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空气能-太阳能复合热水系统应用实例
作者:管理员    发布于:2014-06-16 00:29:40    文字:【】【】【

 空气能热泵热水系统具有节能、环保的优点,但在寒冷地区冬季能效低;太阳能热水系统在阴雨天和晚上效果不理想。空气能-太阳能复合热水系统结合了空气能和太阳能的优点,节能效果好、冬季运行可靠,是近年来大型热水系统的新应用趋势。本项目采用双水箱系统,实现加热与储水分离,真正实现恒温供水,节能效果极为显著。
    一引言
    空气能热泵热水系统具有节能、环保的优点,但在寒冷地区冬季低温环境工况条件下,其能效比低。我国太阳能资源十分丰富,国土面积的2/3以上地区年日照时间为2500小时以上,利用太阳能潜力巨大。但太阳能对天气要求较高,阴雨天等太阳辐射情况不好时无法使用。因此,空气能-太阳能复合能源系统结合了二者优点,既可单独使用空气能或太阳能供暖供热水,也可将热泵系统作为太阳能利用的辅助设备,在建筑供暖、热水等应用领域具有独特优势。
    二项目概况
    安徽淮南某高校综合服务楼热水工程,主要供浴室热水。浴室每天开放1次,每次5小时,用水量60吨/天。本热水工程项目为空气能热泵热水机组配合太阳能热水器制取热水方案,采用双水箱系统,加热与储水分离,真正实现恒温供水,节能效果极为显著。项目采用“中宇牌”商用循环式空气能热泵热水机组6台,
    三方案设计
    1、设计要求
    (1)出水温度:夏天:40-44℃;冬天:44-46℃。
    (2)用水量:60吨/天。
    (3)系统控制智能化、使用方便。
    (4)采用空气能-太阳能复合能源系统。
    (5)当地气象条件如表1所示所示:


表1当地气象条件



2、系统设计
    2.1空气能热泵热水系统
    2.1.1生活热水负荷计算
    根据CRAA311-2009《热泵热水系统设计、安装及使用规范》,应根据低温热源工况下的耗热量作为热水计算负荷,计算公式为:
    Q1=m•C•(t-t1)•s(1)
    式中:Q1为标准热水负荷,单位:kJ;
    m为热水重量,单位:kg;
    t为终了热水温度,单位:℃;
    t1为低温下初始温度,单位:℃;
    C为水的比热,单位kJ/(kg.℃);
    s为安全系数(取1.0~1.1)。
    由式(1)可计算得出:
    夏季日生活热水负荷为:Q1=60*1000*(44-22)*1.05=1386000kCal
    冬季日生活热水负荷:Q2=60*1000*(46-5)*1.1=2706000kCal
    2.1.2主机选型及数量
    以考虑节省投资为原则,取设计工况下,日工作时间为16个小时。
    根据CRAA311-2009《热泵热水系统设计、安装及使用规范》,原则上,用户耗热量小于20kW时可选用1台机组,其它用户不宜少于2台,数量多运行安全系数高。根据负荷图选取1月份负荷为选择主机的标准。
    1月份需加热功率:P1=Q1/3600/τ=2706000*4.2/3600/16=197.3kW
    式中:P1为加热热水所需功率,单位:kW;
    τ为热水主机每日工作时间,单位:h。
    本工程项目采用“中宇牌”商用空气能热泵热水器机,型号为:ZKFRS-40II,单台机组详细参数如表2所示,

    根据上述参数,可日需加热需台数:N1=197.3/26.9=7.3。由于该系统为太阳能+热泵联合加热,热泵按全负荷0.8选取,则主机数量为6台。


图2主机外观图

    图2为该机组外观图。
    “中宇牌”空气源热泵机组产品具有以下特点:
    (1)低噪音大风量设计
    根据热泵热水器盘管以蒸发为主的特点,保证噪声情况下采用大风量设计,提高盘管迎面风速,使盘管上凝结水被带走,提高盘管换热效率,而且在低温潮湿的环境下,大大延缓盘管结霜,提高机组冬季制热效果。
    (2)盘管采用小管径设计
    热泵热水器蒸发盘管采用小管径设计,提高换热效率,降低盘管成本。特别在冬季,小管径提高了制冷剂在管内的流速,提高了冬季换热效果,增加了机组制热量。
    (3)翅片采用大片间距设计
    热泵热水器蒸发盘管采用大的片间距设计,减小“水桥”发生,延缓冬季盘感结霜速度,提高了冬季机组制热效率。
(4)制冷剂分配变流速设计
    制冷剂进入蒸发盘管采用变流速分配,提高进入盘管分配毛细管流速,使气液混合更充分,保证进入每个流路的制冷剂达到平衡,发挥盘管最大换热能力。2.1.3双水箱


图3双水箱系统示意图

    本系统采用双水箱结构,如图3所示。双水箱系统有两只水箱:一只水箱负责将冷水加热到热水,另一只水箱负责储存热水。该系统将加热与储水分开,实现了每次加热均从低温冷水开始。该种设计在同样气候条件下比循环式单水箱系统节能22%左右。其特点为:
    (1)加热与储水分开,真正实现了恒温供水;
    (2)机组自动实现加热﹑储存热水﹑保温﹑补水﹑供水﹑防冻等;
    (3)控制完全集中自动化;
    (4)节能效果极为显著。
    2.2太阳能热水系统
    (1)集热面积计算
    根据GB/T50364-2005《民用建筑太阳能热水系统应用技术规范》直接系统集热器采光面积:
    (2)式中:Ac—太阳集热器总面积,单位:m2;
    Qw——最大日用水量,单位:L;
    Cw-热水的比热,单位:KJ/Kg•℃;
    tend-热水温度,单位:℃;
    tl-冷水温度,单位:℃
    f-太阳保证率,选用38%;
    JT-年平均日太阳辐照量,单位:KJ/m2;
    ηcd-集热器年平均集热效率,取:0.52;
    ηL-贮水箱和管路的热损失率,取:0.2;
    则:太阳集热器总面积
    Ac≈622.1m2
(2)集热器配置
    根据上述核算,选用HH-1500太阳能集热器(参数见表3所示),其单组集热面积为5.2m2,需安装集热器组120组。折合集热面积为624m2,在春夏秋季晴好天气情况下可平均日产45℃左右热水多于60T。工程太阳能集热器外观如图4所示。


表3太阳能集热器参数

    型号HH-1500
    结构全玻璃同轴双层圆管
    玻璃热膨胀系数3.3×10-6/0C
    罩玻璃管的透射比0.91
    太阳选择性吸收涂层溅射渐变铝-氮/铝
    太阳吸收比(AM1.5)0.91
    发射比(800C)0.06
    真空度压强≤5×10-2Pa
    典型空晒温度2000C


图4工程太阳能集热器外观图

    2.3智能控制系统
    选用品牌工业仪表及名牌电器元件制作,配有漏电、接地、过载、短路等保护措施,故障率低,确保用电安全。
    智能控制系统保证太阳能热水系统智能化全自动运行,具有以下功能:
    (1)实现热水箱的实时水温、水位显示;
    (2)实现太阳能集热器组和热水箱之间温差循环;
    (3)实现两大热水系统独立运行和耦合运行两种模式;
    (4)实现防冻、电气保护等多种功能。



四运行及控制
    该工程项目包括空气能热泵系统和太阳能系统,二者有机耦合,通过PLC控制实现智能化,具体控制如下:
    1、系统以太阳能加热为主,当阴天或晚上太阳能加热不能满足时,依次启动热泵机组进行辅助或全加热。
    2、该系统配有补水电磁阀,保温回水电磁阀。补水电磁阀自动进行补水,同时配置远程人工补水,回水电磁阀可根据回水温度结合时间定时器进行回水保温。
    3、该系统供水采用变频恒温恒压供水,可根据水龙头开启数量多少,自动调节水泵转速,同时实现水泵节能运行。
    4、该系统配有水位控制器与补水电磁阀实现自动补水。
    5、该系统配预热水箱1只和恒温水箱2只,太阳能和热泵对预热水箱加热,当水温达到设定温度(如:46℃)时停止加热。通过电磁阀切换管路,循环加热水泵把预热水箱热水送到恒温水箱储存。输送完毕后,自来水再补入预热水箱进行加热,周而复始。直到恒温水箱水满,同时预热水箱被加热到设定温度。
    6、系统进行自动保温,恒温水箱优先,如果长时间不用,恒温水箱温度下降(5℃,
    可以设定),系统自动启动热泵机组进行保温加热。
    7、系统对水泵、水箱、管道进行自动防冻,通过判断环境温度和时间,根据综合条件进行防冻。
    8、系统具有过载,过压,短路,漏电,缺相,逆相,欠压,过热等保护功能。
    9、系统采用触摸屏人机界面,界面直观。控制采用可编程PLC,可进行现场编程。
    五经济性对比分析
    1、年运行费用对比
    本项目热水60吨/日,所需热量为60×1000×(42-15)=1620000kcal。


表4年运行费用对比分析

    供热方式燃油锅炉太阳能+空气源热水器
    使用能源柴油电
    能源热值10200kcal/kg860kcal/度
    热效率70%420%
    燃料单价7.5元/kg0.8元/度
    所耗能量227kg449度
    燃料费用1702元359元
    年总费用62.1万元4.3万元
    注:太阳能一年有阴雨天、夜晚时间按120天计算,其它按365天计算。
    太阳能-空气能复合热水系统其运行费用仅为燃油锅炉的6.7%,见表4年运行费用对比分析。
    2、节能效益分析
    该高校以前使用的是燃油锅炉,每年所需运行费用约62万元。采用太阳能-空气源热泵复合热水系统,其年运行费用仅4万余元。本项目总投资约100万元,经过2年时间即可将投资成本全部收回。
六结束语


图5工程竣工图

本项目于2012年10月完工(工程竣工图如图5所示),经过用户2个月的试用,反应该系统操作简单、运行可靠,节能效果十分显著。
    本工程采用太阳能和空气能相结合的设计方案,该种方案结合了太阳能和空气能热泵的优点,二者互为补充,充分发挥节能特点。是近年来大型热水系统发展的新应用趋势。

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脚注信息
版权所有 Copyright © 2014 海口中宇通节能工程有限公司