空氣源熱泵輔助加熱太陽(yáng)能集中熱水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用

1、0引言太陽(yáng)能作為一種取之不盡的新型清潔能源,在建筑領(lǐng)域已經(jīng)開(kāi)發(fā)并利用在熱水、采暖、照明、制冷、電力等多個(gè)方面1。太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)作為新能源產(chǎn)業(yè)的主力軍被推向前臺(tái),開(kāi)發(fā)利用可再生能源太陽(yáng)能在全世界有了新的進(jìn)展2。尤其在太陽(yáng)能光熱利用方面,太陽(yáng)能與建筑一體化逐漸成為我國(guó)太陽(yáng)能熱利用的發(fā)展方向,已經(jīng)取得了很好的節(jié)能效果3。但隨著季節(jié)的變化,特別是晴天及陰天的變化,太陽(yáng)能輻射量變化較大,因此,太陽(yáng)能集熱器產(chǎn)熱量變化較大,必須設(shè)置輔助熱源?？諝庠礋岜脽崴到y(tǒng)依據(jù)逆卡諾循環(huán)原理,充分吸收空氣中的熱量,熱效率可達(dá)到300% 400%,其高效節(jié)能的特性也越來(lái)越受到人們的青睞。將空氣源熱泵作為太陽(yáng)能熱水器的輔助熱源,

2、兩者結(jié)合使用,節(jié)能率將會(huì)達(dá)到80%85%,具有良好的節(jié)能效果4。以空氣源熱泵作為太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的輔助熱源,將太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)和空氣源熱泵結(jié)合在一起,是目前最節(jié)能、最環(huán)保的家用熱水系統(tǒng)5。本文通過(guò)對(duì)空氣源熱泵輔助加熱太陽(yáng)能集中熱水系統(tǒng)在長(zhǎng)三角地區(qū)氣候條件下進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算、設(shè)備選型的分析和研究,為加快太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)在該地區(qū)的推廣應(yīng)用以及太陽(yáng)能建筑一體化進(jìn)程提供理論依據(jù)。1空氣源熱泵輔助加熱太陽(yáng)能集中熱水系統(tǒng)構(gòu)成及工作原理1.1系統(tǒng)構(gòu)成空氣源熱泵輔助供熱太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)包括太陽(yáng)能熱水子系統(tǒng)和空氣源熱泵子系統(tǒng);太陽(yáng)能熱水子系統(tǒng)和空氣源熱泵子系統(tǒng)通過(guò)供熱水箱進(jìn)行耦合。其中太陽(yáng)能熱水子系統(tǒng)主要由太陽(yáng)能集熱器

3、和貯熱水箱構(gòu)成;空氣源熱泵子系統(tǒng)由壓縮機(jī)、冷凝器、蒸發(fā)器構(gòu)成。該空氣源熱泵輔助加熱太陽(yáng)能集中熱水系統(tǒng)的構(gòu)成如圖l所示。圖1空氣源熱泵輔助加熱太陽(yáng)能集中熱水系統(tǒng)簡(jiǎn)圖Fig.1Solar energy hot water system group with air source thermo-pump空氣源熱泵輔助加熱太陽(yáng)能集中熱水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用陳新,白冰(河南省建筑科學(xué)研究院有限公司,鄭州450053摘要:太陽(yáng)能、空氣能作為可再生能源,在建筑節(jié)能中越來(lái)越受到人們的重視。結(jié)合工程實(shí)例,對(duì)空氣源熱泵輔助加熱太陽(yáng)能集中熱水系統(tǒng)的特點(diǎn)、適用范圍、運(yùn)行工況以及系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行分析和探討,從而實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能熱水器

4、與建筑一體化設(shè)計(jì),促進(jìn)空氣源熱泵輔助加熱太陽(yáng)能熱水技術(shù)在建筑領(lǐng)域的推廣應(yīng)用。關(guān)鍵詞:太陽(yáng)能;太陽(yáng)能熱水系統(tǒng);空氣源熱泵;建筑一體化;建筑節(jié)能中圖分類號(hào):TU822文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A文章編號(hào):1673-7237(201110-0040-03Design and Application of Solar Energy Hot Water System Group w ith Air Source Therm o-pum pCHEN Xin,BAI Bing(Henan Provincial Academy of Building Research Ltd.,Zhengzhou450053,ChinaA

5、bstract:Solar and air energy have been given more and more importance in building energy efficiency as renewable energy.Through analyzing the real project,the solar energy hot water system group with air source thermo-pump is expounded,including characteristics,scope, operating conditions and system

6、 design.Thus it will achieve building and solar water heater integrated design,and promote this technology ap-plication in the construction field.Key w ords:solar energy;solar water heating system;air source thermo-pump;architectural integration;building energy efficiency收稿日期:2011-08-02;修回日期:2011-08

7、-15太陽(yáng)能熱水循環(huán)泵太陽(yáng)能貯熱水箱空氣源熱泵熱泵循環(huán)泵供熱水箱熱泵輔助加熱單元自來(lái)水太陽(yáng)能集熱器供熱水箱補(bǔ)水泵生活熱水循環(huán)泵回水供熱水太陽(yáng)能集熱單元新能源與綠色建筑NEW ENERGY&GREEN BUILDING 建筑節(jié)能2011年第10期(總第39卷第248期 No.10in2011(Total No.248,Vol.39 doi:10.3969/j.issn.1673-7237.2011.10.009401.2工作原理空氣源熱泵輔助太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)由太陽(yáng)能集熱單元和空氣源熱泵輔助加熱單元組成,太陽(yáng)能和熱泵單元構(gòu)成并聯(lián)系統(tǒng),當(dāng)太陽(yáng)輻射足夠強(qiáng)時(shí),不啟動(dòng)熱泵單元,太陽(yáng)能子單元集熱量可以

8、滿足熱水負(fù)荷要求;當(dāng)輻射不足或無(wú)太陽(yáng)能可利用時(shí),熱泵子單元啟動(dòng),直接對(duì)水箱中的水加熱6。該系統(tǒng)形式多樣,可以分為太陽(yáng)能集熱單元自然循環(huán)式和強(qiáng)迫循環(huán)式;根據(jù)換熱器(熱泵冷凝器置于貯水箱內(nèi)還是熱泵機(jī)殼內(nèi)又可分為內(nèi)置式換熱器和外置式換熱器7;根據(jù)水箱的個(gè)數(shù)可以分為單水箱系統(tǒng)和雙水箱系統(tǒng)。整套熱水系統(tǒng)充分利用太陽(yáng)能,最大限度地降低運(yùn)行費(fèi)用。該熱水系統(tǒng)由智能控制器控制,自動(dòng)化運(yùn)行,可實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守。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)采用熱管式集熱器。太陽(yáng)能集熱器、太陽(yáng)能集熱水箱均安裝在居民生活小區(qū)的屋頂,實(shí)現(xiàn)一體化結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)配置空氣源熱泵熱水機(jī)組作為太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的輔助熱源。2.2工程概況本項(xiàng)目為

9、上海某大學(xué)已建學(xué)生公寓加建太陽(yáng)能集中供熱系統(tǒng),用于學(xué)生洗浴,熱水用量為17.5t/d(根據(jù)實(shí)際情況,熱水溫度為55(溫度可以調(diào)節(jié),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,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)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,年平均溫度為16,年平均日太陽(yáng)輻照量為12.3MJ/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)面積的確定太陽(yáng)集熱器數(shù)量的確定(以春秋季節(jié)為依據(jù),水溫要求55,則:A c=Q w C w(t

10、 end-t if/J tcd(1-L(1式中:A c為直接系統(tǒng)集熱器采光面積,m2;Q w為日均用水量,kg;為水的密度,kg/L;t end為儲(chǔ)水箱內(nèi)水的終止溫度(用水溫度,;C w為水的定壓比熱容,kJ/(kg·K;t i為水的初始溫度,;J t為集熱器受熱面上年均日輻照量,kJ/m2;f為太陽(yáng)能保證率,無(wú)量綱;cd為集熱器全日集熱效率,無(wú)量綱;L為管路及儲(chǔ)水箱熱損失率,無(wú)量綱。選取Q w=17.5kg,=0.983kg/L,t end=55,C w= 4.187kJ/(kg·K,t i=5,J t=12904kJ/m2,f=0.4,cd=0.5,L=0.2。代入式(

11、1經(jīng)過(guò)計(jì)算得A c=279m2本工程選用熱管式真空管型集熱器,型號(hào)為HY-R1858-30,規(guī)格為58mm×1800mm×30支,每支集熱管的集熱面積為0.17m2,每組集熱器集熱面積30×0.17=5.1m2。根據(jù)理論集熱面積A c,計(jì)算得出實(shí)際集熱器數(shù)量為279÷5.1=54.7組(實(shí)際選取56組,實(shí)際集熱面積A s=56×5.1=285.6m2。2.3.3太陽(yáng)能集熱循環(huán)泵設(shè)計(jì)太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)流量按照0.0150.02L/s·m2取值9,本系統(tǒng)取0.018L/s·m2計(jì)算,則系統(tǒng)的循環(huán)流量為5.14L/s。系統(tǒng)的集熱循環(huán)熱

12、水管路與儲(chǔ)熱水箱連接,管路配置管道式熱水循環(huán)泵,并配置備用泵。根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)的條件,結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況,選擇水泵型號(hào)為PH-400E,輸出功率為400W,全揚(yáng)程為15.5m,流量為19T/h,電源220V。2.3.4太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)管路設(shè)計(jì)由上述所計(jì)算的集熱器循環(huán)流量及流速要求,選用熱鍍鋅鋼管,太陽(yáng)能集熱循環(huán)管路的管徑為DN50;管路保溫采用厚度30mm橡塑管保溫,外包0.3mm 厚鋁皮。保溫效果好,又與建筑物、集熱器色調(diào)協(xié)調(diào)。2.3.5儲(chǔ)熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)根據(jù)熱水用量,設(shè)置1個(gè)18t的不銹鋼方形水箱作為太陽(yáng)能集熱循環(huán)系統(tǒng)的儲(chǔ)熱水箱。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)考慮冬季工況下滿足熱水供應(yīng)要

13、求,最低環(huán)境溫度按-10設(shè)計(jì);補(bǔ)水溫度:最低補(bǔ)水溫度5;用水溫度:熱水額定溫度55;設(shè)計(jì)方式:循環(huán)恒溫補(bǔ)水加熱式;每天熱水用量17.5t。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Tab.1Working hours of heat pump序號(hào)建筑物名稱機(jī)組平均每天運(yùn)行時(shí)間/h三星級(jí)以上15三星級(jí)以下<18,>152一般旅館<18,183住宅104學(xué)校(工廠宿舍185醫(yī)院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,滿足系統(tǒng)每日供水的需求。2.4.3日耗熱量的確定根據(jù)設(shè)計(jì)

14、資料,學(xué)生公寓樓所需的熱水總用量最大為17.5t,水溫要求在55,Q d=Q rr C(t r-t l/86400(2 1賓館41式中:Q d為最高日平均耗熱量,kW;Q r為最高日熱水量,m3/d,取17.5m3/d;C為水的比熱,J/(kg·K;r為熱水密度,kg/L;t r為熱水設(shè)計(jì)溫度,;t l為冷水設(shè)計(jì)溫度,。選取Qr=17.5m3/d,C=4187J/(kg·K,t r=55,t l= 5,代入(2式經(jīng)過(guò)計(jì)算得Q d=42.4kW。2.4.4熱泵機(jī)組的制熱量的確定Q g=24×K1Q d/T1(3式中:Qg為熱泵機(jī)組設(shè)計(jì)小時(shí)平均耗熱量,kW;Q d為最

15、高日平均耗熱量,kW;T1為熱泵機(jī)組設(shè)計(jì)工作時(shí)間,h;K1為安全系數(shù)。選取Qd=42.4kW,T1=18h,K1=1.05,代入式(3經(jīng)過(guò)計(jì)算得Qg=59.36kW。2.4.5機(jī)組選型配比考慮溫度及結(jié)霜的影響取綜合影響系數(shù)為0.75。則機(jī)組的名義制熱量q=59.36/0.75=79kW。熱水系統(tǒng)擬選擇華揚(yáng)名義制熱量為40.32kW的機(jī)組2臺(tái),型號(hào)KRF-845,所選機(jī)組的名義制熱量總共為40.32kW×2= 80.64kW,機(jī)組選型滿足要求。2.4.6空氣源熱泵系統(tǒng)循環(huán)水泵根據(jù)空氣源熱泵熱水機(jī)組的循環(huán)流量,查看水泵揚(yáng)程流量曲線,選擇水泵型號(hào)為:PH-1500Q輸出功率為1500W,全

16、揚(yáng)程為25m,流量為25T/h,電源380V。2.4.7空氣源熱泵系統(tǒng)循環(huán)管路設(shè)計(jì)由空氣源熱泵熱水機(jī)組的循環(huán)流量及流速要求,熱泵循環(huán)管路選用PP-R管,管徑為De65,并采用厚度30mm橡塑管保溫,外包0.3mm厚鋁皮。3結(jié)語(yǔ)空氣源熱泵輔助供熱太陽(yáng)能熱水系統(tǒng),將熱泵技術(shù)和太陽(yáng)能熱利用技術(shù)有機(jī)結(jié)合起來(lái),以空氣源熱泵作為傳統(tǒng)太陽(yáng)能熱水器的輔助熱源,既具有太陽(yáng)能熱水器的優(yōu)點(diǎn),又可保證系統(tǒng)全天候運(yùn)行,是適宜推廣的生活熱水系統(tǒng)形式。通過(guò)典型案例,證明了長(zhǎng)三角地區(qū)在建筑中用太陽(yáng)能一空氣源熱泵組合熱水供應(yīng)系統(tǒng)取代傳統(tǒng)熱水供應(yīng)方式具有巨大優(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

17、情況,減少氮氧化物等有害氣體的排放,從而帶來(lái)良好的環(huán)境效益和社會(huì)效益。參考文獻(xiàn):1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,(22:18-20.2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,(6:40-42.3劉林軍.太陽(yáng)能光熱系統(tǒng)與建筑一體化應(yīng)用研究J.廊坊師范學(xué)院學(xué)報(bào),2011,(11:73-80.4楊慶,侯軍霞等.空氣源熱泵輔助建筑一體化太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性分析J.給水排水,2007,(33:193-196.5于璇.空氣源熱泵輔助型太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)即將實(shí)施J.電器雜志,2010.16馮詩(shī)愚,胡偉,等.熱泵輔助太陽(yáng)能中央熱水系統(tǒng)年運(yùn)行特

18、性研究J.太陽(yáng)能學(xué)報(bào),2008,29(3:59-62.7GB/T238892009,家用空氣源熱泵輔助型太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)技術(shù)條件S.8王穎.中國(guó)氣象輻射資料年冊(cè)M.北京:國(guó)家氣象中心,2001:13-14.9別玉,胡明輔,鄭思銘.太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)流量分布的一種分析計(jì)算方法J.節(jié)能技術(shù),2010,(6:112-115.作者簡(jiǎn)介:陳新(1963,男,蕪湖人,博士,畢業(yè)于華中科技大學(xué),高級(jí)工程師,管理科學(xué)與工程技術(shù)專業(yè),從事管理工程、建筑節(jié)能方向的研究(149817122。行業(yè)資訊近日,廣州市建委發(fā)布由其代擬的廣州市人民政府關(guān)于加快發(fā)展綠色建筑的通告(征求意見(jiàn)稿(以下簡(jiǎn)稱通告,向各有關(guān)單位征求意見(jiàn)。通告稱,達(dá)到綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的建設(shè)工程項(xiàng)目可獲節(jié)能專項(xiàng)資金獎(jiǎng)勵(lì),而使用太陽(yáng)能等可再生能源占建筑能耗50%以上的綠色建筑項(xiàng)目,還可依法享受相應(yīng)的稅收優(yōu)惠。根據(jù)通告,下列項(xiàng)目應(yīng)當(dāng)按綠色建筑標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行規(guī)劃、土地出讓、立項(xiàng)、建設(shè)和管理:全部或部分使用財(cái)政資金,或國(guó)有資金占主導(dǎo)的新建(改建、擴(kuò)建房屋建筑項(xiàng)目(含保障性住房建設(shè)項(xiàng)目;舊城改造項(xiàng)目;進(jìn)入重點(diǎn)項(xiàng)目報(bào)批綠色通道的其他房屋建筑工程項(xiàng)目;中新廣州知識(shí)城、白云新城、珠江新城員村CBD、琶州片區(qū)、白鵝潭商