月坛奥运会游泳馆太阳能

1.引言

我国人口众多，在经济高速发展的同时，也使得在能源及环境上的压力不断增大，与此同时节能环保观念已逐渐深入人心，太阳能等新能源应用已进入增长阶段，对扩大应用领域和规模的需求日益显现。这给太阳能等新型清洁能源的利用与发展带来良好的机遇。但由于太阳能供热水受天气影响，如何使热水供应的保证率达到100%，在经济上又不因太阳能集热器面积过大而过多的增加初始投资，目前国内尚未有现成的案例。基于上述情况，针对2008年北京奥运会90%以上的热水加热能源要来自太阳能的要求，对于北京月坛奥运会游泳馆首次提出太阳能－热泵中央热水系统的解决方案，以太阳能直接辐射能量和空气中所储存的太阳能为主要热源，辅以少量的电能驱动双热源热泵，一方面减少了太阳能热水系统的总投资，另一方面，解决了阴雨天气及冬季环境温度较低太阳能资源不足时热水供应保证率，做到全年、全天候供应热水。

2.系统概述

1）系统构成

本工程是北京月坛奥运会游泳馆热水系统，系统由太阳能集热器、风冷热泵、换热系统、热水储水箱、自动控制系统及泳池等几大部分组成。主要设备见表1

太阳能集热器采用国际先进的可水平放置高效直流式太阳能真空管，管内走防冻液，冬天不怕冻，布置在新馆南侧原训练馆的平屋顶上，采光面积共672㎡，分168组集热器模块，每个集热器模块由16根ф100×2000的集热管组成。图1为直流真空管太阳能集热器阵列。热泵机组采用风冷热泵，在环境温度低于-10⁰C的情况下也可以高效运行。

图1 直流真空管太阳能集热器阵列

2）运行原理及控制系统

本系统运行时将优先利用太阳能对卫生热水和游泳池进行加热，当太阳能热水温度不足以达到使用要求时，利用太阳能集热器和热泵机组联合运行吸收低温太阳能和空气中蕴藏的太阳能为热水系统提供热源，整个系统原理如图2

1太阳能集热器 2 风冷热泵 3 储水箱 4 定压罐 5太阳能循环泵 6热水加热泵
7热水循环泵 8板式换热器I 9板式换热器 II 10补水箱 11板式换热器III

整个系统在保证热水系统可靠性和实用性的前提下，以最大限度利用太阳能为原则设计控制系统，包括自动控制系统和手动控制，其中自动控制主要由传感器，可编程控制器（PLC）及控制计算机三部分组成。系统可以通过对太阳辐照强度、环境温度、热水温度等参数的检测分析，调整控制太阳能集热系统、双热源热泵机组以及水泵等设备的运行状态，完成各个循环系统之间的切换，满足热水系统和游泳池的用热需求。

3.运行测试

当阳光充足时（系统检测到太阳能辐照强度足够），太阳能集热器中的水温高于设定值（55℃）且水箱温度低于设定值（45℃）时，打开电磁阀3、电磁阀4、电磁阀7、启动太阳能循环泵、热水加热泵，经换热器I加热热水箱中的水，直到水箱中的水的温度满足使用要求后，太 阳能热水切换至换热器II对游泳池加热。具体测试数据（2004年12月9日）如图3

图3 太阳能集热器中水温与辐照强度随时间变化图

阳光不足时，打开电磁阀4、电磁阀6、启动热水加热泵，热泵机组开始加热热水箱中的水，直到水箱中的水的温度满足使用要求后，系统结束该工况状态下的运行，切换至下一工况状态运行。图4 为部分测试数据（2004年12月28日）

图4 热水箱温度与热泵进出口温度随时间变化图

阳光充足但太阳能集热器不能保证整个系统热水供应时，打开电磁阀1、电磁阀4、电磁阀6、启动太阳能循环泵、热水加热泵，热泵机组在太阳能辅助下开始加热热水箱中的水，直到水箱中的水的温度满足使用要求，2005年2月1日的测试数据如图5

图5 热水箱温度与太阳能集热器、热泵进出口温度随时间变化图

从太阳能-热泵系统运行测试数据图3、4、5可以看出，针对北京地区冬冷夏热的气候条件，太阳能热水技术同风冷热泵技术有机结合，突破了风冷热泵系统低温环境下运行效率低或无法运行的缺陷，充分利用太阳能和空气能等绿色能源，可以全年全天候提供卫生热水，在环境温度低于0℃时，系统仍然可以得到50℃以上的热水，满足使用要求。在环境温度在-2℃～ -5℃的环境温度下，通过计算系统的效能比仍然可以达到2.7；在阳光足够或者阴雨天气，可以充分发挥了太阳能－热泵系统的高效性，保证全天候热水供应，满足体育馆的使用的需求；整个系统采用微机自动控制，控制系统可以通过对太阳辐照强度、环境温度、热水温度等参数的检测分析，调整控制太阳能集热系统、热泵机组以及水泵等设备的运行状态，完成各个循环系统之间的切换，满足热水系统和游泳池的用热需求。

4.结论

本项目首次实现了太阳能—热泵大型中央热水系统方案，通过实际工程测试，减少太阳能热水系统的总投资，保证了阴雨天气及冬季环境温度较低太阳能资源不足时的热水供应，做到全年、全天候供应热水。业充分利用了清洁无污染的绿色能源，减少了对环境的污染，对于环保意义重大。月坛奥运会游泳馆热水项目的实施，将为太阳能和热泵技术的有效结合在北方冬冷夏热地区的推广起到积极的示范和推动作用。