太阳能在游泳池水加热系统中的应用

摘要: 太阳能作为一种可再生资源、清洁能源在游泳池水加热中应用越来越广泛，既可以用于泳池循环水的加热，也可以用于游泳池洗浴用水的加热。针对泳池循环水的加热，我国最早采用直接式加热系统，近年来逐渐偏向于间接式加热系统的发展，但随着国外一批新的直接式加热技术和系统的引进，目前直接加热方式已越来越多的用于泳池循环水加热，本文即对两种加热方式进行优越性比较，认为直接式水加热系统比较适用于泳池循环水的加热。
关键词: 游泳池 循环池水 洗浴用水 间接加热 直接加热 
　　
　　游泳池作为一种大型的水体系统，在自然条件下，特别是在冬季，为了延长游泳池的使用时间并保持适宜的池水温度，需要对池水进行加热，显然游泳池是一个耗能大户。以往游泳池的加热系统一般采用锅炉（如电锅炉、燃油锅炉或燃气锅炉等），但是运行费用太高,而且对环境造成了严重的污染。为解决上述问题，人们越来越多的倾向于利用清洁的、可再生能源对游泳池进行加热，不仅运行费用低，而且不会对环境产生破坏作用。太阳能就是其中的一种。
　　太阳能应用于游泳池加热系统可分为两部分，一部分是利用太阳能对洗浴用水进行加热，供游泳者泳前泳后洗浴；另一部分是用太阳能对游泳池循环水进行加热，以维持泳池水恒定的水温。在常规能源日趋紧张、环境日益恶化的今天,使用太阳能对游泳池水进行加热具有重要的经济效益和环保效益。
1．太阳能在我国泳池中的应用
　　太阳能作为一种清洁及安全的永久性能源，世界各国对太阳能的利用都相当重视，以减少对煤炭、石油、天然气等不可再生的一次性能源的依赖。太阳能在游泳池中的应用不仅节约了大量的常规能源，显示出巨大的经济效益，而且对减少二氧化碳排放量、保护环境具有重大意义。
　　我国地处北半球欧亚大陆的东部，幅员辽阔，有着十分丰富的太阳能资源，全国年日照小时数在2200h以上的地区，约占全国总面积的三分之二以上，具有利用太阳能的良好条件。目前,越来越多的住宅、宾馆、游泳池、公共浴池等场所采用太阳能作为其热水系统的主要热源。
　　（1）、我国最早将太阳能做为热源对游泳池池水进行加热的是在上世纪八十年代末，云南省昆明市的一些高等院校的游泳池，他们采用的是利用太阳能集热器组直接对池水进行加热。由于当时处于改革开放初期，各项技术均不成熟，所以受到很多技术信息、产品品种等因素的制约。
　　（2）、本世纪初，太阳能用于游泳池池水加热的技术迅速发展，大都采用间接加热方式对泳池水进行加热，在北京、上海、广东、昆明、浙江、哈尔滨、山西、福建、南宁等省市都有成功的应用实例，应用越来越普遍。
　　①北京市第九中学
　　游泳池为50m×15m×（0.8～1.5m），水面面积约50m2，新建设时采用常压燃油锅炉为热源，由于运行成本较高，开放时间也受到限制。为此，他们对池水加热系统进行了改造，采用了太阳能对池水及淋浴水进行加热。太阳能集热器为全玻璃真空管型，传热工质为水，集热器总面积350.4m2，共分4组团，每组团由28～29块组成。为保证吸热均匀，集热器组团采用等行程配管。设有3个6.0m3贮热水箱，为温差循环方式。供水温度为55℃时的供水能力：夏天约为35 m3/d，冬季约为14 m3/d。将太阳能制备的高温热水作为游泳池热水系统的热源，经过换热器对池水及洗浴水进行加热。据介绍，通过市场价格测算，每加热1 m3的55℃热水，太阳能耗电为2.2元；而燃油锅炉约为27元，经济效益是很显著的。同时增加了游泳池的开放时间，其社会效益也是很明显的。当然，在冬季还需用燃油锅炉补充池水和洗浴水加热因太阳能热量不足的热量。北京市第九中学所采用太阳能集热板面积与游泳池表面积之比约为0.47:1，从2004年投入使用以来，除采暖季节（当年的11月15日至次年的3月15日）需要辅助热源（城市热网）开启运行外，其他季节辅助热源可不运行。在过渡季节当中，池水水温也能维持在26℃以上，满足了使用要求。
　　②北京首钢游泳馆
　　设有50m×21m×（1.2～1.8m）的标准泳池单体建筑，池水面积1050 m2，采用真空管集热器，由于屋面面积限制，仅能设置250 m2集热器，为弥补春、秋、冬季的应用，又不想为此单建锅炉房带来的环境污染，经多方面进行比较后，采用液流热能发生器和热网热源两种辅助热源，即采暖季节用城市热网；非采暖过渡季的不足热量有电能提供；4月中旬至10月中旬期间则以太阳能供热为主。从2005年5月投入使用以来，也取得了良好的经济效益。
　　（2）、近几年，从国外引进了一部分先进技术产品，包括橡胶太阳能集热器塑料太阳能集热器，均是直接对泳池水进行加热，如昆明军区游泳训练馆。
　　昆明军区游泳训练馆游泳池尺寸为50m×25m×(1.4～1.8)m，在屋面上安装了312块（每块尺寸为3.85m×1.2m＝4.62 m2）总面积约为1350 m2的塑料材质太阳能集热器，尚在试用调试阶段。基本情况为初次池水加热时间约需2～3天（由于辅助热源尚未接通），池水温度约为26℃左右，馆内无空调设施。由于游泳池水是直接加热，温度控制相对简单，只设定池水温度，达不到设定温度时，太阳能运行工作，当达到设定温度时，太阳能停止工作。为适应太阳能丰富季节池水超过规定太阳能无必要开启情况，集热器可采用并联方式，此时期可关闭部分集热器不运行或用管道切换，将淋浴水接入不参与池水循环的集热器进行预热，充分利用太阳能热能，达到更好的节能效果。冬季太阳能集热器因气温偏低，集热效率极低，则集热器已无使用价值。这就要求将集热器内的存水全部排空，以防冬季寒冷结冰使管道破裂。可采用人工方法或自动方法排空，这一点从设计上就要予以考虑。
2．太阳能在游泳池水中的两种加热系统
　　太阳能对游泳池池水的加热按传热类型可分为直接式加热系统和间接式加热系统，直接式系统也叫一次循环系统，间接式系统称为二次循环系统。
2.1 直接式加热系统
　　这种加热方式就是游泳池水经过净化处理后，经过太阳能集热器直接对池水进行加热，再送入游泳池。游泳池池水直接式太阳能加热系统一般由集热器、循环水泵、辅助加热设备、真空吸气阀、管道及附件和自动控制系统等组成，系统组成图如下。
　　其中真空吸气阀是起当循环水泵停止运转时，空气通过该阀进入管道内，使管内的水在重力作用下回流到游泳池，确保排空管内存水，以防止寒冷冬季管道不会被冻坏。

图1   直接式太阳能加热池水系统
　　该系统的工作原理为池水通过循环水泵加压送到屋面上的集热板中，利用水的流动带走集热板获得的太阳照射产生的热量，使水升温，再将升温后的水送回游泳池，如此往复使池水升温至设计要求的温度。该形式换热的进出水温差仅为1℃～3℃。
2.2 间接式加热系统
　　这种换热方式就是将太阳能集热器加热的水作为热源高温水，再利用该高温水通过热交换器对游泳池水进行交换加热，以防止含有氯消毒剂残留量对金属腐蚀。游泳池水太阳能间接式加热方式一般由集热器、蓄热水箱、辅助加热设备、控制系统、循环水泵和集热管道等组成，系统组成如下图所示。

图2   间接式太阳能加热池水系统
　　由于是二次热交换，不仅热效率比直接式换热低，而且换热器的阻力较大，能量消耗也较大。这种方式一般适用于高温升小流量的玻璃材质的太阳能集热器。
2.3 两种方式的性能比较
表3   两种加热方式比较
性能 直接加热系统 间接加热系统
换热方式 一次换热 二次换热
加热方式 直接加热 间接加热
系统形式 闭式系统，承压能力好 闭式系统，承压能力好
集热效率 效率高 效率一般
热损失 热损较少 热损少大
水温温升 温升慢、低 温升快、高
循环流量 流量大 流量小
安装维护 安装简单、维护方便 安装维护简单，容易破损
储热水箱 无，节省设备空间，节省投资 有，占用大量设备空间
集热器类型 平板式、橡胶塑料式 真空管式、热管式
　　从上述分析可知，就生活热水加热效果而言，间接式加热要比直接式加热系统效果好，但是对于游泳池水加热，直接式加热系统有其特殊的优势：
　　1）直接式太阳能加热是把泳池水在太阳能集热器中直接加热，属于一次换热，集热效率高；间接式太阳能加热而是通过传热工质，再依靠热交换器对循环池水进行加热的方式，属于二次换热，集热效率比直接式换热方式低。
　　2）直接式太阳能加热系统每次循环通过的流量较大，因而温度升温也较低，一般一次循环水温仅升高1℃～3℃；而间接式太阳能每次加热产生的流量较小，温度升温也较高，一般可达50℃～60℃。
　　3）直接式太阳能加热系统热损失低，一般为0.24～0.26m3/h.m2（以模块面积选用），水头损失仅为0.5m，特别适用游泳池池水恒温直接加热，而间接式热损失较大。
　　4）直接式太阳能加热系统无需设置二次换热水箱，节省建筑空间；而间接式太阳能需设置二次换热的储热水箱，增大投资。
　　因此，由于游泳池池水加热的特点是补充游泳池的散热，维持游泳池水温基本不变，要求泳池循环水加热流量较大且加热升温不大，适合于水温温升小、流量大的换热方式，因而对于游泳池池水的加热比较适宜采用直接加热的热交换方式。
　　但是，当游泳池水采用直接加热方式时，需要注意一些问题：
　　1）直接式太阳能加热由于是把泳池水在太阳能集热器中直接加热，在寒冷地区，尤其是在冬季，应确保及时排除集热器管道中的残余水，防止寒冷冬季管道冰冻现象，通常做法是需安装真空吸气阀。
　　2）由于是自来水直接在太阳能集热器中进行加热，必须确保太阳能集热器的进水水质，若水质不符合要求，会造成集热器的堵塞和适用寿命的降低。
　　3）一次循环一般只升高1℃～3℃，所以一般应在系统中设太阳能辐射感应探头和水温感应探头，以实现系统的自动控制运行，保证系统经济合理运行。
　　4）由于直接式太阳能加热升温低、流量大，所以比较适宜选用橡胶或者塑料材质的集热器，其集热效率高达60%以上，不仅吸收太阳照射热而且还吸收屋面板辐射热（见下图）。

 
图3   塑料材质集热器
3．结论
　　综上所述， 我们可以得出以下结论：
　　（1）、我国太阳能资源比较丰富，大部分地区均可应用太阳能对游泳池水进行加热，以实现可再生能源的利用。
　　（2）、对于间接式太阳能加热，由于属于高温二次换热，高温升、小流量，一般比较适用于对生活热水或者游泳池洗浴用水的加热；
　　（3）、直接式太阳能加热系统，一次换热、热损失小、集热效率高、流量大、温升小，比较适宜用于游泳池池水加热，且一般适宜选用塑料及橡胶材质的太阳能集热器。
　　将太阳能应用于游泳池池水和洗浴用水的加热，实现了可再生能源的利用，响应了国家“四节一环保”的方针政策，是今后游泳池加热技术的发展方向之一。而对于游泳池循环池水的加热，直接式太阳能加热系统有雄厚的发展潜力。