低品位多熱源聯(lián)供熱水系統(tǒng)的節(jié)能分析

山東科技大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院 ■ 楊前明 李心靈 李亭 李凱

一 引言

太陽(yáng)能熱利用技術(shù)的本質(zhì)是利用太陽(yáng)能集熱器將低品位太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為高品位熱能。由于其自身集熱的不連續(xù)性以及隨季節(jié)變化較大等因素，目前還不能單獨(dú)滿足大量熱水的需求，必須與其他穩(wěn)定性較好的熱源結(jié)合使用[1～5]?？諝庠礋岜脽崴到y(tǒng)是利用少量電能把不能直接利用的低品位熱源(空氣)轉(zhuǎn)化為可以直接利用的高位熱能的節(jié)能設(shè)備。廢水余熱回收設(shè)備主要是利用水源熱泵、板式換熱器等余熱回收裝置將洗浴廢水中的大部分熱量回收利用，減少能源的浪費(fèi)[6～11]。近年來(lái)，太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)與空氣源熱泵熱水機(jī)組聯(lián)合供熱水工程已獲得更加廣泛的應(yīng)用，由于全年四季均能充分利用低品位熱能，使組合后的太陽(yáng)能-空氣能-污水余熱回收能量復(fù)合系統(tǒng)(Solar-Air heat pump-Waste heat recovery，SAW)較單一系統(tǒng)更具節(jié)能潛力。

二 SAW熱水系統(tǒng)的構(gòu)成及運(yùn)行原理

1 SAW熱水系統(tǒng)構(gòu)成

圖1為SAW熱水系統(tǒng)組成示意圖。SAW熱水系統(tǒng)主要由太陽(yáng)能、空氣源熱泵熱水機(jī)組和廢水余熱回收設(shè)備聯(lián)合提供熱源，主要包括太陽(yáng)能集熱器、空氣源熱泵熱水機(jī)組、余熱回收裝置、蓄熱水箱、各類循環(huán)水泵、控制系統(tǒng)及管網(wǎng)等環(huán)節(jié)。

圖1 SAW熱水系統(tǒng)組成示意圖

2 SAW系統(tǒng)運(yùn)行原理

SAW熱水系統(tǒng)主要由太陽(yáng)能集熱、熱泵熱水、污水余熱回收加熱3個(gè)子系統(tǒng)組成。在整個(gè)循環(huán)過(guò)程中，自來(lái)水經(jīng)過(guò)余熱回收裝置進(jìn)行預(yù)熱，根據(jù)溫差、液位、防凍、排空、恒壓等控制系統(tǒng)控制程序?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)各部分的循環(huán)功能。

(1) 太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)

太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)由太陽(yáng)能集熱器、膨脹罐、蓄熱水箱、換熱器、循環(huán)泵及循環(huán)管路構(gòu)成。集熱側(cè)，工質(zhì)丙二醇通過(guò)溫差控制系統(tǒng)控制循環(huán)泵迫使工質(zhì)進(jìn)行強(qiáng)制循環(huán)；在冷水側(cè)，工質(zhì)水通過(guò)溫差控制系統(tǒng)控制循環(huán)泵迫使工質(zhì)進(jìn)行強(qiáng)制循環(huán)。集熱側(cè)與冷水側(cè)通過(guò)換熱裝置不斷傳遞熱量，使冷水溫度升高，工質(zhì)溫度降低。

(2) 空氣源熱泵系統(tǒng)

空氣源熱泵熱水系統(tǒng)主要由熱泵機(jī)組、蓄熱水箱、循環(huán)泵及循環(huán)管路組成。當(dāng)太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量無(wú)法滿足系統(tǒng)的用熱水需求時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)空氣源熱泵進(jìn)行輔助加熱?？諝庠礋岜弥茻嵯到y(tǒng)采用蓄熱水箱內(nèi)部水溫控制運(yùn)行模式，當(dāng)蓄熱水箱內(nèi)部水溫低于所需供水溫度時(shí)，依次啟動(dòng)循環(huán)水泵和空氣源熱泵機(jī)組，直至蓄熱水箱內(nèi)部水溫達(dá)到設(shè)定值，再依次停止熱泵機(jī)組和循環(huán)水泵。

(3) 污水余熱回收能量系統(tǒng)

污水余熱回收系統(tǒng)主要由水源熱泵、板式換熱器、循環(huán)泵及蓄熱水箱構(gòu)成。在余熱回收過(guò)程中，一部分自來(lái)水在循環(huán)泵的作用下，先經(jīng)過(guò)板式換熱器進(jìn)行換熱，最后進(jìn)入蓄熱水箱，一部分冷水進(jìn)入水源熱泵進(jìn)行預(yù)熱，最后進(jìn)入蓄熱水箱。在這一過(guò)程中廢水余熱得到利用，間接降低了SAW系統(tǒng)的能耗，同時(shí)洗浴廢水在經(jīng)過(guò)廢水處理裝置后得到二次利用，減少了水資源浪費(fèi)。

SAW熱水系統(tǒng)綜合利用太陽(yáng)能、空氣能、污水廢熱能等低品位能源作為低溫?zé)嵩矗ㄟ^(guò)系統(tǒng)整合與優(yōu)化，建立全新的清潔能源利用系統(tǒng)，從而優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，減少常規(guī)能源消耗，促進(jìn)建筑節(jié)能以及能源的可持續(xù)利用。

三 SAW系統(tǒng)的熱負(fù)荷計(jì)算與分析

SAW熱水系統(tǒng)不僅能使太陽(yáng)能資源得到充分利用，避免夏季太陽(yáng)能部分提供熱量過(guò)多造成資源與成本浪費(fèi)，而冬季制熱量不足無(wú)法達(dá)到使用要求等缺點(diǎn)，同時(shí)利用余熱回收裝置將洗浴廢水中的熱量回收利用，還可減少能源浪費(fèi)。

1 熱負(fù)荷計(jì)算

青島位于山東半島南端、黃海之濱，全年平均氣溫12.3℃，一年中1月為最冷月，平均氣溫?0.9℃，8月為最熱月，平均氣溫25.3℃。根據(jù)建筑給水排水設(shè)計(jì)規(guī)范[12]，查得青島地區(qū)的全年冷水計(jì)算溫度為10～15℃。結(jié)合青島地區(qū)的氣候變化情況，冬季取冷水計(jì)算溫度5℃，春秋季取10℃，夏季取15℃。該浴室每天需要40℃熱水150t，浴室四季所需熱負(fù)荷的計(jì)算公式為：

式中：Q為消耗熱負(fù)荷，MJ；c為水的比熱容，4.187MJ/(kg·℃)；m為所需質(zhì)量，kg；t0為初始溫度，℃；t1為所需溫度，℃。

SAW熱水系統(tǒng)實(shí)際安裝場(chǎng)地東西長(zhǎng)33.2m，南北寬30m，其中水箱占地面積55m2，空氣源熱泵系統(tǒng)占地面積60m2。由于受安裝設(shè)備及場(chǎng)地基礎(chǔ)設(shè)施的影響，實(shí)際安裝太陽(yáng)能集熱器的有效集熱面積為455.04m2。根據(jù)中國(guó)氣象輻射資料年冊(cè)[13]中太陽(yáng)能輻射量隨季節(jié)變化情況，太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)(QS)、空氣源熱泵熱水系統(tǒng)(QHP)、水源熱泵余熱回收系統(tǒng)(QW)在不同季節(jié)提供的熱量如表1所示。

根據(jù)表1繪制出全年各月SAW熱水系統(tǒng)各熱源隨著季節(jié)變化所提供的熱量占比曲線變化圖如圖2所示。從圖2可知，在SAW熱水加熱系統(tǒng)中，污水源熱泵所提供的熱量相對(duì)穩(wěn)定，全年占比約為16.72%；太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)受建筑面積影響，提供熱量較少，且隨季節(jié)性太陽(yáng)能輻照強(qiáng)度的變化而變化，全年占比約為12.79%；空氣源熱泵熱水系統(tǒng)受日照強(qiáng)度影響較小，全年可提供約70.49%的熱負(fù)荷。

表1 SAW熱水系統(tǒng)全年各月能源分配表

圖2 全年各月SAW系統(tǒng)各熱源提供熱量曲線圖

2 熱負(fù)荷占比分析

表2為SAW熱水系統(tǒng)全年四季在不同天氣情況下各系統(tǒng)提供的熱量分配表。由表2可知，受環(huán)境溫度影響，SAW熱水系統(tǒng)夏季提供熱量較少，冬季較多；同時(shí)受氣候變化影響，太陽(yáng)能集熱器供熱不穩(wěn)定，在余熱回收系統(tǒng)提供熱量一定的情況下，熱泵提供熱量隨太陽(yáng)能提供熱量的減少不斷增加。

圖3～圖6分別為春、夏、秋、冬4個(gè)不同季節(jié)氣候條件下SAW提供總熱負(fù)荷與各組成熱源占比變化規(guī)律曲線圖。

表2 SAW熱水系統(tǒng)提供能量分配表

從圖3可看出，夏季外界環(huán)境溫度及補(bǔ)水溫度相對(duì)較高，系統(tǒng)所需熱負(fù)荷總量(Q)在全年四季中為最低量。由于夏季太陽(yáng)能輻射強(qiáng)度相對(duì)較高，所以夏季是全年四季中太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)提供熱負(fù)荷(QS)最富裕季節(jié)，應(yīng)優(yōu)先采用太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)。

從圖4分析可看出，冬季外界環(huán)境溫度及冷水溫度相對(duì)較低，系統(tǒng)所需熱負(fù)荷總量(Q)在全年四季中為最高量。由于冬季太陽(yáng)能輻射強(qiáng)度相對(duì)較低，所以冬季是全年四季中太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)提供熱負(fù)荷(QS)最少的季節(jié)，應(yīng)優(yōu)先采用空氣源熱泵熱水機(jī)組。

從圖5、圖6可看出，春秋季外界環(huán)境溫度及補(bǔ)水溫度相對(duì)全年居中，系統(tǒng)所需熱負(fù)荷總量(Q)在全年四季居中。由于春秋季太陽(yáng)能輻射強(qiáng)度相對(duì)居中，所以春秋季也是全年四季中太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)提供熱負(fù)荷(QS)相對(duì)居中的季節(jié)，應(yīng)合理調(diào)配太陽(yáng)能與空源熱負(fù)荷。

就全年四季而言，每個(gè)季節(jié)熱水熱負(fù)荷總量(Q)與污水余熱回收熱負(fù)荷(QW)相對(duì)穩(wěn)定。當(dāng)天氣條件由晴天－多云－陰雨變化時(shí)，太陽(yáng)能系統(tǒng)的供熱負(fù)荷(QS)逐漸減少，熱泵提供的熱負(fù)荷(QHP)逐漸增加。也就是說(shuō)，由于季節(jié)與天氣條件由好變差而導(dǎo)致的太陽(yáng)能供熱負(fù)荷的減少須由熱泵進(jìn)行補(bǔ)充。

3 合理用能策略

綜上所述，為優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，充分合理利用太陽(yáng)能、空氣能、污水廢熱回收等低品位熱源，實(shí)現(xiàn)SAW系統(tǒng)聯(lián)合供熱水，不難獲得以下結(jié)論與運(yùn)行策略：

(1) SAW系統(tǒng)熱水熱負(fù)荷總量Q相對(duì)不變的情況下，太陽(yáng)能熱負(fù)荷QS、空氣能熱負(fù)荷QHP與污水余熱回收熱負(fù)荷QW構(gòu)成系統(tǒng)總熱負(fù)荷Q，即Q=QS+QHP+QW。

(2) 由于污水余熱回收熱負(fù)荷QW相對(duì)穩(wěn)定，系統(tǒng)運(yùn)行的成本取決于太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)與空氣能熱泵熱水機(jī)組的運(yùn)行成本。即太陽(yáng)能熱負(fù)荷和空氣能熱負(fù)荷是系統(tǒng)熱負(fù)荷供應(yīng)主流。

(3) 同一季節(jié)、同樣天氣、太陽(yáng)光輻射強(qiáng)度高的工況下，應(yīng)優(yōu)先采用太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)加熱熱水，不足部分由空氣源熱泵熱水機(jī)組進(jìn)行熱負(fù)荷補(bǔ)充。這是因?yàn)樵谕瑯油顿Y總量、單位能耗等條件下，太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)的運(yùn)行成本低于空氣源熱泵熱水機(jī)組。

(4) 在冬季、陰雨天氣條件下，太陽(yáng)能輻照強(qiáng)度較低，空氣源熱泵熱水機(jī)組是系統(tǒng)的主要熱負(fù)荷來(lái)源，優(yōu)先采用空氣源熱泵機(jī)組、太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)作為輔助熱源應(yīng)是SAW系統(tǒng)運(yùn)行的基本策略。

四 結(jié)論

通過(guò)介紹SAW熱水系統(tǒng)的組成、運(yùn)行原理及循環(huán)方式，對(duì)SAW熱水系統(tǒng)各子系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程進(jìn)行能源占比分析，提出SAW熱水系統(tǒng)全年合理用能運(yùn)行策略，實(shí)際系統(tǒng)運(yùn)行用能結(jié)果驗(yàn)證了本文的用能分析與運(yùn)行策略的合理性。

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