雙節(jié)能熱水系統(tǒng)的應(yīng)用

上海石洞口煤氣制氣有限公司 姚良琮 姚麗婕

隨著經(jīng)濟(jì)全球化的飛速進(jìn)展，人們獲得的物質(zhì)收益越來(lái)豐富，但忽視環(huán)境保護(hù)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展所帶來(lái)的“溫室效應(yīng)”和“厄爾尼諾”等現(xiàn)象也越來(lái)越嚴(yán)峻。大力推廣普及使用清潔能源，已成為全球都積極追逐的熱點(diǎn)。

太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)是利用太陽(yáng)能集熱器，收集太陽(yáng)輻射能把水加熱的一種裝置。它是一種綠色的、運(yùn)行費(fèi)用低廉的熱水供應(yīng)系統(tǒng)，相對(duì)于使用燃料制造熱水，能減少對(duì)環(huán)境的污染及二氧化碳的產(chǎn)生。太陽(yáng)能是屬于每個(gè)人的能源，只要有場(chǎng)地與設(shè)備，任何人都可免費(fèi)使用它。它不像使用煤氣有爆炸或中毒的危險(xiǎn)，或使用燃料油鍋爐有爆炸的顧慮，或使用電力會(huì)有漏電的可能。但是由于太陽(yáng)能集熱器的工作受氣候條件和晝夜變化影響太大，在雨雪天和陰天太陽(yáng)能集熱器便無(wú)法工作；而一天之內(nèi)，也只有白天才能集熱，夜晚便無(wú)法應(yīng)用。所以有時(shí)需要輔助加熱。空氣源熱泵熱水機(jī)是根據(jù)逆卡諾循環(huán)原理，以少量的電能為驅(qū)動(dòng)力，以制冷劑為載體，吸收空氣中的熱能，生產(chǎn)生活熱水?？諝庠礋岜脽崴畽C(jī)組制效率高，占地面積小。

將太陽(yáng)能和熱泵兩者結(jié)合起來(lái)，揚(yáng)長(zhǎng)補(bǔ)短，優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，既達(dá)到節(jié)能減排，又能全年全日連續(xù)供熱，是一種經(jīng)濟(jì)環(huán)保安全可靠的熱水供應(yīng)解決方案。

1 石煤公司原熱水供應(yīng)系統(tǒng)概況

原浴室使用蒸汽熱交換器生產(chǎn)熱水。每天開(kāi)放5 h，滿(mǎn)足250人次的洗浴需求，每天消耗洗浴水約為42 t。系統(tǒng)采用蒸汽熱交換器加熱水至高溫，送入浴室使用后直接排放，所用蒸汽向鄰近電廠采購(gòu)。此套系統(tǒng)使用年限較長(zhǎng)，加熱效率較低；且近年來(lái)外供蒸汽價(jià)格持續(xù)上漲(2011年蒸汽單價(jià)為200元/t)，間歇式使用蒸汽的方式非常不經(jīng)濟(jì)，企業(yè)成本上升，管理不便的矛盾日益突出。為此，石煤公司于2011年7月起陸續(xù)對(duì)原浴室熱水供應(yīng)系統(tǒng)及相關(guān)輔助設(shè)施進(jìn)行了改造，其中浴室熱水供應(yīng)系統(tǒng)改造投資 47.5萬(wàn)元，相關(guān)輔助設(shè)施改造投資26.65萬(wàn)元。石煤公司在采用太陽(yáng)能和熱泵雙節(jié)能熱水系統(tǒng)后，取得了較好的節(jié)能效果。

2 系統(tǒng)改造設(shè)想

2.1 改造要求

利用太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)熱，并用空氣能熱泵熱水系統(tǒng)補(bǔ)充加熱(在極端低溫的天氣情況下手動(dòng)啟動(dòng)備用電加熱系統(tǒng))。利用太陽(yáng)能的光照熱量和熱泵輔助加熱，能夠保證每天提供55±5℃以上的熱水，供應(yīng)量不低于22 t。

2.2 改造方案的理論依據(jù)

(1)日用水量計(jì)算：

式中：Qd—日用水量，L/d；

m—用水計(jì)算單位，人；qr—熱水用水定額，L/人。

取洗浴人數(shù)：280人，每人用水定額為80 L，代入上式，

即：總用水量取22 t。

(2)太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)：

直接系統(tǒng)集熱器采光面積可根據(jù)用戶(hù)的每日用水量和用水溫度確定，按(2)式估算：

其中：Ac—直接系統(tǒng)集熱器采光面積，m2；

Qw—日均用水量，kg；

Cw—水的定壓比熱容，kJ/kg·℃；

tend—儲(chǔ)水箱內(nèi)水的終止溫度，℃；ti—水的初始溫度，℃；

Jt—當(dāng)?shù)卮悍只蚯锓炙谠录療崞魇軣崦嫔显戮蛰椓?，kJ/m2；

f —太陽(yáng)能保證率，實(shí)取0.5；

ηcd—集熱器全日集熱效率，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值取0.4～0.55(實(shí)取0.55)；

ηL—管路及儲(chǔ)水箱熱損失率，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值取0.2～0.25(實(shí)取0.2)。

現(xiàn)?。喝站盟縌w=22 000 kg

水的定壓比熱容Cw=4.18 kJ/kg·℃

儲(chǔ)水箱內(nèi)水的終止溫度tend=50 ℃

水的初始溫度ti=15 ℃

月均日輻量Jt=16 420 kJ/m2

太陽(yáng)能保證率f=0.5

集熱器全日集熱效率ηcd= 0.55

管路及儲(chǔ)水箱熱損失率ηL=0.2

代入(2)式得：集熱器采光面積Ac= 222.7 m2

(3)熱泵部分：

日用熱負(fù)荷：

式中：Pd—日用熱負(fù)荷，kWh；

Qd—日用水量，L；

T2—熱水溫度，機(jī)組額定工況為55 ℃；

T1—冷水溫度，取15 ℃；

η1—熱泵機(jī)組本體熱損失后的效率為0.95。

取Qd=22 000 L，代入(3)式：

熱泵熱水機(jī)組選型

式中：N—機(jī)組臺(tái)數(shù)；

Pd— 日用熱負(fù)荷，kWh；

Pe—機(jī)組額定工況下的制熱功率；

T—機(jī)組日工作小時(shí)。

現(xiàn)?。篜d=1 077 kWh

Pe=45(見(jiàn)熱泵機(jī)組參數(shù)表)

T=8

代入(4)式：N=1 077/(45*8)≈ 3

3 改造后熱水供應(yīng)系統(tǒng)情況

3.1 系統(tǒng)簡(jiǎn)介

3.1.1 系統(tǒng)簡(jiǎn)介

本供熱系統(tǒng)由太陽(yáng)能加熱系統(tǒng)與空氣能熱泵機(jī)組加熱系統(tǒng)及備用的電加熱裝置組成。首先利用太陽(yáng)能加熱系統(tǒng)對(duì)供熱水箱進(jìn)行預(yù)加熱，其次通過(guò)空氣熱泵進(jìn)行輔助加熱，以便達(dá)到浴室熱水的供應(yīng)要求。在極端最低氣溫(環(huán)境溫度在-3 ℃以下)時(shí)，熱泵無(wú)法有效運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下，可采用電加熱方式。

3.1.2 系統(tǒng)組成

本供熱系統(tǒng)主要由：太陽(yáng)能集熱器、儲(chǔ)熱水箱、供熱水箱、冷水箱、空氣源熱泵機(jī)組、控制系統(tǒng)、水泵(增壓泵、循環(huán)泵)、電磁閥、壓力傳感器、溫度傳感器、液位控制器、電加熱管、管路系統(tǒng)、閥門(mén)、電線(xiàn)等組成。

3.1.3 主要設(shè)備設(shè)施

表1 主要設(shè)備設(shè)施

3.2 系統(tǒng)工作原理

3.2.1 工藝原理

在太陽(yáng)能集熱器、儲(chǔ)熱水箱、供熱水箱中分別放有溫度控制器，來(lái)測(cè)試當(dāng)前容積內(nèi)的溫度(假設(shè)分別為T(mén)1、T2、T3)。

當(dāng)T1- T2≥8 ℃時(shí)，太陽(yáng)能循環(huán)泵啟動(dòng)，水箱與集熱器之間循環(huán)，使水箱中的溫度升高。

當(dāng)T1- T2≤4 ℃時(shí)，循環(huán)泵停止。

當(dāng)T3小于設(shè)定值時(shí)，熱泵機(jī)組啟動(dòng)，進(jìn)行補(bǔ)充加熱致使溫度達(dá)到設(shè)定值停止。當(dāng)儲(chǔ)熱水箱的水位小于設(shè)定值時(shí)，上水電磁閥啟動(dòng)，上水達(dá)到設(shè)定值停止備用手動(dòng)電加熱裝置，在極端低溫的天氣情況下手動(dòng)啟動(dòng)備用電加熱輔助加熱，當(dāng)達(dá)到設(shè)定溫度時(shí)，會(huì)自動(dòng)關(guān)閉，從而保證供熱水箱內(nèi)的水溫達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

3.2.2 工藝流程

圖1 雙節(jié)能熱水系統(tǒng)工藝流程

3.2.3 工藝參數(shù)

供水指標(biāo)：

(1)日供水能力22 t；

(2)供水時(shí)間：多時(shí)段；

(3)供水溫度：55℃±5℃；

(4)用水人次：280人次；

(5)供水壓力：0.15～0.2 MPa。

3.3 系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)

3.3.1 高溫保護(hù)

系統(tǒng)中設(shè)有水箱高溫保護(hù)功能，為避免水箱溫度過(guò)高，當(dāng)儲(chǔ)熱水箱內(nèi)水的溫度達(dá)到最大默認(rèn)值90℃時(shí)(該溫度可調(diào)節(jié))，循環(huán)水泵自動(dòng)停止工作，在儲(chǔ)熱水箱內(nèi)水未達(dá)到最高水位時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)上水，使水溫降低。

3.3.2 水位控制

(1)定時(shí)上水：系統(tǒng)可根據(jù)用水時(shí)間定時(shí)定量上水，保證儲(chǔ)熱水箱內(nèi)有充足的水位；

(2)低水位自動(dòng)上水：當(dāng)儲(chǔ)熱水箱內(nèi)的水位低于設(shè)定的安全水位時(shí)，上水電磁閥自動(dòng)打開(kāi)，將冷水注入到儲(chǔ)熱水箱中；

(3)高溫自動(dòng)上水：當(dāng)儲(chǔ)熱水箱內(nèi)水的溫度達(dá)到默認(rèn)的設(shè)定值90℃(該溫度可調(diào)節(jié))，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)向水箱內(nèi)注入冷水，以降低水箱內(nèi)水的溫度，防止熱水燙人。

3.3.3 用水端管路的回水控制

按照設(shè)定的時(shí)間(溫度)，自動(dòng)啟動(dòng)用水端管路循環(huán)泵，將用水端管路里的冷水自動(dòng)抽到供熱水箱中，并將供熱水箱中的熱水送入到管路中，做到一打開(kāi)籠頭，就有熱水。

3.3.4 防凍系統(tǒng)

冬季當(dāng)集熱器溫度低于防凍保護(hù)設(shè)定值時(shí)(2～15 ℃)，循環(huán)泵開(kāi)啟。當(dāng)集熱器溫度高于防凍保護(hù)關(guān)閉溫度時(shí)，關(guān)閉循環(huán)泵退出防凍保護(hù)。

3.3.5 自動(dòng)計(jì)量刷卡系統(tǒng)

浴室系統(tǒng)加裝了洗浴熱水自動(dòng)計(jì)量刷卡系統(tǒng)，用水量穩(wěn)定，為太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行提供了保障，同時(shí)大量的節(jié)約了用水。

3.3.6 整個(gè)系統(tǒng)全自動(dòng)運(yùn)行

系統(tǒng)采用智能化控制，通過(guò)軟件設(shè)置可實(shí)現(xiàn)多種功能，實(shí)現(xiàn)程序化運(yùn)行、故障自檢，系統(tǒng)各測(cè)控點(diǎn)的狀態(tài)通過(guò) LCD顯示屏顯示，一目了然。通過(guò)面板還可以很方便地設(shè)定和改變相關(guān)數(shù)據(jù)，整個(gè)控制系統(tǒng)性能可靠穩(wěn)定、通用性強(qiáng)、易于替換維修。

4 改造前后數(shù)據(jù)對(duì)比

表2是系統(tǒng)安裝前8個(gè)月期間的能源消耗情況

表2 改造前系統(tǒng)能耗數(shù)據(jù)

表3是系統(tǒng)安裝后8個(gè)月期間的能源消耗情況

表3 改造后系統(tǒng)能耗數(shù)據(jù)

5 結(jié)論

根據(jù)上述記錄可以得出結(jié)論：?jiǎn)⒂秒p節(jié)能熱水系統(tǒng)前，8個(gè)月實(shí)際用水10 122 t、電129 760 kWh、蒸汽2 518 t，按水價(jià)格3.5元/t，電價(jià)格3.5元/kWh，蒸汽價(jià)格200元/t計(jì)算，系統(tǒng)綜合費(fèi)用61.69萬(wàn)元。雙節(jié)能熱水系統(tǒng)使用后8個(gè)月，實(shí)際用水6 058 t、電239 750 kWh，水價(jià)、電價(jià)同上計(jì)算，系統(tǒng)綜合費(fèi)用為16.51萬(wàn)元。

由此可看出，系統(tǒng)改造運(yùn)行8個(gè)月來(lái)，除用電量上升外，其節(jié)能效果明顯，改造后系統(tǒng)綜合費(fèi)用僅為原系統(tǒng)的26.8%，節(jié)約費(fèi)用約減少45.18萬(wàn)元，預(yù)計(jì)2年內(nèi)即可收回投資。

公司對(duì)浴室供熱系統(tǒng)進(jìn)行了改造，利用太陽(yáng)能、空氣能等清潔能源綜合利用技術(shù)建立新型節(jié)能環(huán)保功能系統(tǒng)，替代原來(lái)效率低下的蒸汽熱交換器，取得了良好的節(jié)能效應(yīng)。因此，雙節(jié)能熱水系統(tǒng)值得推廣。