空氣源熱泵與燃?xì)忮仩t輔助加熱太陽(yáng)能供熱水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)何芳兵;吳俐俊;王文平【摘要】太陽(yáng)能作為可再生能源，在建筑節(jié)能中越來(lái)越受到人們的重視.根據(jù)工程實(shí)例,分析和探討空氣源熱泵和燃?xì)忮仩t輔助加熱太陽(yáng)能供熱水系統(tǒng)的特點(diǎn)，應(yīng)用范圍,工作工況以及運(yùn)行系統(tǒng),力求實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能熱水器與建筑的優(yōu)化設(shè)計(jì)，促進(jìn)空氣源熱泵和燃?xì)忮仩t輔助加熱太陽(yáng)能熱水技術(shù)在建筑領(lǐng)域的推廣應(yīng)用.【期刊名稱(chēng)】《應(yīng)用能源技術(shù)》【年(卷)，期】2014(000)005【總頁(yè)數(shù)】4頁(yè)(P21-24)【關(guān)鍵詞】太陽(yáng)能;空氣源熱泵;燃?xì)忮仩t;建筑節(jié)能【作者】何芳兵;吳俐俊;王文平【作者單位】同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院，上海201804洞濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院，上海201804洞濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院，上海201804【正文語(yǔ)種】中文【中圖分類(lèi)】TK5130引言在建筑領(lǐng)域，太陽(yáng)能作為一種取之不盡的新型清潔能源，在熱水、照明、采暖、電力、制冷等多個(gè)方面得到開(kāi)發(fā)和利用。作為新能源的代表，太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)作為主流趨勢(shì)，太陽(yáng)能的開(kāi)發(fā)和利用被推上前臺(tái)，特別是太陽(yáng)能與建筑優(yōu)化結(jié)構(gòu)逐漸成為我國(guó)太陽(yáng)能熱利用的發(fā)展方向，目前已經(jīng)取得了較好的節(jié)能效果［1-5］。由于太陽(yáng)能隨著季節(jié)變化比較明顯，晴天及陰天的變化也是如此，其輻射量差異較大，從而導(dǎo)致太陽(yáng)能集熱器產(chǎn)熱量變化較大。因此，為了滿(mǎn)足用戶(hù)熱水需求，設(shè)置輔助熱源是必不可少的步驟。以空氣源熱泵運(yùn)行原理設(shè)計(jì)的熱水系統(tǒng)，是根據(jù)逆卡諾循環(huán)原理，利用空氣中的熱量，制熱系數(shù)一般是3~4,它的高效節(jié)能的優(yōu)點(diǎn)也越來(lái)越受到人們的重視。為了使系統(tǒng)足夠穩(wěn)定，燃?xì)忮仩t也是必不可少的組成部分。本文參考上海地區(qū)氣候條件，對(duì)空氣源熱泵與燃?xì)忮仩t輔助加熱太陽(yáng)能供熱水系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)計(jì)算和設(shè)備選型分析，為太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)在該地區(qū)的太陽(yáng)能建筑一體化進(jìn)程以及推廣應(yīng)用提供理論依據(jù)［6-11］。1供熱水系統(tǒng)構(gòu)成及原理1.1系統(tǒng)構(gòu)成過(guò)熱水系統(tǒng)構(gòu)成圖如圖1所示。圖1空氣源熱泵與燃?xì)忮仩t輔助加熱太陽(yáng)能供熱水系統(tǒng)原理圖1.2工作原理過(guò)熱水系統(tǒng)工作原理為：出水溫度傳感器檢測(cè)水箱的出水溫度，把溫度高低的信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)送到控制器，當(dāng)太陽(yáng)能水箱的溫度達(dá)不到設(shè)定溫度，即太陽(yáng)能集熱器的出水溫度低于設(shè)定值時(shí)，控制器發(fā)出指令，先使熱泵機(jī)組開(kāi)始工作。在規(guī)定時(shí)間內(nèi)，若仍未能達(dá)到所需的溫度，那么燃?xì)忮仩t開(kāi)始工作，直到出水溫度達(dá)到用戶(hù)要求。在該系統(tǒng)中，空氣源熱泵與燃?xì)忮仩t作為輔助加熱動(dòng)力，熱水系統(tǒng)由太陽(yáng)能集熱單元，空氣源熱泵輔助加熱單元和燃?xì)忮仩t輔助加熱單元體三者組成。當(dāng)天氣狀況良好時(shí)，熱泵單元和燃?xì)忮仩t單元不會(huì)運(yùn)行，太陽(yáng)能單元單獨(dú)運(yùn)行的集熱量可以滿(mǎn)足用戶(hù)熱水負(fù)荷要求；當(dāng)輻射強(qiáng)度不足時(shí)，空氣源熱泵單元啟動(dòng)，對(duì)水箱中的水進(jìn)行輔助加熱。當(dāng)運(yùn)用太陽(yáng)能熱泵時(shí)也未能達(dá)到我們的要求，我們?cè)賳?dòng)燃?xì)忮仩t單元，從而使系統(tǒng)滿(mǎn)足用戶(hù)的需求。2工程設(shè)計(jì)案例2.1設(shè)計(jì)說(shuō)明太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)采用真空管式集熱器。太陽(yáng)能集熱器和太陽(yáng)能集熱水箱都安裝在小區(qū)的屋頂上，使整體排布美觀，體現(xiàn)一體化結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)配置空氣源熱泵熱水機(jī)組和燃?xì)忮仩t作為太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的輔助熱源。2.2工程概況項(xiàng)目為上海某大學(xué)已建學(xué)生公寓加建太陽(yáng)能供熱系統(tǒng)，以供學(xué)生洗浴，熱水用量為19.8t/d(根據(jù)理論計(jì)算情況)，熱水溫度為60°C(溫度可以根據(jù)需求調(diào)節(jié))，學(xué)生公寓樓共6層，本次太陽(yáng)能集中供熱水系統(tǒng)安裝在建筑6層樓屋頂上，力求實(shí)現(xiàn)一體化結(jié)構(gòu)。2.3太陽(yáng)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算2.3.1設(shè)計(jì)所用氣象參數(shù)[8]上海的地理位置：東經(jīng)121。29',北緯31。24'，年太陽(yáng)輻照量為4497.261MJ/m2,年日照時(shí)數(shù)為1997.5h，年平均溫度約為16C,年平均日太陽(yáng)輻照量為12.9MJ/m2，屬于太陽(yáng)能資源可利用區(qū)域。2.3.2太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)面積確定太陽(yáng)集熱器數(shù)量的確定(以冬季為依據(jù))，水溫要求為60C,則：Ac=m*c*p*At*f/h*qcd*(1-qL)o(1)式中：Ac為太陽(yáng)能集熱器直接采光面積，m2;m為日均用水量，kg;p為水的密度，kg/L;c為水的定壓比熱容，取4.187kJ/(kg*C);&為儲(chǔ)水箱進(jìn)口與出口溫差，單位C;f為最不利條件下太陽(yáng)能的保證率，無(wú)量綱；h為集熱器受熱面上年均日輻照量，kJ/m2；ncd為集熱器全日集熱效率，無(wú)量綱；nL為管路及儲(chǔ)水箱熱損失率，無(wú)量綱［6］。選取h=12904kJ/m2,m=19.8t,At=55°C,p=1kg/L,qL=0.2/f=0.4,ncd=0.5。代入(1)，得Ac=353.38m2。工程選用熱管式真空管型集熱器，型號(hào)為SLH-50/^47-5.1,真空管長(zhǎng)度為1500mm,集熱面積為5.1m2。根據(jù)理論集熱面積Ac,計(jì)算得出實(shí)際集熱器數(shù)量為353.35-5.1=69.3組(實(shí)際選取70組)，實(shí)際集熱面積為70x5.1=357m2。2.3.3太陽(yáng)能集熱循環(huán)泵設(shè)計(jì)水泵分供熱水泵和溫差循環(huán)水泵，是德國(guó)?威樂(lè)一一系列水泵，性能穩(wěn)定；采用高效葉輪，噪音更?。徊捎酶呒?jí)密封件，壽命長(zhǎng)，不漏水；先進(jìn)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，效率高；水量充足。2.3.4控制器的選擇控制器是用戶(hù)操作和使用該太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的門(mén)戶(hù)。因而要求顯示面板界面要好，功能清晰，對(duì)當(dāng)前的集熱水箱溫度、上水管道溫度、集熱器溫度、水箱水位、各個(gè)控件狀態(tài)都一目了然，同時(shí)所有功能都可以手動(dòng)設(shè)定和保存。為了使管理和控制更加方便，每個(gè)功能都應(yīng)該具有自動(dòng)、停止、手動(dòng)三個(gè)檔位，以便于維修等方面的需求，另外系統(tǒng)還應(yīng)具有遠(yuǎn)程控制功能，有線(xiàn)距離不大于500m。2.3.5儲(chǔ)熱水箱根據(jù)理論用水量，給單體配備兩只10m3的循環(huán)水箱，分別在兩側(cè)各安放一只。2.3.6控制系統(tǒng)設(shè)備太陽(yáng)能集熱器、水箱溫度傳感器。變頻供熱水裝置(保證供水穩(wěn)定)。定時(shí)補(bǔ)水裝置。輔助加熱控制。鍋爐保護(hù)裝置。防凍排空裝置。⑺定時(shí)回水控制。2.4空氣源熱泵熱水系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算2.4.1設(shè)計(jì)參數(shù)由于最不利條件出現(xiàn)在冬季，最冷平均氣溫約為4°C,進(jìn)水溫度約為5°C。用水溫度：額定溫度為60°C。設(shè)計(jì)方式：循環(huán)恒溫補(bǔ)水加熱式，每天理論熱水量為19.8t。2.4.2熱泵機(jī)組運(yùn)行時(shí)間確定根據(jù)熱泵機(jī)組國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，熱泵機(jī)組每天的工作時(shí)間(最冷工況)如表1所示。表1熱泵機(jī)組每天的工作時(shí)間序號(hào)建筑物名稱(chēng)機(jī)組平均每天運(yùn)行時(shí)間12345三星級(jí)以上賓館三星級(jí)以下一般旅館住宅學(xué)校(工廠宿舍)醫(yī)院<15<18,>15<18,>18>10>18<18,>15根據(jù)該工程的性質(zhì)，擬定取機(jī)組最冷工況的運(yùn)行時(shí)間為18h，滿(mǎn)足系統(tǒng)每日供水的需求?？諝庠礋岜贸袚?dān)最大熱負(fù)荷的40%。2.4.3日耗熱量的確定Qd=0.4*m*c*p*At/64800。(2)式中：Qd為最高日平均耗熱量，kW;m為日均用水量，kg;p為水的密度，kg/L;c為水的定壓比熱容，取4.187kJ/(kg*C);&為儲(chǔ)水箱進(jìn)口與出口溫差,單位。C。選取m=19.8t,At=55°C,p=1kg/L,代入得Qd=28.15kW。2.4.4熱泵機(jī)組制熱量的確定Qg=K*Qd。⑶式中：Qg為熱泵機(jī)組設(shè)計(jì)小時(shí)平均耗熱量，kW;K為安全系數(shù)；Qd為最高日平均耗熱量，kW。選取K=1.05，Qd=28.15kW，得Qg=29.56kW。2.4.5機(jī)組選型配比對(duì)于該系統(tǒng)，考慮到結(jié)霜與溫度的影響，因而選取綜合系數(shù)為0.75。則空氣源熱泵機(jī)組的名義制熱量：q=29.56/0.75=39.41kW。熱水系統(tǒng)選擇華揚(yáng)名義制熱量為40.32kW的機(jī)組1臺(tái)，型號(hào)為KRF-845，根據(jù)比較計(jì)算，所選機(jī)組的名義制熱量總共為40.32kW，選型滿(mǎn)足所需要求。2.5燃?xì)忮仩t熱水系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算在冬季最冷月份，燃?xì)忮仩t所承擔(dān)的熱負(fù)荷Qboiler=m*c*p*At-Qsolar-Qpump。⑷式中：m為日均用水量，kg;p為水的密度，kg/L;c為水的定壓比熱容，取4.187kJ/(kg*^);At儲(chǔ)水箱進(jìn)口與出口溫差岸位。C;Qboiler為燃?xì)忮仩t在冬季最冷月份每天所承擔(dān)的熱負(fù)荷，單位是kJ;Qsolar為太陽(yáng)能在冬季最冷月份每天所能承受的熱負(fù)荷，單位是kJ;Qpump為空氣源熱泵在冬季最冷月份每天所承擔(dān)的負(fù)荷，單位為kJ。即Qboiler=912000kJ。設(shè)計(jì)保證鍋爐工作半個(gè)小時(shí)。理論計(jì)算可知，需給單體分別配備2臺(tái)產(chǎn)熱量為0.35MW/H的常壓燃?xì)鉄崴仩t作為輔助加熱設(shè)備。3結(jié)論空氣源熱泵與燃?xì)忮仩t輔助供熱太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)，除了有太陽(yáng)能熱水器的優(yōu)點(diǎn)，還能保證設(shè)計(jì)系統(tǒng)全天候安全運(yùn)行，滿(mǎn)足用戶(hù)的用水需求，是高校適宜推廣的生活熱水系統(tǒng)形式。根據(jù)分析典型案例，在上海地區(qū)用太陽(yáng)能一空氣源熱泵與燃?xì)忮仩t組合熱水供應(yīng)系統(tǒng)取代傳統(tǒng)熱水供應(yīng)方式具有較大優(yōu)勢(shì)，是一項(xiàng)極具開(kāi)發(fā)和應(yīng)用潛力的技術(shù)，大范圍推廣后可以有效緩解能源緊張的情況，帶來(lái)良好的環(huán)境效益和社會(huì)效益。參考文獻(xiàn)【相關(guān)文獻(xiàn)】阮學(xué)峰.中國(guó)太陽(yáng)能熱利用技術(shù)在建筑中的應(yīng)用[J].中國(guó)西部科技,2009,(22):18-20.莊宇,張秀麗.國(guó)外太陽(yáng)能建筑發(fā)展現(xiàn)狀[J].工程科技,2011,(6):40-42.余克志，俞淵，甘世紅，等.高校學(xué)生生活區(qū)太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].節(jié)能技術(shù)，2011,(5):32-36.丁琦，魏巍，武曉霞，等.燃?xì)忮仩t供熱系統(tǒng)的六項(xiàng)節(jié)能技術(shù)[J].建筑節(jié)能,2006，(4)12-17.蔣家響，孫強(qiáng).太陽(yáng)能與燃?xì)忮仩t在大型供熱水系統(tǒng)中的結(jié)合切.山東商業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào),2012.岳峰，郝利民,李士瑄，等.空氣源熱泵輔助加熱太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)熱經(jīng)濟(jì)分析[J].河南科學(xué),2011,(7):23-28.GB/T23889—2009，家用空