空氣源熱泵與燃氣鍋爐輔助加熱太陽能供熱水系統(tǒng)的設計和應用

1、空氣源熱泵與燃氣鍋爐輔助加熱太陽能供熱水系統(tǒng)的設計和應用何芳兵，吳俐俊，王文平( 同濟大學 機械與能源工程學院，上海 201804)摘要: 太陽能作為可再生能源，在建筑節(jié)能中越來越受到人們的重視。根據(jù)工程實例，分析和探討空氣源熱泵和燃氣鍋爐輔助加熱太陽能供熱水系統(tǒng)的特點，應用范圍，工作工況以及 運行系統(tǒng)，力求實現(xiàn)太陽能熱水器與建筑的優(yōu)化設計，促進空氣源熱泵和燃氣鍋爐輔助加熱太 陽能熱水技術在建筑領域的推廣應用。關鍵詞: 太陽能; 空氣源熱泵; 燃氣鍋爐; 建筑節(jié)能中圖分類號: TK513文獻標志碼: B文章編號: 1009 3230( 2014) 05 0021 04Design and Ap

2、plication of Solar Energy Hot Water System withAir Source Heat Pump and Gas BoilerHE Fang bing ，WU Li jun，WANG Wen ping( School of Mechanical Engineering ，Tongji University，Shanghai 201804，China)Abstract: Solar have been given more and more importance in building energy efficiency asrenewable energy

3、 Through analyzing the real project，the solar energy hot water system group with air source heat pump and gas boiler is expounded，including characteristics，scope，operating conditions and system design So it will make building and solar water heater integrated design，to promote the application of air

4、 source heat pump and gas boiler auxiliary heating solar water heating technology in the construction fieldKey words: Solar energy; Air source heat pump;Gas boiler; Building energy efficiency引言源是必不可少的步驟。以空氣源熱泵運行原理設計的熱水系統(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)點也越來越受到人們的重視。為了使系統(tǒng)足夠 穩(wěn)定，燃氣鍋爐也是必不可少的組成

5、部分。本文 參考上海地區(qū)氣候條件，對空氣源熱泵與燃氣鍋 爐輔助加熱太陽能供熱水系統(tǒng)進行了設計計算和 設備選型分析，為太陽能熱水系統(tǒng)在該地區(qū)的太 陽能建筑一體化進程以及推廣應用提供理論依0在建筑領域，太陽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 個方面得到開發(fā)和利用。作為新能源的代表，太 陽能產業(yè)作為主流趨勢，太陽能的開發(fā)和利用被 推上前臺，特別是太陽能與建筑優(yōu)化結構逐漸成 為我國太陽能熱利用的發(fā)展方向，目前已經取得 了較好的節(jié)能效果1 5。由于太陽能隨著季節(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，從而導致太陽能集熱器產熱量變化較大。因此，為了滿

6、足用戶熱水需求，設置輔助熱6 11據(jù)。1供熱水系統(tǒng)構成及原理1 1系統(tǒng)構成過熱水系統(tǒng)構成圖如圖 1 所示。收稿日期:作者簡介:2014 02 26修訂日期: 2014 04 20何芳兵( 1990 ) ，在讀研究生。2014 年第 5 期( 總第 197 期)應用能源技術22圖 1 空氣源熱泵與燃氣鍋爐輔助加熱太陽能供熱水系統(tǒng)原理圖工作原理過熱水系統(tǒng)工作原理為: 出水溫度傳感器檢 測水箱的出水溫度，把溫度高低的信號轉變成電 信號送到控制器，當太陽能水箱的溫度達不到設 定溫度，即太陽能集熱器的出水溫度低于設定值 時，控制器發(fā)出指令，先使熱泵機組開始工作。在 規(guī)定時間內，若仍未能達到所需的溫度，那

7、么燃氣 鍋爐開始工作，直到出水溫度達到用戶要求。在 該系統(tǒng)中，空氣源熱泵與燃氣鍋爐作為輔助加熱 動力，熱水系統(tǒng)由太陽能集熱單元，空氣源熱泵輔 助加熱單元和燃氣鍋爐輔助加熱單元體三者組 成。當天氣狀況良好時，熱泵單元和燃氣鍋爐單 元不會運行，太陽能單元單獨運行的集熱量可以 滿足用戶熱水負荷要求; 當輻射強度不足時，空氣 源熱泵單元啟動，對水箱中的水進行輔助加熱。當運用太陽能熱泵時也未能達到我們的要求，我們再啟動燃氣鍋爐單元，從而使系統(tǒng)滿足用戶的 需求。1 2工程設計案例設計說明太陽能熱水系統(tǒng)采用真空管式集熱器。太陽22 1能集熱器和太陽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

8、構。系統(tǒng)配置 空氣源熱泵熱水機組和燃氣鍋爐作為太陽能熱水系統(tǒng)的輔助熱源。工程概況項目為上海某大學已建學生公寓加建太陽能2 2供熱系統(tǒng)，以 供學生洗浴，熱 水用量為 19 8t / d( 根據(jù)理論計算情況) ，熱水溫度為 60 ( 溫度可以根據(jù)需求調節(jié)) ，學生公寓樓共 6 層，本次太陽2014 年第 5 期( 總第 197 期)應用能源技術23能集中供熱水系統(tǒng)安裝在建筑 6 層樓屋頂上，力求實現(xiàn)一體化結構。的門戶。因而要求顯示面板界面要好，功能清晰，對當前的集熱水箱溫度、上水管道溫度、集熱器溫 度、水箱水位、各個控件狀態(tài)都一目了然，同時所 有功能都可以手動設定和保存。為了使管理和控 制更加方便

9、，每個功能都應該具有自動、停止、手 動三個檔位，以便于維修等方面的需求，另外系統(tǒng) 還應具有遠程控制功能，有線距離不大于 500 m。 2 3 5 儲熱水箱根據(jù)理論用水量，給單體配備兩只 10 m3 的 循環(huán)水箱，分別在兩側各安放一只。2 3 6 控制系統(tǒng)設備( 1) 太陽能集熱器、水箱溫度傳感器。 ( 2) 變頻供熱水裝置( 保證供水穩(wěn)定) 。 ( 3) 定時補水裝置。( 4) 輔助加熱控制。( 5) 鍋爐保護裝置。( 6) 防凍排空裝置。( 7) 定時回水控制。2 4 空氣源熱泵熱水系統(tǒng)設計計算2 3太陽能系統(tǒng)設計計算2 3 1 設計所用氣象參數(shù)8上海的地理位置: 東經 121°2

10、9'，北緯 31°24'， 年太陽輻照量為 4 497 261 MJ / m2 ，年日照時數(shù)為 1 997 5 h，年平均溫度約為 16 ，年平均日太陽 輻照量為 12 9 MJ / m2 ，屬于太陽能資源可利用區(qū) 域。2 3 2太陽能集熱系統(tǒng)面積確定 太陽集熱器數(shù)量的確定( 以冬季為依據(jù)) ，水溫要求為 60 ，則:( 1 L ) 。( 1)Ac = m* c* t *f / h*cd *2式中: Ac 為太陽能集熱器直接采光面積，m ; m 為日均用水量，kg; 為水的密度，kg / L; c 為水的定 壓比熱容，取 4 187 kJ / ( kg* ) ; t

11、為儲水箱進 口與出口溫差，單位 ; f 為最不利條件下太陽能 的保證率，無量綱; h 為集熱器受熱面上年均日輻照量，kJ / m2 ; 為集熱器全日集熱效率，無量綱;設計參數(shù)2 4 1cd由于最不利條件出現(xiàn)在冬季，最冷平均氣溫約為 4 ，進水溫度約為 5 。用水溫度: 額定溫 度為 60 。設計方式: 循環(huán)恒溫補水加熱式，每 天理論熱水量為 19 8 t。2 4 2 熱泵機組運行時間確定根據(jù)熱泵機組國家標準規(guī)定，熱泵機組每天 的工作時間( 最冷工況) 如表 1 所示。6L 為管路及儲水箱熱損失率，無量綱。t，t = 55= 12 904 kJ / m2 ，m = 19 8選取 h ， = 1

12、kg / L，L = 0 2，f = 0 4，cd = 0 5。代入( 1) ，得 Ac = 353 38 m2。工程選用熱管式真空管型集熱器，型 號 為SLH 50 / 47 5 1，真空管長度為 1 500 mm，集 熱面積為 5 1 m2 。根據(jù)理論集熱面積 Ac，計算得 出實際集熱器數(shù)量為 353 35 ÷ 5 1 = 69 3 組( 實表 1熱泵機組每天的工作時間序號建筑物名稱機組平均每天運行時間際選取 70 組) ，實際集熱面 積為 70m2 。× 5 1 = 357三星級以上15 18， 15 18，18 10賓館12 3 3太陽能集熱循環(huán)泵設計三星級以下水泵

13、分供熱水泵和溫差循環(huán)水泵，是德國·威樂系列水泵，性能穩(wěn)定; 采用高效葉輪，噪 音更小; 采用高級密封件，壽命長，不漏水; 先進的 結構設計，效率高; 水量充足。2345一般旅館住宅學校( 工廠宿舍) 醫(yī)院1818，15根據(jù)該工程的性質，擬定取機組最冷工況的運行時間為 18 h，滿足系統(tǒng)每日供水的需求?？? 3 4控制器的選擇控制器是用戶操作和使用該太陽能熱水系統(tǒng)2014 年第 5 期( 總第 197 期)應用能源技術24氣源熱泵承擔最大熱負荷的 40% 。的常壓燃氣熱水鍋爐作為輔助加熱設備。日耗熱量的確定Qd = 0 4* m* c*結論2 4 33( 2)* t/64 800?？諝?/p>

14、源熱泵與燃氣鍋爐輔助供熱太陽能熱水系統(tǒng)，除了有太陽能熱水器的優(yōu)點，還能保證設計 系統(tǒng)全天候安全運行，滿足用戶的用水需求，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)用太陽能一空氣源熱泵與燃氣 鍋爐組合熱水供應系統(tǒng)取代傳統(tǒng)熱水供應方式具 有較大優(yōu)勢，是一項極具開發(fā)和應用潛力的技術， 大范圍推廣后可以有效緩解能源緊張的情況，帶 來良好的環(huán)境效益和社會效益。參考文獻式中: Qd 為最高日平均耗熱量，kW; m 為日均用水量，kg; 為水的密度，kg / L; c 為水的定壓比熱 容，取 4 187 kJ / ( kg* ) ; t 為儲水箱進口與出口溫差，單位 。選取 m =

15、19 8 t，t = 55 ， = 1 kg / L，代入 得 Qd = 28 15 kW。2 4 4熱泵機組制熱量的確定( 3)Qg = K* Qd 。式中: Qg 為熱泵機組設計小時平均耗熱量，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 15 kW，得 Qg = 29 56kW。1阮學峰 中國太陽能熱利用技術在建筑中的應用 J 中國西部科技，2009，( 22) : 18 20莊 宇，張秀麗 國外太陽能建筑發(fā)展現(xiàn)狀J 工 程科技，2011，( 6) : 40 42余克志，俞 淵，甘世紅，等 高校學生生活區(qū)太陽 能熱水系統(tǒng)設計J 節(jié)能技術

16、，2011，( 5) : 32 36 丁 琦，魏 巍，武曉霞，等 燃氣鍋爐供熱系統(tǒng)的 六項節(jié)能技術J 建筑節(jié)能，2006，( 4) 12 17 蔣家響，孫強 太陽能與燃氣鍋爐在大型供熱水 系統(tǒng)中的結合J 山東商業(yè)職業(yè)技術學院學報， 2012岳 峰，郝利民，李士瑄，等 空氣源熱泵輔助加熱 太陽能熱水系統(tǒng)熱經濟分析J 河南科學，2011， ( 7) : 23 28GB / T238892009，家用空氣源熱泵輔助型太陽能 熱水系統(tǒng)技術條件S王 穎 中國氣象輻射資料年冊M 北京: 國家氣 象中心，2001: 13 14楊 慶，侯軍霞 空氣源熱泵輔助建筑一體化太陽 能熱水系統(tǒng)的經濟性分 析J 給 水

17、排 水，2007， ( 33) : 193 196馮立寧，李建榮，陳廣元，等 常規(guī)干燥室余熱回收 裝置的研究J 森林工程，2012，28( 2) : 22 25 于 璇 空氣源熱泵輔助型太陽能熱水系統(tǒng)國家標準即將實施J 電器雜志，20102機組選型配比2 4 53對于該系統(tǒng)，考慮到結霜與溫度的影響，因而選取綜合系數(shù)為 0 75。則空氣源熱泵機組的名 義制熱量: q = 29 56 /0 75 = 39 41 kW。熱水系統(tǒng)選擇華揚名義制熱量為 40 32 kW 的機組 1 臺，型號為 KF 845，根據(jù)比較計算，所 選機組的名義制熱量總共為 40 32 kW，選型滿足所需要求。456燃氣鍋爐熱水系統(tǒng)設計計算在冬季最冷月份，燃氣鍋爐所承擔的熱負荷2 5 Qpump 。 ( 4)7Qboiler= m* c* t Qsolar式中