太陽能-空氣源熱泵熱水系統(tǒng)應(yīng)用

黨 舉 李富貞 劉萬兵

（陜西重型汽車有限公司 西安）

一、引言

陜西重型汽車有限公司車架廠澡堂原有的淋浴加熱系統(tǒng)采用蒸汽加熱方式，耗能大且污染環(huán)境，設(shè)備維護(hù)或維修工作量大，設(shè)備使用年限較長，2臺罐式熱交換器破損嚴(yán)重，已無修復(fù)價值。經(jīng)過綜合考慮，公司將購置一套太陽能-空氣能熱水系統(tǒng)，替代原有的蒸汽加熱系統(tǒng)，利用太陽能資源和空氣熱能泵輔助加熱，每天至少提供20 t的熱水，保證澡堂淋浴系統(tǒng)的正常運(yùn)行。利用太陽能作為主熱源、以空氣能作為輔助加熱能源保證熱水的正常供應(yīng)，滿足員工正常生活的同時，節(jié)約不可再生資源，減少環(huán)境污染，為下一步太陽能或是新能源在公司內(nèi)的應(yīng)用打下基礎(chǔ)。

二、改造概述

項目以太陽能為主熱源，當(dāng)陰雨天氣太陽光照度不足達(dá)不到使用溫度時，空氣能熱泵輔助熱源投入輔助加熱，確保全天候供熱以保證需求。新建的太陽能-空氣源熱泵熱水系統(tǒng)將利用太陽的輻射熱能與空氣源熱泵相結(jié)合制取55℃熱水，最大限度的優(yōu)先利用太陽能，把電能使用降到最低，達(dá)到節(jié)能降耗目的，如遇陰雨天氣熱水不足的部分由空氣源熱泵進(jìn)行補(bǔ)充。

熱水供應(yīng)溫差循環(huán)方式采用定溫出水和溫差循環(huán)相結(jié)合的方式運(yùn)行并優(yōu)先采用定溫出水方式，當(dāng)集熱器溫度達(dá)到設(shè)定溫度值55℃（可調(diào)）時上水電磁閥自動開啟，將集熱器中的熱水頂進(jìn)儲熱水箱，集熱器溫度低于設(shè)定溫度時，電磁閥自動關(guān)閉，停止上水。系統(tǒng)吸收太陽熱量儲存于集熱器內(nèi)的水中，使溫度繼續(xù)升高，電磁閥重新再開啟，再關(guān)閉。通過不斷重復(fù)的過程，把太陽能轉(zhuǎn)化為熱能，直到把儲熱水箱的水加滿為止。隨后系統(tǒng)再自動切換溫差循環(huán)方式，等集熱器的溫度因吸收太陽能熱量再次高于水箱內(nèi)水的溫度時控制系統(tǒng)啟動循環(huán)水泵，把集熱器熱水交換到水箱，而循環(huán)到水箱和集熱器之間低于設(shè)置溫差時水泵自動停止，如此反復(fù)循環(huán)以達(dá)到升高水溫的目的，保證太陽能熱量得到充分利用。當(dāng)恒溫水箱水不滿時，又會自動切換為定溫出水模式，整個過程由智能控制系統(tǒng)自動操作，見圖1。

三、改造方案

1.太陽能系統(tǒng)

圖1 太陽能-空氣源熱泵熱水系統(tǒng)示意圖

太陽能采用聯(lián)集管式太陽能集熱器，該集熱器由多根全玻璃真空太陽能熱管插入聯(lián)箱而組成，系統(tǒng)運(yùn)行時集熱器中充滿水，太陽能直接對集熱器的水進(jìn)行加熱，當(dāng)集熱器水溫達(dá)到要求時，將通過循環(huán)泵將集熱器中的水循環(huán)至儲熱水箱。太陽能集熱器總共20塊，每塊的面積約為8 m2，每塊含有50支Φ58 mm×1800 mm的納米紫金全玻璃真空管，見圖2、圖3。

圖2 太陽能集熱器示意圖

圖3 全玻璃真空管結(jié)構(gòu)示意圖

納米紫金全玻璃真空管由內(nèi)外兩層玻璃套合密封而成（圖3），兩層玻璃間抽真空并內(nèi)裝有吸氣劑以保證兩管內(nèi)的真空度，因為全玻璃真空管內(nèi)的氣體分子對流將影響傳遞熱量的損失。全真空玻璃管的外層玻璃透明，內(nèi)層玻璃管外壁通過磁控濺射技術(shù)涂有選擇性吸收涂層。從外到內(nèi)第一層為減反層，是保護(hù)膜、增透膜；第二層為吸收層，主要作用為光熱轉(zhuǎn)換，最底層為紅外反射層，將管內(nèi)介質(zhì)所輻射的熱量反射回去，進(jìn)而減少熱量損失。當(dāng)太陽光透過外層玻璃照射到全真空玻璃管壁上的選擇性吸收涂層上時，該涂層將太陽能光能轉(zhuǎn)換為熱能，加熱內(nèi)玻璃管內(nèi)的水。系統(tǒng)采光面積為20×2.1×3.67=154 m2，根據(jù)國家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)《太陽能熱水系統(tǒng)設(shè)計、安裝及工程驗收技術(shù)規(guī)范》GB/T 18713-2002中的計算公式計算得出太陽能熱量能滿足每天產(chǎn)10 t熱水的需求。

2.空氣源熱泵系統(tǒng)

作為輔助加熱的空氣源熱泵系統(tǒng)主要作用為，當(dāng)陰雨天氣太陽光照不足，熱水達(dá)不到使用溫度時，進(jìn)行空氣能熱泵輔助加熱，以達(dá)到全天候供熱。空氣源熱泵熱水機(jī)組一般由冷凝器、壓縮機(jī)、蒸發(fā)器、膨脹閥和風(fēng)機(jī)等部件組成。

熱泵的工作原理是通過壓縮機(jī)做功，使工質(zhì)→環(huán)保冷媒R417A產(chǎn)生氣態(tài)→液態(tài)→氣態(tài)的物理相變，利用往復(fù)循環(huán)相變過程不斷吸熱和放熱，使冷水逐步升溫制取的熱水。工作過程是首先工質(zhì)在蒸發(fā)器中從低溫環(huán)境中吸取熱量由產(chǎn)生由液態(tài)→氣態(tài)，然后再通過壓縮機(jī)做功使高壓氣態(tài)工質(zhì)循環(huán)至冷凝器中產(chǎn)生由氣態(tài)→液態(tài)的物理相變進(jìn)而放熱，最終通過熱交換器完成循環(huán)冷水的加熱，滿足用戶的洗澡要求（圖4）。上述工作循環(huán)中，儲液罐主要用于清除冷媒中的水分和蒸汽泡，只有液體工質(zhì)通過過濾器流入蒸發(fā)器中；蒸發(fā)器用于過濾循環(huán)系統(tǒng)中的微粒雜質(zhì)，防止其堵住膨脹閥的閥門，影響工質(zhì)循環(huán)；而膨脹閥則通過放置在蒸發(fā)器出口管道上的感溫包感受蒸發(fā)器出口工質(zhì)的溫度，再通過調(diào)節(jié)膜片壓力進(jìn)而改變膨脹閥閥口的大小控制冷媒的流量，保證蒸發(fā)器的出口完全為氣態(tài)制冷劑，若流量過大，出口含有液態(tài)制冷劑，可能進(jìn)入壓縮機(jī)產(chǎn)生液擊；若制冷劑流量過小，提前蒸發(fā)完畢，造成吸熱不足。改造選用德能DE-92W/D型熱泵，熱水產(chǎn)量825 kg/h，2臺熱泵每天工作12 h，產(chǎn)熱水20 t，基本滿足每天的洗澡熱水需求量。

圖4 空氣源熱泵工作原理示意圖

3.保溫水箱、管道和泵

（1）保溫水箱。2個10 t的保溫水箱內(nèi)膽采用厚度為1.0 mm的SUS304#食品級不銹鋼，中間采用50 mm的發(fā)泡聚氨酯，水箱外皮為厚度為0.8 mm的201#不銹鋼材料，確保標(biāo)準(zhǔn)狀況下24 h的自然溫降＜5℃。每個儲熱水箱內(nèi)設(shè)有水位壓力傳感探頭和水溫感應(yīng)探頭以實現(xiàn)對整個系統(tǒng)的自動化控制：在陽光充足的條件下，水位壓力傳感探頭感應(yīng)到水箱水位低于設(shè)置水位時進(jìn)水電磁閥自動打開向集熱器注入自來水將水加熱到設(shè)置水溫后頂入水箱中，直到水箱加滿熱水后電磁閥自動關(guān)閉并進(jìn)入溫差循環(huán)模式。同時水箱內(nèi)的水溫感應(yīng)探頭檢測水箱內(nèi)水的溫度，當(dāng)儲水箱水溫低于集熱器內(nèi)出口水的溫度10℃（溫度可調(diào)）時，集熱循環(huán)水泵自動啟動，系統(tǒng)開始循環(huán)為水箱增溫，直到水箱內(nèi)的水溫和集熱器出水溫度的水溫差小于5℃（可調(diào)）時集熱循環(huán)水泵停止工作，這樣可保證太陽能熱量得到最充分的利用。如果在陰雨天或光照不足的條件下，水位壓力傳感探頭檢測到水箱水位低于最低設(shè)定水位時進(jìn)水電磁閥將自動打開向水箱內(nèi)注入自來水同時啟動空氣源熱泵機(jī)組進(jìn)行加熱，直到水溫達(dá)到設(shè)置溫度55℃時自動關(guān)閉輔助熱源系統(tǒng)。

（2）管道。循環(huán)系統(tǒng)冷熱水管選用PPR環(huán)保水管以確保水質(zhì)清潔，且使用壽命長不易變型。為避免冬天水管被凍同時保證熱水系統(tǒng)的供熱效果，所有外露的熱水管道均采用厚度為30 mm的聚乙烯橡塑海綿保溫，管道外包玻璃絲布鋁箔防止光照雨淋的自然老化，同時也可以避免管道的熱量損失。為保證每個噴淋即開即用熱水，減少水資源的浪費(fèi)，洗澡用水循環(huán)管道配備有定溫循環(huán)功能，即到用水時段，當(dāng)室內(nèi)用水管道上的探測溫度低于設(shè)置溫度時，電磁閥自動打開，循環(huán)泵啟動將管道中的冷卻水打入水箱；當(dāng)管道溫度達(dá)到設(shè)置溫度時，電磁閥自行關(guān)閉，保證用戶打開噴淋很快就出熱水。

（3）泵。太陽能-空氣能熱水系統(tǒng)總共配置3臺泵，分別是太陽能集熱系統(tǒng)循環(huán)泵、空氣源熱泵循環(huán)泵和熱水供水泵，因為泵的工作環(huán)境都是高溫的熱水所以都將采用熱水循環(huán)泵。熱水供水泵采用變頻增壓泵，保證用戶用水時的流量和壓力恒定，工作原理是當(dāng)系統(tǒng)管網(wǎng)壓力低于用戶所需的壓力時，檢測控制系統(tǒng)自動控制加壓水泵變頻軟啟動運(yùn)行，直到水泵出水總管的實際壓力與用戶設(shè)定的壓力相等時，監(jiān)控控制系統(tǒng)才控制加壓水泵恒速運(yùn)轉(zhuǎn)以保持實際壓力和用戶設(shè)定壓力相同，管網(wǎng)中水的壓力越高，加壓水泵的轉(zhuǎn)速就越低，管網(wǎng)中水的壓力越低，加壓水泵的轉(zhuǎn)速就越高，當(dāng)管網(wǎng)水的壓力與用戶設(shè)定壓力相等時，加壓水泵就停止工作，通過監(jiān)控原有管網(wǎng)壓力差多少補(bǔ)多少以節(jié)約能源。

空氣源熱泵循環(huán)泵根據(jù)熱泵機(jī)組要求的額定流量進(jìn)行匹配；太陽能循環(huán)泵的計算流量根據(jù)公式q＝A·QS（式中q是循環(huán)泵流量，單位為L/h，A是太陽能集熱器的總集熱面積，單位為m2，這里取154 m2；QS是集熱循環(huán)流量，由于太陽輻照量的不確定性，太陽能熱水系統(tǒng)的集熱循環(huán)流量，一般按照每平方米集熱器的流量為0.01～0.02 L/s考慮，即36～72 L/（h·m2），這里取50 L/（h·m2），計算得太陽能熱水系統(tǒng)的循環(huán)流量為7.7 m3/h，再根據(jù)該流量及所需揚(yáng)程選擇合適的泵。

四、結(jié)束語

改造的實施最大限度將太陽能與空氣源熱泵相結(jié)合，把電能使用降到最低，達(dá)到節(jié)能降耗目的。配備的智能化控制系統(tǒng)安全可靠，它由PLC系統(tǒng)自動進(jìn)行控制以實現(xiàn)24 h無人值守控制，配置微電腦顯示屏可顯示故障自動檢測、報警和故障代碼并具有系統(tǒng)過載、過流、欠壓，高低壓保護(hù)功能；可進(jìn)行各點(diǎn)水溫水位、進(jìn)水出水、循環(huán)加熱等參數(shù)的設(shè)置與控制，同時具備缺水保護(hù)功能，自動啟停和斷電記憶功能。配置的遠(yuǎn)程監(jiān)控接口可遠(yuǎn)程觀察和控制，將全年數(shù)據(jù)儲存與采集，達(dá)到節(jié)能信息化效果。