農(nóng)村家用制冷與供暖裝置的設(shè)計及可行性分析

姚飛飛、楊守武、張文成、王廣鋒

（格力電器 （合肥）有限公司，合肥）

引言

目前，隨著國內(nèi)經(jīng)濟的不斷發(fā)展，農(nóng)村家庭對于生活質(zhì)量也有了新的需要，大量農(nóng)戶紛紛蓋起了別墅?？紤]到建筑最大的耗能點就是供暖與制冷，約占建筑總能耗的55%，采用傳統(tǒng)家庭式空調(diào)能耗大，對環(huán)境損害明顯，結(jié)合農(nóng)村固有的特點——地下水資源豐富、房屋屋頂采光面積大，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)《太陽能供熱采暖工程技術(shù)規(guī)范》［1］，提出了利用太陽能與深井水混合的供暖與制冷系統(tǒng)［2］，如果在全國范圍內(nèi)能夠系統(tǒng)化、批量化的生產(chǎn)，加以提倡，對保證能源安全、減少CO2氣體排放、保護(hù)生態(tài)環(huán)境和提高人民生活都具有重大意義，符合“節(jié)能減排”的國家政策［3］。

1 太陽能熱水器與井水混合的裝置應(yīng)用于制冷系統(tǒng)

1.1 裝置介紹

農(nóng)村家用太陽能熱水器與井水混合的制冷與供暖裝置非常適合在農(nóng)村地區(qū)的推廣，該裝置由太陽能集熱板、二個水位控制保溫箱、一個保溫貯水箱，室內(nèi)風(fēng)機盤管、潛水泵和水井組成，考慮到冬季井水溫度較自來水溫度高、有些農(nóng)村地區(qū)自來水未普及的原因，整個裝置的循環(huán)水都采用深井水。

夏季，利用深井水與房間的溫差制冷，換熱后的水再回到地下或供整個家庭生活用水，此時太陽能產(chǎn)生的熱水只供用戶使用；

冬季，利用太陽能獲得的熱水與房間的溫差制熱，換熱后的水 （水溫較井水溫度高）再回到太陽能集熱板加熱。整個裝置做到了既充分利用太陽能與地下能源，又不浪費水資源，大大減少運行成本，節(jié)約能源。

1.2 裝置工作過程

首先，潛水泵將溫度為15℃左右的深井水泵到水位控制保溫箱1中，夏季，利用深井水與房間的溫差制冷，當(dāng)井水流經(jīng)變向調(diào)節(jié)閥到達(dá)室內(nèi)風(fēng)機盤管，與空氣進(jìn)行換熱產(chǎn)生涼風(fēng)，獲得制冷的效果，換熱后的水通過閥門2（閥門1關(guān)閉）流入淺水井或供家庭生活用水，通過控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)水的流量，達(dá)到控制室溫的目的，此時太陽能產(chǎn)生的熱水全部供家庭日常生活使用；冬季，水位控制保溫箱1中的水，經(jīng)太陽能集熱板的加熱后，流入水位控制保溫箱2，通過溫度控制閥門1和溫度控制閥門2的調(diào)節(jié)，使水位控制保溫箱2內(nèi)的水加熱到需要的溫度范圍，達(dá)到所需溫度的熱水再進(jìn)入保溫貯水箱，經(jīng)過總控制閥門后再流經(jīng)變向調(diào)節(jié)閥到達(dá)室內(nèi)風(fēng)機盤管，與空氣進(jìn)行換熱產(chǎn)生熱風(fēng)，換熱后的水通過閥門1（閥門2關(guān)閉）回到太陽能集熱板進(jìn)行循環(huán)利用。

2 裝置可行性分析

為證明此裝置的可行性，以安徽農(nóng)村地區(qū)為設(shè)計對象，針對專為農(nóng)村用戶而設(shè)計的太陽能熱水器與井水混合的制冷與供暖裝置進(jìn)行設(shè)計計算，所有設(shè)計計算都按照 《太陽能供熱采暖工程技術(shù)規(guī)范》進(jìn)行設(shè)計，具有一定的準(zhǔn)確性。

2.1 風(fēng)機選型

現(xiàn)以農(nóng)村普通家庭 （一家六口人）兩層別墅為類，住房總面積120.5m2，實際需要制冷、制熱總面積為186.7m2，圖3、圖4為一層、二層住宅平面圖。

查相關(guān)設(shè)計手冊，根據(jù)房間的情況選擇適當(dāng)?shù)睦洹嶝?fù)荷指標(biāo)。采用特靈風(fēng)機盤管，根據(jù)房間的不同選擇風(fēng)機盤管型號，見表1。

圖1 夏季水循環(huán)系統(tǒng)

圖2 冬季水循環(huán)系統(tǒng)

圖3 一層平面圖

2.2 冬季日用總熱水量

冬季日用總熱水量φw包括人均日用熱水量φr和冬季日用供熱用熱水量φ1，按下式計算：

式中：

φr—人均日用熱水量，L／d；取 50L／d；

m—用水人數(shù)，取6；

φ1—冬季日用供熱用的熱水量，L／d。

冬季日用供熱用熱水量φ1計算：

圖4 二層平面圖

式中：

Qr—日均室內(nèi)所需總供熱量，kJ／d；假設(shè)空調(diào)運行12小時，經(jīng)計算得出安徽地區(qū)建筑物耗熱量指標(biāo)為14.2W／m2，則：

ρ—水的密度；

C—水的比熱，kJ／（kg·℃）；

表1 各房間冷、熱負(fù)荷及所選風(fēng)機盤管

表2 所選風(fēng)機盤管的具體參數(shù)

tend—保溫水箱內(nèi)的設(shè)計溫度，℃；考慮到熱水供用戶洗漱、沐浴等使用，應(yīng)盡量保持在45℃左右；

t2—室內(nèi)風(fēng)機盤管出口水溫，℃；取35℃；經(jīng)計算得 φ1＝2735L／d

代入式 （1），則冬季日用總熱水量 φw為3035L／d

2.3 太陽能集熱板面積的確定［1］

2.3.1 直接系統(tǒng)集熱板面積

式中：

Ac—直接系統(tǒng)集熱板總面積，m2；

t1—冬季集熱板進(jìn)水溫度，℃；其值根據(jù)用戶用熱水量、供熱用熱水量與風(fēng)機盤管出水溫度確定［3］：

tend—保溫水箱內(nèi)的設(shè)計溫度，℃；考慮到熱水供用戶洗漱、沐浴等使用，應(yīng)盡量保持在45℃左右；

f—太陽能保證率，根據(jù)安徽地區(qū)可查得取值為0.25；

JT—年平均太陽能輻照量，kJ／m2；根據(jù)安徽地區(qū)可查得取值為4333645kJ／m2；

ηcd—集熱板集熱效率，根據(jù)經(jīng)驗取值宜為0.25～0.5，設(shè)計中取其值為0.3；

ηL—熱損失率，ηL＝0.2～0.3，設(shè)計中取其值為0.25。

經(jīng)計算得直接系統(tǒng)集熱板面積Ac＝39m2

2.3.2 間接系統(tǒng)集熱板面積

間接系統(tǒng)集熱板面積的計算，按照直接系統(tǒng)集熱板面積擴大10%，即：

AIN＝39×110%＝42.9m2

考慮到所采用的太陽能集熱板每塊為2m2，故取AIN＝44m2滿足需要。

3 泵的選型

3.1 潛水泵選型

由于水源采用深井水，至少低于地面20m，且考慮到兩層別墅的高度最高為10m及管阻等因素，選用潛水泵的型號為100QJ3－12。

3.2 循環(huán)泵1選型

循環(huán)泵1的主要功能是在水位控制保溫箱2中的水沒有達(dá)到溫度要求時，為水提供動力，克服壓差及管路阻力使水返回到太陽能集熱板再次進(jìn)行加熱以達(dá)到所需要的溫度，選用循環(huán)泵的型號為MP－20RZM。

3.3 循環(huán)泵2選型

循環(huán)泵2的主要功能是為經(jīng)過房間風(fēng)機盤管的水提供動力，克服壓差及管路阻力使水返回到太陽能集熱板再次進(jìn)行加熱以達(dá)到所需要的溫度，選用循環(huán)泵的型號為MP－55RZ。

上述水泵的相關(guān)參數(shù)見表3。

表3 水泵相關(guān)參數(shù)

4 能耗分析

按照以上房間設(shè)計及選型，冬季一天運行12小時，經(jīng)驗工作時間約為使用時間的45%，整個裝置一天耗電量為：

0.75 ＋（3×0.032＋3×0.059＋0.02＋0.09）×12＝5.35kWh；

相比采用傳統(tǒng)空調(diào)，四個臥室分別選用4臺1.5P空調(diào)，單臺功率1200W，客廳及餐廳選用2臺3P空調(diào)，單臺功率2350W，上述相同條件，則每天耗電量為：

（4×1.2＋2×2.35） ×12×45%＝51.3kWh。

對比可知，整個裝置每天節(jié)省45.95度電，節(jié)電量十分可觀，在不考慮夏天的使用情況下，如果僅按照一年中，冬天采暖用90天，總節(jié)省電量為4135.5度電。

5 總結(jié)

目前，隨著經(jīng)濟的不斷發(fā)展，農(nóng)村地區(qū)家庭生活質(zhì)量的不斷提高，結(jié)合農(nóng)村固有特點，十分適合在農(nóng)村地區(qū)對太陽能熱水器與井水混合的制冷與供暖裝置進(jìn)行推廣，符合政府大力倡導(dǎo)的“節(jié)能減排”政策。經(jīng)過分析，整個裝置在農(nóng)村地區(qū)具有相當(dāng)高的可行性，而且隨著太陽能利用技術(shù)的不斷發(fā)展與成熟，使用前景十分廣闊。本文為有意愿自主設(shè)計家庭中央空調(diào)的讀者提供了一定的參考。