太阳能空气源热泵集成热水系统_陈仕泉.pdf

114 暖通空调 HV 空气源热泵机组容量的确 定无统一依据; 贮热水箱和恒温水箱容积的确定不 合理; 系统流程不合理 ,不能满足使用要求,不优先 使用太阳能; 控制系统不普及且功能简单, 管理不方 便。以上 5 个问题造成的后果是投资大、系统的热 水量不保证、 热水温度不稳定、 系统不节能和系统操 作与管理不方便。 笔者针对调查发现的问题进行研究 ,提出保持 系统热水量和热水温度稳定以及合理确定贮热水 箱和恒温水箱容量的方法。 1 太阳能集热器的配置 太阳能集热器面积与日用热水量 、 冬季平均水 温、贮热水箱内热水的温度、太阳辐射照度 、 太阳能 保证率、集热器效率和系统效率等因素有关 。 1. 1 直接加热系统集热器总面积的计算方法 Fj1=G rdc( t2-t1) f J 1( 1 -2) ( 1) 式中 Fj1为集热器总面积 , m2; Grd为日最大用热 水量 ,kg ; c 为水的比热容,c = 4. 187 kJ/( kg ) ; t1为水的初始温度, ; t2为贮热水箱内水的设计 温度 , ; J 为当地集热器采光面上的年平均太阳 辐照量, kJ/m2; f 为太阳能保证率 ; 1为集热器的 陈仕泉, 男, 1954 年 11 月生, 大学, 教授级高级工程师, 副 总工程师 350005 福建省福州市广达路 141 号恒宇大厦 4楼 ( 0E -mail: csq7533sina . com 收稿日期: 2011-03-03 2011( 8 )陈仕泉, 等: 太阳能空气源热泵集成热水系统115 年平均集热效率 ,取产品实测数据; 2为贮热水箱 和管道的热损失率, 取 0. 15 0. 3。 1. 2 间接加热系统集热器总面积的计算方法 Fj2=Fj11 +F RULFj1 UhxAhx ( 2) 式中 Fj2为间接加热系统集热器总面积, m2; FRUL为集热器总热损失系数, W/( m 2 ) , 取实 测数据;Uhx为换热器传热系数, W/( m 2 ) ; Ahx 为换热器换热面积 ,m 2 。 1. 3 福建省各地市太阳辐照量 J 值及年太阳能 保证率 f 值( 见表 1) 表 1 太阳辐照量 J 值及年太阳能保证率f 值 宁德南平三明福州莆田龙岩泉州厦门漳州 J/( G/m2)4. 254. 414. 504. 504. 605. 005. 005. 254. 50 f/ %373940424448505146 2 空气源热泵热水机组容量的配置 从式( 1) 可以看出 : 太阳能集热器只生产部 分热水量 ,空气源热泵机组应辅助生产另一部分 热水量 ,即日用热水量的比例为( 1 -f) 。这只说 明全年晴天时空气源热泵机组每天应生产的热 水量 , 全年中还有很多的阴天和雨天 , 而且有连 续多日的雨天 , 此时并无日辐照量 。此时, 按晴 天时空气热源热泵机组生产的热水量比例( 1 - f) 不能满足使用要求, 也就是说 , 当连续无太阳 辐照量时 ,建筑内部的日热水用量全部由空气源 热泵机组来负责生产 。 2. 1 空气源热泵热水机组的日加热量计算公式 Qk=Grdc( t2-t1)( 3) 式中 Qk为热泵热水机组的日需加热量, kJ ; Grd 为日最大热水用量, kg ; t1为热泵机组的进水温 度, ; t2为热泵机组的出水温度, 。 空气源热泵热水机组的日加热量也可用下式 表示 : NR= Qk 4. 187 860 ( 4) 式中 NR为空气源热泵热水机组日加热量, kW。 2. 2 空气源热泵热水机组小时加热容量的确定 当空气源热泵热水机组的日加热总容量确定 以后 ,以空气源热泵热水机组的日运行时间来确定 小时加热容量。一般来说 ,为了延长空气源热泵热 水机组使用寿命, 又能使热水机组获得较高的效 率,每天的运行时间最好为 10 h, 不超过 13 h 。由 此可知,空气源热泵热水机组的小时加热容量有多 种选择,选择不同的日运行时间, 小时加热容量就 不同 , 运行时间短, 小时加热容量就大; 运行时间 长,小时加热容量就小。热泵热水机组小时加热容 量的确定 ,取决于初投资 、调节范围和使用寿命三 者之间的关系。 对于多层和小高层居住建筑 ,当屋面不够放置 太阳能集热器时,可以通过调整空气源热泵热水机 组的容量来满足使用要求。 3 贮热水箱和恒温水箱容积的确定 在建筑与太阳能热水一体化工程项目中,建筑 物内部对热水的使用时间分早、中、晚 3 个时间段 和 24 h 连续供应热水, 两种热水供应方式对贮热 水箱或恒温水箱的配置要求不同 , 管道系统也不 同。 一般而言 , 在太阳能加空气源热泵热水系统 中, 仅设置贮热水箱的热水系统只能满足分时段供 应热水, 而不能满足 24 h 连续供应热水的要求。 要求连续供应热水时,系统中应设置 1 个贮热 水箱和 1 个恒温水箱( 2 个以上串联的算 1 个) 。 分析可知 ,贮热水箱和恒温水箱的设置及其容积与 每天建筑物内热水的使用量和使用时间有关系 。 如何找到两者之间的关系,合理确定贮热水箱和恒 温水箱的容积 ,以免造成不必要的浪费( 不以日最 大热水用量作为贮热水箱的容积) 和热水系统的不 稳定性, 是太阳能热水系统设计的重要方面 。 3. 1 贮热水箱容积 分时段供应热水和 24 h 连续供应热水两种方 式中贮热水箱容积的确定是不同的。 3. 1 . 1 分时段供应热水系统贮热水箱容积 对于定温加热和温差加热两种方式,贮热水箱 容积的确定是相同的。 分析图 1,2 可知,不论是定温加热还是温差加 热, 从晴天、 阴天到雨天 ,集热器或空气源热泵机组 上午或者下午生产热水的时间均为 5 h, 而且早 、 中、 晚有 3 个间隔使用热水的时间, 但这 3 个时间 段使用热水的时间又不同( 一般为 1 3 h) , 因此 , 贮热水箱的容积要保证 : 早、中、 晚最长时间段的用 热水量+集热器晴天时连续 5 h 生产热水量的和 。 116 暖通空调 HV n 为早 、 中 、 晚 使用热水的最长时间, h ; Grn为设计最大小时热水 量,kg/h; 5Gjn为集热器 5 h 生产热水量之和 , kg 。 nGrn一般作为贮热水箱的最低水位 ,这样 ,热水系 统的热水量就有保证 。 3. 1. 2 连续供应热水系统贮热水箱容积的确定 如图 3 所示 ,该系统中贮热水箱是一个定量加 热的容器 ,以晴天为例, 是在一定的时间内将贮热 水箱内的水加热到使用要求的温度 ,然后将其放到 恒温水箱储存起来待用。分析其生产热水的流程 , 图 3 不间断连续供热水系统 集热器每天要生产的热水量是通过贮热水箱分几 次( 由设计者确定, 可以是 1 h -1 , 也可以 0. 5 h -1 , 视系统情况而定) 来完成加热 ,由此可得到下式 VZ1=G j N ( 6) 式中 VZ1为连续供应热水系统的贮热水箱贮水 量, kg ; Gj为集热器日生产热水量,kg ; N 为集热器 日生产热水量设计时加热的次数( 由设计者定) 。 对于福建省来讲 , 冬季太阳辐照的时间为 10 . 5 h, 所以 N 的最大值为 10。 N 取大值时, 贮 热水箱的水从 15 加热到 55 的时间较短 ,恒 温水箱可以很快得到热水的补充 , 不会造成恒温 水箱经常处于低水位需补冷水而启动空气源热 泵机组造成不必要的浪费, N 的取值应结合实际 项目而定 。 实际上, 每天 08 : 00 集热器贮热水箱内的水第 一次从 15 加热到 55 需要的时间要长一些 。 因为 ,早上第一次加热时集热器内的水容量且水温 较低( 集热器的水容量可以从技术样本求得) 。 3. 2 连续供应热水系统恒温水箱容积的确定 恒温水箱的功能是储存热水 、 调节热水量和热 水温度 。连续供应热水系统的特点是: 一天中, 生 产热水和使用热水同时进行 ,因此恒温水箱中的水 位不断变化。不论恒温水箱内的水位如何变化, 它 都要满足 3 个热水用量高峰中最长时间段热水用 量的要求 。根据以上分析,恒温水箱的容积可以用 下式表示 : Vc=nG rd+g( 7) 式中 Vc为恒温水箱贮水量, kg ; G rd为设计最大 小时热水量, kg/h ; g =n1( gj-gf) ,其中 ,n1为非 高峰时段的时间, h , gj为集热器平均小时产热水 量, kg/h , gf为非高峰时间段平均每小时用热水 量, kg/h , g 为正值时 , 恒温水箱的水位上升, g 为负值时 ,恒温水箱的水位下降。 一般来说 ,把 nGrd作为恒温水箱的最低水位来 控制 ,确保热水系统的安全。 式( 5) 和式( 7) 求得的贮热水箱和恒温水箱的 容积约为日用热水量的 60% 70%,既省投资又 省空间。 4 不同类型的太阳能热水系统 4. 1 别墅型太阳能热水系统( 见图 4) 别墅型太阳能热水系统由太阳能集热器、 保温 2011( 8 )陈仕泉, 等: 太阳能空气源热泵集成热水系统117 图 4 别墅型太阳能热水系统 水箱( 内设电加热器、水位和水温控制器) 、循环泵 和智能控制器以及管道系统组成。 系统的定温加热方式 : 晴天,在太阳照射下,集 热器内的水温逐渐升高, 当水温 t1达到 55 ( t1 可由用户自行设定) 时, 智能控制器开启自来水管 路上的电磁阀 D1, 依靠自来水( 或高位水箱) 的压 力将集热器中的热水压入保温水箱内储存待用 。 当 t145 时 ,D1 关闭,集热器继续加热( 闷晒) , 依次重复 ,直到生产足够量热水为止。 阴雨天太阳辐射照度弱时 ,可通过智能控制器 开启 D1 向保温水箱注冷水( 注水量可由用户根据 实际情况而定, 保温水箱的水位可视) , 由电加热器 加热至 55 。 当保温水箱内的水温 t2低于 45 ( t2可由用 户自行设定) 时 ,智能控制器开启电加热器进行加 热,水温达 55 时电加热器停止工作。 用户在使用热水前由智能控制器开启循环泵 以免浪费冷水。 用户可以选择更安全 、 效率更高的空气源热泵 热水机组( 效率比电加热高 4 倍) 作为辅助加热设 备,但初投资比电加热器略高 。 4. 2 分时段供应热水系统 分时段供应热水系统按太阳能集热器的加热 方式可分定温加热和温差加热两种生产热水的方 式。 4. 2. 1 分时段定温加热热水系统( 见图 1) 系统由太阳能集热器、贮热水箱、空气源热泵 机组 、 增压泵和管道系统组成 。 4. 2. 1. 1 系统的工作原理 1)集热器生产热水的方式 晴天 : 如图 1 所示 , 08: 00 开启自来水管路上 的电磁阀 D1, 向集热器内注满冷水开始加热( 闷 晒) , 当集热器内的水温 t2达到 55 ( 设定值) 时 , 由控制装置打开集热器管路中的电动阀 D2; 增压 泵 B1 启动将集热器内 55 的热水送入贮热水 箱, 当 t245 时, D2 关闭 ,B1 停止工作 ,集热器 内的冷水继续加热( 闷晒) ,依次重复到 17: 30 无太 阳辐射为止。在以上过程中 ,贮热水箱内的水位从 低到高变化, 中午和晚上用热水时间段前贮热水箱 的水位最高 。当贮热水箱内的水温 t350 时 , 开启空气源热泵机组进行加热保持水温。 阴雨天: 集热器生产热水的方式与晴天时相 同, 但由于阴雨天太阳辐射比晴天弱, 因此 ,集热器 加热的时间相对较长。当集热器内的水温长时间 ( 大于控制设定值) 还未达到 55 时 ,空气源热泵 机组就得投入工作 。 雨天 : 雨天或连续雨天无太阳辐照量时, 集热 器就失去生产热水的能力 ,这时 ,空气源热泵热水 机组就得承担全部的热水量 。 2)空气源热泵机组生产热水的方式 空气源热泵机组名义上作辅助加热的热源, 实 际上它每天所承担的生产热水的量与集热器生产 的热水量几乎是相同的 。 晴天 : 07 : 0008: 00 和 11: 3013: 00 用热水 时间段过后, 贮热水箱的水位低于最低水位时 , 就 得向贮热水箱注入冷水 , 空气源热泵投入工作 , 边 注冷水边加热 ,当水位达到最低水位限值时停止注 水, 但空气源热泵机组继续加热 ,直至水温达到 55 为止。晚上用热水时间段过后保持贮热水箱的 最低保证水位和水温即可。 阴雨天: 长时间集热器内的水温达不到 55 时, 空气源热泵机组投入工作 ,工作时间比晴天长 。 阴雨天时还有一种节能的生产热水的方法: 将 t2 调低至 40 45 进入贮热水箱 ,再经空气源热泵 机组进行加热 ,这样既提高了集热器的效率, 又提 高了空气源热泵机组的效率 。 雨天 : 雨天或连续雨天无太阳辐照时, 前一天 晚上提前生产第二天早上需要的热水; 08: 00 后生 产中午需要的热水 ; 13: 00 后再生产晚上需要的热 水。 分析集热器和空气源热泵机组生产热水的过 程( 晴天 、 阴天 、 雨天) 可知,在 3 个用热水时间段内 贮热水箱的水位可能出现低于最低保证水位( b) 的情况, 此时因为正在使用热水 ,不能向贮热水箱 内注冷水 ,一定要到使用热水时间结束, 或到最低 118 暖通空调 HV 贮热水箱的 容积小( 不以日用热水量来确定贮热水箱的容积) , 投资少。不论晴天还是雨天, 白天和晚上有部分时 间空气源热泵机组因需要生产热水 ,要向贮热水箱 内注冷水而使得贮热水箱的水温不稳定 ,无法提供 合格的热水。因此, 只能在每天的早、 中 、 晚 3 个时 间段提供合格的热水 。 4. 2. 1. 4 应注意的问题 在用热水时间段内 , 当贮热水箱内的水位处 于最低保证水位以下时 , 不能向贮热水箱内注冷 水加热 ,而要等用热水时间段过后或到最低注水 水位时才能向贮热水箱注冷水加热 , 否则因注冷 水降低水温而达不到使用要求 ; 最低水位应能保 证每天 3 个用热水时间段中最长时间段的热水 用量 。 4. 2. 2 分时段温差加热热水系统( 见图 2) 系统由太阳能集热器、贮热水箱、空气源热泵 机组 、 增压泵和管道系统组成 。 4. 2. 2. 1 系统的工作原理 1)集热器生产热水的方式 晴天 : 如图 2 所示 , 早上用热水时间段过后 ( 08: 00) , 开启 B1,D1 ,边注冷水边循环加热( 注冷 水量约为集热器日生产热水量的 50% ) ,当贮热水 箱内的水位升到高水位 c 时, D1 关闭, B1 继续工 作循环加热直到贮热水箱内的水温达到 55 。按 设计工况 ,中午使用热水前贮热水箱内的水温恰好 达到 55 ,供中午时间段使用 。 13: 00过后, 重复 08: 00 后的步骤直到 17 : 30 前将贮热水箱内的水加热到 55 为止。 阴天 : 当贮热水箱内的水温长时间上升缓慢 时,空气源热泵机组就得启动投入工作, 将贮热水 箱内的水继续加热至 55 。一般来说, 集热器和 空气源热泵机组同时对贮热水箱内的水进行加热 , 这样对中午或晚上供应热水更为安全可靠 。 雨天 : 连续雨天无太阳辐照量的情况下, 集热 器失去了加热的功能 ,此时 , 每天 3 个时间段的热 水全部由空气源热泵机组负责生产。所以 ,雨天时 空气源热泵机组要在 3 个用热水时间段前将所需 的热水生产完毕待用。 不论是晴天 、阴天还是雨天, 晚上用热水时 间段过后 ,空气源热泵机组应安排合适的时间生 产第二天早上的热水, 即保证贮热水箱内的最低 水位。 2)空气源热泵机组生产热水的方式 晴天 : 晚上用水时间段过后 ,空气源热泵机组 应安排第二天早上的用热水量或贮热水箱的最低 水位的热水量 。 阴天 : 当贮热水箱内的水温上升缓慢时, 空气 源热泵机组就得投入运行,将水继续加热至 55 , 一般来说 ,阴天集热器和空气源热泵机组同时对贮 热水箱内的水进行加热 。 雨天 : 连续雨天且无太阳辐照时, 集热器无法 生产热水 ,每天的热水用量都要由空气源热泵热水 机组承担 ,空气源热泵机组应在早 、 中 、 晚 3 个用水 时间段前将其所需的热水生产好待用 。 4. 2 . 2. 2 使用热水 不论是晴天 、阴天或雨天 , 当用热水时间段 过后都要向贮热水箱内补充冷水而使水温不稳 定( 低于 55 ) , 无法提供合格的热水 。所以 ,该 系统只能在每天的早 、中 、晚 3 个时间段提供合 格的热水 。 4. 2 . 2. 3 适用范围 、 系统特点及注意事项 分时间段温差加热热水系统适用于小学、中 学、大学和工厂企业等对使用热水要求较低的场 合。 分时段温差加热热水系统除了集热器的效率 比定温加热系统高以外 ,其他特点相同 。 阴天生产热水时应注意启用空气源热泵机组 的时间, 保证贮热水箱内的热水温度 ; 贮热水箱的 最低水位应能保证 3 个用热水时间段中最长时间 段的热水用量 。 4. 3 连续供热水系统( 见图 3) 连续供热水系统由太阳能集热器 、贮热水箱 、 2011( 8 )陈仕泉, 等: 太阳能空气源热泵集成热水系统119 恒温水箱 、 增压泵和管道系统组成, 它与分时段供 热水系统相比, 多了 1 个恒温水箱 。 该系统也可以分为定温加热和温差加热两种 方式 ,对集热器而言, 由于温差加热方式中水在集 热器内流动,其换热效率比定温加热( 闷晒) 的换热 效率高,加热方式不同, 但最终要求的热水温度是 相同的,所以,下面只介绍温差加热系统 。 图 3 与图 1 , 2 相比 , 除多了 1 个恒温水箱之 外,最大的不同在于 : 在图 3 系统中生产热水 、 储存 热水 、 供应热水完全独立 ,工艺流程十分清楚 ,热水 量有保证 ,热水温度稳定 , 任何时刻热水量和热水 温度都能满足使用要求。 4. 3. 1 系统生产热水的方式 晴天: 08: 00前,将贮热水箱注满冷水开始温差 循环加热,当贮热水箱内冷水经集热器循环加热至 55 时,停止循环加热,将贮热水箱内 55 的热水 储存到恒温水箱内,当贮热水箱 55 的热水放到限 制水位时,停止放水。同时 ,重新向贮热水箱内注冷 水,边注冷水边循环加热, 达最高水位时停止注水, 继续循环加热,依次重复,直到 17: 30 无太阳辐照为 止,集热器完成了它当天生产热水的任务。 阴天 : 集热器每天生产的热水量要比晴天时生 产的热水量少, 其减产的部分要由空气源热泵机组 承担 。为了保证日用热水量的要求 ,集热器加热过 程中在控制方面设置了时间限定值 ,当超过限定值 贮热水箱内的水温还未达到 55 时, 空气源热泵 就立即投入工作, 继续将贮热水箱内的水加热至 55 , 然后放到恒温水箱内储存起来 , 依次重复 , 生产热水 。 雨天 : 仍有一定的太阳能辐照量时 , 集热器生 产热水的方式与阴天时相同, 当连续雨天且无太阳 能辐照量时,集热器就无法生产热水了 。当连续雨 天且无太阳辐照时, 空气源热泵机组就要承担全部 日用热水量的生产任务。 空气源热泵机组生产热水的时间尽量安排在 17: 30以后, 但当白天集热器生产的热水量不够使 用时 ,在某一时间也得启用空气源热泵机组生产热 水以满足热水量的要求。 4. 3. 2 系统特点、 适用范围及注意事项 生产热水、储存热水 、 供应热水流程清楚 ; 任何 时刻系统的热水量有保证, 热水温度稳定 , 可以连 续供应热水; 贮热水箱和恒温水箱的容积小 , 投资 少, 占空间少 ; 优先使用集热器生产的热水 ,然后使 用空气源热泵机组生产的热水, 系统节能; 操作明 晰, 管理方便 。它适用于任何需要连续供应热水的 场所 。 贮热水箱位置比恒温水箱高 ,且放水管的管径 设计时应大些 ,加快放水速度 ,缩短加热时间; 贮热 水箱应设置最低水位 , 其量为贮热水箱的20% 30%,这样可缩短因放热水而影响加热的时间; 恒 温水箱的最低保证水位对应的水量为最长高峰时 间的用热水量 。 4. 4 双贮热水箱连续供热水系统 在图 3 中, 每次贮热水箱向恒温水箱放热水 时, 需要短暂的时间 , 期间集热器的循环泵 B1 停 止运行, 等到贮热水箱的水位下降到限制水位时 , 重新注冷水, B1 重新启动进行循环加热 。从系统 流程分析 : 放热水时集热器处于闷晒状态, 集热器 内的水温也在上升, 能量没有浪费 ,但难免有不尽 如人意之处。如果设 2 个同容积的贮热水箱互为 备用 ,则系统变得更加完善。 双贮热水箱连续供热水系统见图 5。 图 5 双贮热水箱连续供热水系统 系统由太阳能集热器、2 个同容积的贮热水 箱、1个恒温水箱 、 空气源热泵机组、增压泵和管道 系统组成 。 双贮热水箱连续供热水系统与单贮热水箱连 续供热水系统的工作原理完全相同,不同之处是当 贮热水箱 1 放热水时 , 贮热水箱 2 立即投入运行 。 此外 ,系统的特点 、 适用范围和应注意的问题都与 单贮热水箱连续供热水系统相同 。 5 结语 在国家鼓励政策的推动下,各省市太阳能利用 发展很快 ,太阳能热水系统与建筑一体化同样快速 发展 。在快速发展的同时也存在着一些问题。笔 者通过实际工程调查对太阳能热水系统生产热水 120 暖通空调 HV 2)较全面了解了太阳能集热器定温 加热和温差加热生产热水过程的工作原理和流程 ; 3)通过分析太阳能加空气源热泵热水系统生产热 水和使用热水过程贮热水箱和恒温水箱内水位的 变化特征 ,提出了贮热水箱和恒温水箱容积合理的 配置方法 ; 4)与高校、厂家共同研制 ZWDJK 型太 阳能装置 ,完善并提升了太阳能热水系统在建筑一 体化工程中应用的技术问题 。 参考文献 : 1 福建省建筑科学研究院.DBJ 13-802006 民用建 筑与太阳能热水系统一体化设计、安装及验收规程 S , 2006 2 袁家普.太阳能热水系统手册 M .北京: 化学工业 出版社, 2008 简讯 暖通空调杂志专题文章服务启事 2010 年暖通空调杂志开辟了“ 工程设计问答”栏目, 邀 请北京市建筑设计研究院教授级高级工程师张锡虎就近年来 工程设计中最常见又难于处理的问题进行了解答, 为工程问 题的解决提供有参考价值的具体经验和实用有效的方案及其 适用条件。栏目推出后, 获得了强烈反响和良好评价。应读 者要求, 本刊将该栏目 2010 年全年的文章整理成电子版, 有需 要的读者可以联系购买。 定价: 单篇文章 3 元/ 期, 全年文章 30元; 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