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

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(同濟大學 機械與能源工程學院，上海 201804)

0 引 言

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(chǎn)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(jié)構(gòu)逐漸成為我國太陽能熱利用的發(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(chǎn)熱量變化較大。因此，為了滿足用戶熱水需求，設置輔助熱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

過熱水系統(tǒng)構(gòu)成圖如圖1所示。

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

1.2 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(zhuǎn)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(nèi)，若仍未能達到所需的溫度，那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。

2 工程設計案例

2.1 設計說明

太陽能熱水系統(tǒng)采用真空管式集熱器。太陽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(jié)構(gòu)。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。

2.2 工程概況

項目為上海某大學已建學生公寓加建太陽能供熱系統(tǒng)，以供學生洗浴，熱水用量為19.8 t/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(diào)節(jié))，學生公寓樓共6層,本次太陽能集中供熱水系統(tǒng)安裝在建筑6層樓屋頂上，力求實現(xiàn)一體化結(jié)構(gòu)。

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(jīng)121°29′,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：

Ac=m*c*ρ*Δt*f/h*ηcd*(1-ηL)。

(1)

式中：Ac為太陽能集熱器直接采光面積，m2；m為日均用水量，kg；ρ為水的密度，kg/L；c為水的定壓比熱容，取4.187 kJ/(kg*℃)；Δt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；ηcd為集熱器全日集熱效率，無量綱；ηL為管路及儲水箱熱損失率，無量綱[6]。

選取h=12 904 kJ/m2，m=19.8 t，Δt=55 ℃，ρ=1 kg/L，ηL=0.2，f=0.4，ηcd=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/Φ47-5.1，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(實際選取70組)，實際集熱面積為70×5.1=357 m2。

2.3.3 太陽能集熱循環(huán)泵設計

水泵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(jié)構(gòu)設計，效率高；水量充足。

2.3.4 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)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，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(cè)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

2.4.1 設計參數(shù)

由于最不利條件出現(xiàn)在冬季，最冷平均氣溫約為4 ℃，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。

表1 熱泵機組每天的工作時間

根據(jù)該工程的性質(zhì)，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?？諝庠礋岜贸袚畲鬅嶝摵傻?0%。

2.4.3 日耗熱量的確定

Qd=0.4*m*c*ρ*Δt/64 800。

(2)

式中：Qd為最高日平均耗熱量，kW；m為日均用水量，kg；ρ為水的密度，kg/L；c為水的定壓比熱容，取4.187 kJ/(kg*℃)；Δt為儲水箱進口與出口溫差,單位℃。

選取m=19.8 t，Δt=55 ℃，ρ=1 kg/L，代入得Qd=28.15 kW。

2.4.4 熱泵機組制熱量的確定

Qg=K*Qd。

(3)

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=29.56 kW。

2.4.5 機組選型配比

對于該系統(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KRF-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。

2.5 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

Qboiler=m*c*ρ*Δt-Qsolar-Qpump。

(4)

式中：m為日均用水量，kg；ρ為水的密度，kg/L；c為水的定壓比熱容，取4.187 kJ/(kg*℃)；Δt儲水箱進口與出口溫差,單位℃；Qboiler為燃氣鍋爐在冬季最冷月份每天所承擔的熱負荷，單位是kJ；Qsolar為太陽能在冬季最冷月份每天所能承受的熱負荷，單位是kJ；Qpump為空氣源熱泵在冬季最冷月份每天所承擔的負荷，單位為kJ。

即Qboiler=912 000 kJ。

設計保證鍋爐工作半個小時。理論計算可知，需給單體分別配備2臺產(chǎn)熱量為0.35 MW/H的常壓燃氣熱水鍋爐作為輔助加熱設備。

3 結(jié) 論

空氣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。

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