1、太陽能與空氣源熱泵綜合設(shè)計方案 摘要 介紹了綜合應(yīng)用空氣源熱泵熱水器與太陽能的應(yīng)用實例與其設(shè)計, 探討建筑生活熱水的節(jié)能系統(tǒng)1、引言總部設(shè)在新加坡的某跨國公司, 是一家致力于為航空、汽車、計算機、消費電子、工業(yè)制造、基礎(chǔ)設(shè)施、醫(yī)療與移動產(chǎn)品行業(yè)的原始設(shè)備生產(chǎn)商(OEM) 提供完整的設(shè)計、工程與制造服務(wù)的領(lǐng)先電子制造服務(wù)供應(yīng)商( EMS) 。本文介紹的項目為其在園區(qū)(該公司全球最大的工業(yè)基地) 南北區(qū)9 棟員工宿舍樓太陽能與熱泵綜合利用的生活用水工程。南北工業(yè)區(qū)員工宿舍情況: 這9 棟建筑均為7層建筑, 其中南區(qū)1 號樓和北區(qū)1 號樓為干部宿舍樓, 其他為一般員工宿舍樓, 共能提供約8000 人

2、入住。2、設(shè)計原則首先, 考慮可再生能源的最大化利用, 優(yōu)先利用太陽能制熱, 用空氣源熱泵作為補充; 其次, 考慮盡量利用夜間低谷用電, 使用熱泵夜間加熱熱水; 另外通過溫度傳感器控制水箱溫度, 當(dāng)加熱水箱溫度達到55 度時, 系統(tǒng)自動停止運行, 進入等待期; 由于熱水制作過程是連續(xù)運行的, 故在熱水使用的同時制熱過程依然可以正常運行, 這樣可以相應(yīng)減少部分儲熱水箱的容積。3、設(shè)計與選型因為該廠區(qū)每棟都是獨立的系統(tǒng), 故選南區(qū)二棟宿舍為例子, 闡述一下方案設(shè)計與選型的思路和方法:南區(qū)二棟宿舍滿負荷時用水總?cè)藬?shù)為886 人,人均用熱水量40L , 總用水量35440L (kg) ; 考慮最不利制

3、熱水工況為冬季, 且每天使用熱水的人數(shù)占總?cè)藬?shù)的比例系數(shù)為018 ; 故總熱水用量在制熱水工況下實際熱水需求量為:Mx = 28352 kg3.1、設(shè)計參數(shù)室外氣象條件: 冬季室外計算相對濕度:70 %; 冷水計算溫度20 , 冷水最低溫度15 ;熱水計算溫度: 50 ; 用水量按40L/ 天·每人計算。3.2、負荷計算熱水需求的加熱量: 考慮冬季的使用情況, 冷水的進水溫度按15 的標準計算, 水被加熱達到的溫度為55 (業(yè)主要求) 。加熱量的計算:Q = C M( T2 - T1) (2)式中:Q 加熱量, kJ ;C 水比熱, 4119kJ / kg ;M 熱水量, L (kg

4、) ;T1 冷水進口溫度, , 按15 計算;T2 熱水出口溫度, , 按55 計算則Q = 4119 ×28352 × (55 - 15) = 4751795kJ ,此熱量為熱水系統(tǒng)所需總熱量。至于是用太陽能提供還是由熱泵提供, 或者是由兩者同時提供則要具體分析。3.3、產(chǎn)品選型(1) 太陽能集熱板的選擇:在, 太陽能有效吸收時間約為730 - 1500。方案考慮建筑物屋面的功能, 盡量多的采用太陽能集熱板覆蓋, 該棟設(shè)置太陽能集熱板195 塊共390m2。根據(jù)集熱板的性能, 冬季每天每平方米加熱水量為60kg , 則冬季太陽能集熱板每天可加熱總水量為:M = 60 &#

5、215;390 = 23400 kg (熱水) 。(2) 儲熱水箱的選擇:考慮在最不利的情況下選擇熱泵機組。即無太陽能供熱的情況下全由熱泵機組供熱給熱水系統(tǒng)。按規(guī)定一天供熱時間不大于20 小時, 持續(xù)供熱時間不大于12 小時。由于熱水系統(tǒng)中的熱水使用時間集中在晚上712 時(白班) 和上午79 時(夜班) , 故在儲熱水箱容積選擇上按兩次用水量中比較大的情況來計算。V = Mx ×0155式中:V 儲熱水箱容量, m3 ;Mx 熱水需求量, kg ;0.55 為白班占總用水量比例系數(shù)。根據(jù)式(1) 得出儲熱量為V1 = 15593kg , 故儲熱水箱容積選用為16m3。(3) 熱泵機

6、組選擇:最不利情況下滿足一天用熱泵機組總功率為:P = Q/ ( H ×3600) (4)式中:P 熱泵機組總輸出功率, kW;H 供熱時間(按要求為20 小時) 。計算得出熱泵機組總輸出功率為66kW。根據(jù)需要, 白班熱水生產(chǎn)時間為900 - 1800 ;夜班熱水生產(chǎn)時間為1800 - 600。滿足白班用熱水機組總功率, 根據(jù)式( 2) 、(3) 、(4) 與其得出的數(shù)值計算得出:白班熱泵機組總功率P白= 80166kW; 夜班熱泵機組總功率P夜= 4915kW。根據(jù)最不利情況選以上三者中功率最大值: 即機組選擇制熱量為80166kW。3.4、熱水生產(chǎn)控制方式分析是否節(jié)能運行, 關(guān)

7、鍵在于系統(tǒng)的控制是否能自動切換, 以下是太陽能集熱板與熱泵智能切換系統(tǒng)原理:太陽能中央熱水系統(tǒng)以太陽能為主體, 加以空氣能熱泵為輔。每天在充分利用太陽能的基礎(chǔ)上,再利用空氣源熱泵。這樣就存在著空氣能熱泵何時啟動何時停止的問題。我們設(shè)計了太陽能與熱泵智能切換系統(tǒng), 能解決此問題。太陽能熱水系統(tǒng)晴天最佳產(chǎn)熱時間是每天早上9 點至下午3 點, 把最佳產(chǎn)熱時間分為若干個時間段, 每個時間段設(shè)定依次升高的保溫水箱熱水溫度(太陽能期望的溫度) 。如某個時間段水箱熱水的溫度達不到設(shè)定的太陽能期望的溫度, 則熱泵啟動加熱至熱水溫度到設(shè)定的溫度就停止。這樣中央熱水系統(tǒng)能充分利用太陽能的同時要保證供熱水的溫度,

8、避免要使用熱水時熱泵來不與加熱的情況。太陽能與熱泵智能切換系統(tǒng)可自動鑒別天氣, 自動切換熱泵機組少開或不開機。實現(xiàn)了智能切換, 才真正實現(xiàn)節(jié)能運行。4、太陽能與熱泵綜合利用中央熱水系統(tǒng)經(jīng)濟分析4.1、計算依據(jù)1kW/ h 電(能) 轉(zhuǎn)化為熱能為3600kJ , 熱效率為90 % , 每kW/ h 電價為017 元; 空氣能熱泵的熱值為3600kJ / kWh , 熱效率為380 %。設(shè)年平均冷水溫度為15 , 用熱水溫度為55 。據(jù)省氣象臺預(yù)測, 每年有75 天為陰雨天, 完全由輔助加熱器加熱。4.2、計算結(jié)果(1) 每天將28352kg15 的冷水加熱到55 需吸收總熱量:Q吸= C

9、83;M入·t (5)式中:Q吸太陽能極板吸收總熱量, kJ ;M入水的質(zhì)量, kg ;t 冷熱水溫差, 計算得知: Q吸= 4175 ×106(2) 每天單純用電熱水器加熱28352kg水耗電量:M1 = Q吸/ (1 ·入1) (6)式中:M1 電加熱耗電量, 單位, kWh ;1 熱泵機組的熱值, 取值為3600kJ / kWh ;入1 轉(zhuǎn)化效率, 取值90 %計算得知: M1 = 1465kWh。(3) 每天單純用電熱水器加熱28352kg水耗電費:1465 ×017 = 1025150 元(4) 用電熱水器供應(yīng)熱水(每天28352kg) 年運行

10、費用為:1025150 ×365 = 374307150 元(5) 用空氣源熱泵每天加熱28352kg水耗電量:M2 = 347kWh。(6) 用空氣源熱泵供應(yīng)熱水(每天28352kg)年運行費用為:347 ×017 ×365 = 88658150 元1(7) 用熱泵輔助的太陽能系統(tǒng)供應(yīng)熱水(每天28352kg) 年運行費用為:347 ×017 ×90 = 21861100 元另因太陽能加熱量差額, 需熱泵輔助加熱:1 × (28352 - 23400) × (55 - 15) / (860 ×380 %) 

11、15;017 ×275 = 11668100 元表1 運行費用對比表(單位: 萬元)熱水器類型 熱泵熱水器 太陽能+ 熱泵設(shè)備投資 20153 28133年運行費用 8187 31361 年總費用 2914 311692 年總費用 38127 351053 年總費用 47114 381415 結(jié)論與存在問題綜上所述, 通過典型案例, 簡單介紹了華南地區(qū)合理利用太陽能集熱板加輔助風(fēng)冷熱泵機組制取生活熱水的設(shè)計思路, 羅列了設(shè)備選型方法; 并對比分析了直接用熱泵熱水器與太陽能加熱泵的運行費用, 顯而易見多投資的太陽能集熱板部分, 在約1 年半的時間里就回收了。而且還有覆蓋屋面減少建筑屋面?zhèn)鳠岬拈g接好處。作者認為, 在全球大力倡導(dǎo)節(jié)能減排的今天,應(yīng)該拋棄以往認為華南地區(qū)的天氣不穩(wěn)定, 陰雨天多, 使用太陽能集熱板不穩(wěn)定的固有思維, 盡量多的利用可再生的能源來為我們服務(wù)。成敗的關(guān)鍵還是在于設(shè)計, 以與控制的實現(xiàn)。但實際案例存在一些問題: (1) 智能控制部分由于不是標準件,而是依據(jù)邏輯控制模型購買傳感器與控