人考虑，提供充足的热水供应，该系统采用空气源热泵作为辅助热源，即保证光照不足时职工的正常洗浴，又可以减少电能消耗，降低使用费用；该系统需采用落水法取水，提高热水利用率；该系统控制成本造价，投资回收期在3a~4a。2.2确定方案
2.2.1现场条件
按照楼顶有效使用面积，至少要匹配太阳能集热器97.5㎡，水箱需要占用6㎡左右的面积，根据现场勘察，楼顶面积有限，最多只能摆放太阳能集热器65㎡，即每日太阳能集热器所集热量不能满足当日用热需要，任何天气都需要辅助热源进行热量补充。
2.2.2空气源热泵分析
由于北方冬季天气寒冷，秦皇岛市最低温度可达-25℃，虽然一些空气源热泵参数指出可以-20℃正常工作，但是此时的COP值毫无保证，平均效率太低，投资也就失去意义，而且空气源热泵为了保证其换热效果，需要定期清理灰尘，维护较为不便。2.2.3方案建议秦皇岛市企业用电峰段电价1.2元/（kW·h），平段电价0.76元/（kW·h），谷段电价0.34元/（kW·h），谷段电价与峰段电价的比值为1:3.53，采用低谷段电能进行不足热量的补充，不但可以降低电费支出，相对比较采用空气源热泵又可以降低初投资，减少后期维护管理费用，所以综合各方面因素，我们建议动力采用太阳能+低谷电双水箱热水系统。
动力采用太阳能+低谷电双水箱系统，但是提出，可不可以将电辅助加热器改为空气源热泵，这样在谷电时段使用空气源热泵，更好地节能、低耗。
经过相关分析，考虑楼顶面积等因素，最终放弃了空气源热泵的构想，确定了采用太阳能+低谷电双水箱热水系统搭配电辅助加热器的方案。
2.3方案概况
整套太阳能热力系统共计真空管500支，集热面积65㎡；
系统包括容积为4.5m³不锈钢内胆储热水箱2台；
每个水箱匹配电加热器36kW；
安装水泵3台；
电动阀门4台。
3系统运行原理
图2太阳能热力系统原理
3.1系统创新点
动力采用落水法取水，在运行过程中，两个水箱的水量、水温会发生各种变化，太阳能热力系统必须掌握两个水箱的水温、水量及所含热量，才能保证功能控制的准确性，水温很容易测量，在水量的确定上，液位变送器是最佳选择，但考虑到要控制系统成本，本项目没有采用液位变送器，而是采用了多点液位探头测量。如图3所示：
图3水箱探头分布
将水箱等分成5个液面高度，探头按照水箱结构进行精确放置，1号~5号液位线中，每两个液位线之间的水量约为0.9m³。同时存在一个公共点和一个“停止液位线”，两个水箱共占用PLC12个输入点。
系统运行时，PLC系统只需要根据液位探头探得该水箱液位高度及该水箱水温，就可以确定该水箱储存的热量值。
3.2蓄热工况
夜间到达谷电时段（23:00~07:00），系统会根据两个水箱液位高度及水温情况，自动计算出两个水箱的热量值，选择其中较高的一个开启电加热器，对其进行低谷电蓄能（热量相同时，选择液位量较少的水箱；液位也相同时，选择一号水箱），如果水箱液位未满，则开启上水电磁阀及对应该水箱的集热电动阀（D1或D2），开始上水，水满则停；当该水箱温度达到设定温度时（60℃），停止加热，同时该水箱被选择为“供热水箱”，开启对应水箱的供水电动阀（D3或D4）,客户用水时，水泵(P3)运转，使用该水箱中的热水。图4为控制系统，图5为触摸屏界面。
图4控制系统
图5触摸屏界面
3.3集热工况
另外一个水箱被选择为“集热水箱”，打开该水箱对应的集热电动阀（D1或D2）。
1.该水箱液位未满且水温不足55℃时，或者，该水箱液位达到满水状态时：系统对比集热温度T1和该水箱温度（T2或T3），出现温差后，系统启动该水箱对应的循环泵（P1或P2），水箱开始集热升温；
2.该水箱液位未满且水温达到55℃时：系统检测集热温度T1,当集热温度达到58℃时，开启上水电磁阀，当集热温度低于53℃时，停止上水。
3.4液位预警
补水取水法，由于液位量保持恒定，所以设计了一个温度预警模式，水箱具备4个设定温度，用于在“供热水箱”温度过低时，“集热水箱”提前做好准备及切换两个水箱功能。
本项目采用落水法取水，温度不再是考虑因素，而要考虑液位的变化。
由于每天开始送热时，“供热水箱”为满水位状态，所以除了极特殊情况，“供热水箱”均可以满足用水要求，所以此处的预警措施是：
1.当“供热水箱”液位低于“2号液位线”时：停止太阳能集热器与“集热水箱”的集热换热动作，当集热温度T1达到58℃时，开启上水电磁阀及“供热水箱”对应的集热电动阀（D1或D2），优先将集热器热水送至“供热水箱”，当集热温度低于53℃时，停止上水；
2.当“供热水箱”液位低于1号液位线时：马上检测“集热水箱”温度，当该水箱液位不足“1号液位线”时则开启补水（补水过程将临时征用上水电磁阀及对应的集热电动阀），当水温不足55℃时，开启电加热器，水温达到58℃停止；
3.当“供热水箱”液位低于“停止液位线时”：切换两个水箱功能。
3.5部分规则：
1.当水箱液位低于“1号液位线”时，禁用该水箱电辅助加热器；
2.处于“集热水箱”功能的水箱，水温不得低于50℃，液位不得低于“1号液位线”。
图6施工现场
4经济效益对比分析
表1太阳能+低谷电双水箱热水系统与原有燃煤锅炉经济效益分析
5结论
5.1根据表1对比可知，太阳能+低谷电双水箱热水系统虽然新增投资15万元，但每年节省费用5.1万元。即该系统改造后预计3a即可收回初投资，符合动力要求。
同时太阳能热力系统每年可节约标准煤约50t，减排二氧化碳123t。
5.2本文介绍的太阳能+低谷电双水箱热水系统，是该产品第一次应用到实际工程中，工程规模虽然较小，但是作为一种全新的产品，在投放市场的初期，还是应该采取较为谨慎的态度。目前该工程投入使用有4个月的时间，系统运行状态良好，在非谷电时段启动电加热的次数只有3次，系统累计消耗电费约3000元，符合设计预期。
5.3通过本工程，证明了太阳能+低谷电双水箱热水系统具备优秀的实际应用价值，凭借良好的节能效果，本产品非常适合安装不便的小范围场所，且具备使用谷电时段优惠政策的企事业单位，相信随着本产品功能的不断扩充完善，可以更好的为客户相关需求提供多样化的产品选择。（秦皇岛中荣太阳能有限公司 李志远）
