CN104110820B

CN104110820B - 太阳能热水与锅炉余热回收耦合梯级利用的方法和装置

Info

Publication number: CN104110820B
Application number: CN201410337051.3A
Authority: CN
Inventors: 王亨; 胡振杰; 邓娜; 高原; 张强
Original assignee: Tianjin University Research Institute of Architectrual Design and Urban Planning
Current assignee: Tianjin University Research Institute of Architectrual Design and Urban Planning
Priority date: 2014-07-15
Filing date: 2014-07-15
Publication date: 2017-01-18
Anticipated expiration: 2034-07-15
Also published as: CN104110820A

Abstract

本发明公开了一种太阳能热水与锅炉余热回收耦合梯级利用的方法，使自来水A进入太阳能集热板，吸收太阳热量获得预热水A；在锅炉烟道上安装换热器，使自来水B进入换热器吸收烟气中的热量，获得预热水B；使预热水B与预热水A汇集，获得预热水C，预热水C优先用于低温给水，剩余部分用于锅炉给水；锅炉给水量不足时，再用自来水C进行补水；锅炉设置蒸汽出口，用于高温给水。本发明还公开了采用上述方法的太阳能热水与锅炉余热回收耦合梯级利用的装置。本发明为既有公用建筑的节能改造提供了良好的解决方案，该方案的能源利用率高，节能效果和经济效果显著。

Description

太阳能热水与锅炉余热回收耦合梯级利用的方法和装置

技术领域

本发明涉及一种属于可再生能源利用，烟气余热回收利用，能源梯级利用的技术领域，特别是一种太阳能热水与锅炉余热回收耦合梯级利用的方法和装置。

背景技术

余热、废热巨大潜力的开发一直是业界普遍关心的问题。锅炉的排烟余热损失是锅炉各项损失中最大的一项热损失，也是高污染，锅炉效率低的主要原因，因此合理有效地利用烟气余热，提高锅炉效率，减少锅炉排污量与耗能就变得十分重要。根据《公共建筑节能设计标准GB50189-2005》中的要求，应充分利用锅炉产生的多种余热，因此，新建的锅炉都会在出口处加设烟气余热回收装置。但对于大量的不节能的既有公用建筑而言，原有的锅炉已投入使用多年，且基本上都没有烟气余热回收装置，所以现在仍有大量的锅炉将高温烟气直接排放到环境中，这即造成环境污染和生态破坏，也造成热污染，同时还造成一次能源的浪费，影响锅炉效率。不仅如此，现今既有建筑存在的普遍问题还有：原有的锅炉系统亟待改造，但由于多种原因，不便直接更换新型锅炉，这就要求在原有的设备基础上进行改造。而且老的锅炉系统通常是一台锅炉承担不同的需水区域的热水，不同区域需要的水温会有所不同，而单台锅炉只能提供一种供水温度，在实际使用时还要再进行冷却降温，造成不便与高品质介质的浪费。

太阳能以其清洁、源源不断、安全等显著优势，吸引了人们的关注，并已逐渐成为人类使用能源的重要组成部分。因此,利用太阳辐射热产生热水供给建筑使用是普遍使用的一项技术,在多层建筑设计中，应当首先考虑将太阳能作为热源的可能性。然而，太阳能的能量密度低，能源品味较低，而且它因地而异，因时而变，在实际应用时，会出现系统运行不稳定,效率低等特点，使其发挥受到一定的限制，许多加设太阳能集热装置的建筑也会将其闲置。但如果能合理的配置太阳能集热器，就能即充分利用太阳能的优点又能弥补系统自身的缺陷。同时，对于整体供热水系统而言，热水要求温度不同，低温的太阳能热水可直接满足需求温度不高的用户部分。

随着近几年节能改造要求普及，很多建筑增添了太阳能供热水系统，来分担建筑用热负荷。但由于诸多因素的影响，大部分公用建筑的太阳能热水系统利用率较低，甚至出现了闲置的情况。由此可见，合理使用清洁可再生能源对供能系统进行改造，实现热量梯级供应，降低高品质能源的生产量，提高燃料利用率，减少污染气体的排放的要求是十分迫切的。因此，本发明拟在最大限度保留建筑原有设备的基础上，充分利用清洁可再生能源，来解决既有建筑节能改造的问题。

发明内容

本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种太阳能热水与锅炉余热回收耦合梯级利用的方法和装置，为既有公用建筑的节能改造提供了良好的解决方案，该方案的能源利用率高，节能效果和经济效果显著。

本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的一个技术方案是：一种太阳能热水与锅炉余热回收耦合梯级利用的方法，使自来水A进入太阳能集热板，吸收太阳热量获得预热水A；在锅炉烟道上安装换热器，使自来水B进入换热器吸收烟气中的热量，获得预热水B；使预热水B与预热水A汇集，获得预热水C，预热水C优先用于低温给水，剩余部分用于锅炉给水；锅炉给水量不足时，再用自来水C进行补水；锅炉设置蒸汽出口，用于高温给水。

本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的另一个技术方案是：采用上述方法的太阳能热水与锅炉余热回收耦合梯级利用的装置，包括太阳能集热板和锅炉，该装置还包括控制器、换热器和分集水器；所述锅炉设有烟道、蒸汽出口和给水总管；所述锅炉的给水总管上设有水泵Ⅱ和流量监测器，所述流量监测器位于所述水泵Ⅱ的下游；所述分集水器上设有一个集水管、一个分水管Ⅰ和一个分水管Ⅱ；所述分水管Ⅰ上设有电磁阀Ⅱ和水泵Ⅲ，所述水泵Ⅲ设置在所述电磁阀Ⅱ的下游；所述分水管Ⅱ上设有电磁阀Ⅲ，所述集水管上设有水泵Ⅰ；所述换热器安装在所述锅炉的烟道上，所述换热器设有气侧进气管和水侧排水管，在所述换热器的水侧排水管上设有电磁阀Ⅴ，在所述换热器的气侧进气管上设有温度传感器Ⅱ；所述太阳能集热板设有给水管和排水管，所述太阳能集热板的排水管上设有温度传感器Ⅰ和电磁阀Ⅰ，所述电磁阀Ⅰ位于所述温度传感器Ⅰ的下游；所述太阳能集热板的排水管和所述换热器的水侧排水管分别与所述集水管连接；所述分水管Ⅱ和自来水给水支管分别与所述锅炉的给水总管连接，所述自来水给水支管上设有电磁阀Ⅳ；所述分水管Ⅰ与低温给水管连接，所述锅炉的蒸汽出口与高温给水装置连接；所述电磁阀Ⅰ、所述电磁阀Ⅱ、所述电磁阀Ⅲ、所述电磁阀Ⅳ、所述电磁阀Ⅴ、所述水泵Ⅰ、所述水泵Ⅱ、所述水泵Ⅲ、所述温度传感器Ⅰ、所述温度传感器Ⅱ和所述流量监测器分别与所述控制器连接。

在所述锅炉的给水总管的出口处设有温度计Ⅰ。

在所述低温给水管的出口处设有温度计Ⅱ。

本发明具有的优点和积极效果是：通过将太阳能辐射热产出热水的装置、锅炉烟气冷凝回收装置与传统锅炉进行有机的耦合，解决了既有老旧公共建筑节能改造的问题。本发明不仅应用了清洁可再生能源—太阳能将锅炉供水进行预热，提高可再生能源利用率，且将锅炉的烟气与锅炉供水进行热交换，提高供水温度，降低排烟温度，提高锅炉效率，同时整个系统可按需求进行梯级供热，减少不必要的冷却、冷凝。综上所述，本发明不但减少了锅炉燃料的消耗和大量有害气体的排放，也减少了环境的热污染，提高了锅炉效率，实现了可再生能源的利用和系统能源的梯级利用；不仅提高了整体供热系统的能源利用率，节能效果和经济效果也十分显著。

附图说明

图1为本发明太阳能热水与锅炉余热回收耦合梯级利用的装置的结构示意图；

图2为某培训中心应用本发明太阳能热水与锅炉余热回收耦合梯级利用的装置的示意图。

图中：1、集热板；2、控制器；3、烟道；4、换热器；5、蒸汽出口；6、锅炉；7、分集水器；8、水泵Ⅰ；9、水泵Ⅱ；10、水泵Ⅲ；V₁、电磁阀Ⅰ；V₂、电磁阀Ⅱ；V₃、电磁阀Ⅲ；V₄、电磁阀Ⅳ；V₅、电磁阀Ⅴ；T₁、温度传感器Ⅰ；T₂、温度传感器Ⅱ；T₃、温度计Ⅰ；T₄、温度计Ⅱ；L₁、流量监测器。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

针对设有没达到寿命期的老旧锅炉和闲置或利用率低的太阳能集热的既有公用建筑而言，如何将多种系统耦合，实现能源供需匹配，以及提出各能源互补运行策略，从而实现能源系统高效的运行，都是如今要解决的问题。对于能源利用端具有梯级利用需求的系统而言，能源供应端灵活的梯级供应可令使用端更方便的应用。因此，本发明拟将太阳能集热水系统与锅炉烟气余热回收系统进行耦合，利用太阳能先将自来水加热到一定温度，与锅炉排烟热回收后的热水混合，可直接供低温需求用户使用，也可作为锅炉预热水使用，而锅炉产生少量高品位蒸汽则可满足高品位的用热需求。为此，本发明提供一种太阳能热水与锅炉余热回收耦合梯级利用的方法和装置，该方法和装置不仅能实现能源阶梯利用，使系统配置更合理，还实现了清洁可再生能源的利用，减少了燃料使用量，减少污染物的排放，降低了烟气的排放温度，提高锅炉效率。这样可使整个供能系统的能源利用率都有所提高，节能效果更理想。

本发明提供的一种太阳能热水与锅炉余热回收耦合梯级利用的方法：使自来水A进入太阳能集热板，吸收太阳热量获得预热水A；在锅炉烟道上安装换热器，使自来水B进入换热器吸收烟气中的热量，获得预热水B；使预热水B与预热水A汇集，获得预热水C，预热水C优先用于低温给水，剩余部分用于锅炉给水；锅炉给水量不足时，再用自来水C进行补水；锅炉设置蒸汽出口，用于高温给水。

请参阅图1，本发明提供了一种采用上述方法的太阳能热水与锅炉余热回收耦合梯级利用的装置，该装置包括太阳能集热板1、锅炉6、控制器2、换热器4和分集水器7；所述锅炉设有烟道3、蒸汽出口5和给水总管；所述锅炉的给水总管上设有水泵Ⅱ9和流量监测器L₁，所述流量监测器L₁位于所述水泵Ⅱ9的下游；所述分集水器7上设有一个集水管、一个分水管Ⅰ和一个分水管Ⅱ；所述分水管Ⅰ上设有电磁阀ⅡV₂和水泵Ⅲ10，所述水泵Ⅲ10设置在所述电磁阀ⅡV₂的下游；所述分水管Ⅱ上设有电磁阀ⅢV₃，所述集水管上设有水泵Ⅰ8；所述换热器4安装在所述锅炉的烟道3上，所述换热器4设有气侧进气管和水侧排水管，在所述换热器的水侧排水管上设有电磁阀ⅤV₅，在所述换热器的气侧进气管上设有温度传感器ⅡT₂；所述太阳能集热板1设有给水管和排水管，所述太阳能集热板1的排水管上设有温度传感器ⅠT₁和电磁阀ⅠV₁，所述电磁阀ⅠV₁位于所述温度传感器ⅠT₁的下游；所述太阳能集热板1的排水管和所述换热器4的水侧排水管分别与所述集水管连接；所述分水管Ⅱ和自来水给水支管分别与所述锅炉6的给水总管连接，所述自来水给水支管上设有电磁阀ⅣV₄；所述分水管Ⅰ与低温给水管连接，所述锅炉的蒸汽出口5与高温给水装置连接；所述电磁阀ⅠV₁、所述电磁阀ⅡV₂、所述电磁阀ⅢV₃、所述电磁阀ⅣV₄、所述电磁阀ⅤV₅、所述水泵Ⅰ8、所述水泵Ⅱ9、所述水泵Ⅲ10、所述温度传感器ⅠT₁、所述温度传感器ⅡT₂和所述流量监测器L₁分别与所述控制器2连接。

为了获取锅炉给水的准确温度，可以在所述锅炉6的给水总管的出口处设有温度计ⅠT₃，所述温度计ⅠT₃位于所述流量监测器L₁的下游。为了获取低温供水的准确温度，可以在所述低温给水管的出口处设有温度计ⅡT₄。

上述装置的控制策略为：使自来水进入太阳能集热板，吸收太阳热量达到设定温度后，其排水管上的电磁阀Ⅰ打开，预热水A进入分集水器。在锅炉烟道上安装一个低阻力、换热效率高的换热器，锅炉平稳运行时，自来水进入换热器吸收烟气中的热量，获得预热水B，预热水B再与来自太阳能集热板的预热水A汇合，一起进入锅炉前的分集水器。分集水器的内的预热水C优先进入低温用水区域，以替代之前的蒸汽，分集水器剩余的水量再进入锅炉给水。锅炉进水量不足时，再开启自来水给水支管上的电磁阀Ⅳ进行补水。

上述装置的工作过程：

一)启动太阳能集热板，使自来水首先流经太阳能集热板，经过太阳能加热，到达设定温度后，温度传感器T₁输出信号给控制器2，开启阀门ⅠV₁，预热后的水首先由水泵8送入分集水器7中，阀门ⅡV₂关闭，阀门ⅢV₃开启，水泵9将预热水A送入锅炉6，流量传感器L₁监测水量不足时，控制器2开启阀门ⅣV₄进行补水。

二)锅炉启动时，先由步骤一)中的太阳能热水和/或自来水作为锅炉给水，锅炉运行平稳后，温度传感器T₂监测烟气温度达到一定值时，输出信号给控制器2开启阀门ⅤV₅，自来水流经换热器，吸收烟道中烟气的热量，换热器中水侧的水经过加热后流入分集水器，与太阳能集热板加热的水进行混合。换热器中烟气侧的烟气经过换热后温度降到露点温度以下，产生的凝结液对烟气中的污染性气体也有一定的吸收作用，一同排出换热器，而经过降温、降污染物浓度的低温烟气再由烟道排出。

三)待装置内各系统都稳定运行后，分集水器7中得到的由太阳能加热的热水和由烟气冷凝换热器加热的热水首先考虑供应系统中的低温用水区域，阀门ⅢV₃关闭，阀门ⅡV₂开启，水泵10开启，将预热水C送入低温用水区域直接使用。在供水有剩余的情况下，再打开阀门ⅢV₃，将剩余部分的预热水通入锅炉中，调高锅炉的供水温度，同时，流量检测器L₁会根据进水量调节阀门ⅣV₄进行补水。锅炉中所产的蒸汽直接送到蒸汽需求区域，用于高温给水。

在本发明中，锅炉供水来源为自来水，太阳能热水系统与烟气冷凝回收系统分别对自来水进行预热，预热水汇合后由分集水器按需求送入低温用水区域和锅炉内。具体讲，利用太阳能集热装置和烟气冷凝热回收利用装置对锅炉供水进行预热，预热水可以直接应用，满足系统中温度需求较低的用户部分，也可以将其供入锅炉，提升入炉的水温，从而提高锅炉效率，降低能耗，减轻对环境的污染。

本发明的优点在于：

1)利用清洁可再生能源太阳能和锅炉烟气余热来降低锅炉燃料的消耗，提高锅炉效率，降低运行成本，减少排放，既节能又环保。

2)将预热水直接应用于低温需水区域，实现了能源梯级利用，充分利用能源，提高了系统的整体能源使用效率。

本发明的应用实例：

某培训中心的某建筑顶层安装有太阳能集热器可承担热水负荷，但因温度不稳定目前搁置不用。另外，锅炉房现有燃气锅炉一台，消耗燃气量为30Nm³/h，制备出的蒸汽主要满足食堂工艺需求和制备洗浴热水用途，锅炉排烟温度较高，为250℃，直接排入大气造成热量浪费。因此为节约能源，迫切需要将太阳能系统投入使用及研究烟气余热回收技术进行热量的回收利用，本发明的开发正好满足这些要求。同时，目前该培训中心的餐厅所需蒸汽以及生活用热水均通过现有燃气锅炉来供给，生活热水是由蒸汽对储水罐中的冷水混合加热制得，会造成高品质能源不必要的浪费。利用本发明，在烟道上增设烟气冷凝热回收利用装置，将排烟温度降到烟气露点温度以下，且结合实际情况，对能源供应系统进行合理的优化改造，将闲置不用的太阳能热水系统加入使用，将低温热水用做余热水或直接对低温需水区域进行供水。

请参见图2，改造方案通过控制器，控制各电磁阀与泵的开启，实现对锅炉运行的调控。太阳能热水器和锅炉烟道中的烟气冷凝热回收利用装置都由装置中的控制器控制。对于太阳能热水器，自来水进入集热板中加热，当水温升到设定温度，出口处电磁阀ⅠV₁开启，预热水A进入分集水器7中，首先作为预热水进入锅炉中，提高锅炉供水温度，自来水初始温度20℃，经过太阳能热水器加热，出水温度可以达到45℃(监测得到的全年平均值)。对于烟气冷凝热回收利用装置，锅炉运行一段时间后，当烟道内烟气达到一定温度后，开启换热器4出水口处的电磁阀ⅤV₅，自来水进入换热器4中吸收烟气中的热量，从换热器4中出来的热水进入分集水器7中与太阳能热水器制得的热水混合。烟气冷凝换热器可将自来水从20℃提高到42℃；同时烟气经过换热器4后放热，温度从250℃降至60℃左右，得以回收烟气余热。初步估算燃气锅炉效率可提高15％左右。在各系统都正常平稳工作后，分集水器7中的预热水首先供应浴室储水罐，此时电磁阀ⅡV₂开启，电磁阀ⅢV₃关闭，当储水罐储水量足够时，电磁阀ⅡV₂关闭，电磁阀ⅢV₃开启，分集水器7中的热水再流入锅炉中，提高锅炉的供水温度。当锅炉处进水量不足时，开启电磁阀ⅣV₄用自来水对锅炉进行补水，如浴室储水罐水量不足或温度不够时，再采用原先的蒸汽与储水罐中的水混合的方法制得。锅炉制得的蒸汽用于供应餐厅用汽和浴池部分用汽。

该培训中心的供热系统每年耗23.8万Nm³天然气，采用本方案后每年可节省4.3万Nm³天然气，节能率达18％，天然气售价为2.95元/Nm³时，每年的经济效益可达12.6万元，项目投资回收期2年。

尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种太阳能热水与锅炉余热回收耦合梯级利用的装置，包括太阳能集热板和锅炉，其特征在于，该装置还包括控制器、换热器和分集水器；

所述锅炉设有烟道、蒸汽出口和给水总管；所述锅炉的给水总管上设有水泵Ⅱ和流量监测器，所述流量监测器位于所述水泵Ⅱ的下游；

所述分集水器上设有一个集水管、一个分水管Ⅰ和一个分水管Ⅱ；所述分水管Ⅰ上设有电磁阀Ⅱ和水泵Ⅲ，所述水泵Ⅲ设置在所述电磁阀Ⅱ的下游；所述分水管Ⅱ上设有电磁阀Ⅲ，所述集水管上设有水泵Ⅰ；

所述换热器安装在所述锅炉的烟道上，所述换热器设有气侧进气管和水侧排水管，在所述换热器的水侧排水管上设有电磁阀Ⅴ，在所述换热器的气侧进气管上设有温度传感器Ⅱ；

所述太阳能集热板设有给水管和排水管，所述太阳能集热板的排水管上设有温度传感器Ⅰ和电磁阀Ⅰ，所述电磁阀Ⅰ位于所述温度传感器Ⅰ的下游；

所述太阳能集热板的排水管和所述换热器的水侧排水管分别与所述集水管连接；所述分水管Ⅱ和自来水给水支管分别与所述锅炉的给水总管连接，所述自来水给水支管上设有电磁阀Ⅳ；所述分水管Ⅰ与低温给水管连接，所述锅炉的蒸汽出口与高温给水装置连接；所述电磁阀Ⅰ、所述电磁阀Ⅱ、所述电磁阀Ⅲ、所述电磁阀Ⅳ、所述电磁阀Ⅴ、所述水泵Ⅰ、所述水泵Ⅱ、所述水泵Ⅲ、所述温度传感器Ⅰ、所述温度传感器Ⅱ和所述流量监测器分别与所述控制器连接；

该太阳能热水与锅炉余热回收耦合梯级利用的装置采用以下方法：使自来水A进入太阳能集热板，吸收太阳热量获得预热水A；在锅炉烟道上安装换热器，使自来水B进入换热器吸收烟气中的热量，获得预热水B；使预热水B与预热水A汇集，获得预热水C，预热水C优先用于低温给水，剩余部分用于锅炉给水；锅炉给水量不足时，再用自来水C进行补水；锅炉设置蒸汽出口，用于高温给水。

2.根据权利要求1所述的太阳能热水与锅炉余热回收耦合梯级利用的装置，其特征在于，在所述锅炉的给水总管的出口处设有温度计Ⅰ。

3.根据权利要求1所述的太阳能热水与锅炉余热回收耦合梯级利用的装置，其特征在于，在所述低温给水管的出口处设有温度计Ⅱ。