太阳能热泵热水工程系统设计.docx

太阳能热泵热水工程系统设计1.前言太阳能作为一种可持续使用的绿色能源，在我国已广泛开发使用，建设部根据国家可持续发展规律战略要求，已在民用建筑中积极推广使用太阳能热水器，并在全国范围内推广实施阳光计划。近年来，我国太阳能利用虽然取得了很好的节能效益，但在民用建筑中太阳能利用往往自成系统，作为建筑的后置设备安装和使用，即使是新建筑，也是简单的安装在屋面上。因为早期没有可执行的相关国家规范，太阳能热水器在建筑上布置极为随意，未预留管井，无位置随意占用烟道，集热器、热水箱的承载、防风、避雷等安全措施不健全，给城市景观、建筑的安全带来及不利的影响。笔者在参观昆明太阳能利用情况时，看到许多类似的情况，已大大影响了市容市貌和建筑安全，致使国内有些城市禁止在建筑上安装太阳能热水器，并要求拆除已安装的太阳能热水器，这些都将制约太阳能热水系统在建筑中的利用。为使太阳能热水系统安全可靠、性能稳定，与建筑和周边环境协调统一，并规范太阳能热水系统的设计、安装和验收，推动太阳能热水系统在建筑中的利用，近年来国家先后出台了一系列相关规范和国标图集，有GB/T18713-2002太阳能热水系统设计、安装及工程验收技术规范、GB50364-2005民用建筑太阳能热水系统应用技术规范、GB/T20095-2006太阳热水系统性能评定规范、国标图集06J908-6太阳能热水器选用与安装、06SS128太阳能集中热水系统选用与安装，以上标准都各具特色，特别是国标GB50364-2005是我国第一项有关太阳能热水系统在建筑中应用的国家标准，为我国太阳能热水系统在建筑中推广应用提供了技术依据。2.民用建筑太阳能热水系统设计要点及主要设计步骤2.1.民用建筑太阳能热水系统设计要点民用建筑太阳能热水系统应用技术规范中（以下简称GB50364-2005）首先强调民用建筑太阳能热水系统设计应纳入建筑给排水设计中，建筑给排水专业人员在太阳能企业技术人员的配合下，依据规范GB50364-2005的要求，对太阳能热水系统进行设计，同时并应符合国家现行有关标准的要求。2.2.基本情况分析2.2.1.建筑结构分析楼房为三层混凝土结构，地基长约为12m，宽为8m，单层建筑面积为96，总建筑面积288，屋顶斜度为30，单层层高3.5米m，最高处为12.5m。居民数为15位，人均用水为100L。2.2.2.自然条件条件用户地处我国陕西南部地区，属温带季风气候区，年平均气温为16.2，太阳辐射量约为3200MJ/年，晴天平均日照时间为8.2小时。太阳能资源不是很丰富，因为选用热泵热水系统。陕西南部地区太阳能月积累辐射量（单位：MJ/）2.2.3.系统产水量系统设计春、秋晴好天气日产55以上洗浴热水可以供给15人农村用户使用。晴好天气以太阳能为主，阴雨天气或阳光不足时，利用电辅助加热。全天候24小时供水。2.2.4.太阳能真空集热管（器）热性能参数太阳辐射吸收率93%，发射率6%，集热器效率53%2.2.5.该单位应提供的基本条件楼顶可供采光面积：满足使用；水源：满足使用（压力不低于1.5Mpa）；电源：电负载容量不低于2kw；辅助热源：利用电辅助加热；安装条件：符合要求。2.3.工作原理：本系统采用定温进水、温差循环的运行方式，晴好天气充分利用太阳能，阴雨天气或光照不足时，使用辅助加热。热泵热水器的基本原理：它主要是由压缩机、热交换器、轴流风扇、保温水箱、水泵、储液罐、过滤器、电子膨胀阀和电子自动控制器等组成。接通电源后，轴流风扇开始运转，室外空气通过蒸发器进行热交换，温度降低后的空气被风扇排出系统，同时，蒸发器内部的工质吸热汽化被吸入压缩机，压缩机将这种低压工质气体压缩成高温、高压气体送入冷凝器，被水泵强制循环的水也通过冷凝器，被工质加热后送去供用户使用，而工质被冷却成液体，该液体经膨胀阀节流降温后再次流入蒸发器，如此反复循环工作，空气中的热能被不断“泵”送到水中，使保温水箱里的水温逐渐升高，最后达到55左右，正好适合人们洗浴，这就是空气源热泵热水器的基本工作原理。2.3运行方式定温进水：当集热器温度达到设定温度值55时，上水电磁阀自动开启，将集热器中的热水顶进储热水箱，集热器温度低于设定温度时，电磁阀自动关闭，停止上水。系统吸收太阳热量储存于集热器内的水中，使温度继续升高，然后再开启，再关闭。通过这样一个不断重复的过程，把太阳的能量转化为热能，直到把储热水箱的水加满。温差循环：储水箱水满后，只要有阳光辐射，集热器的水温必然继续升高，当集热器的水温高于水箱底部温度8时，循环泵启动，系统开始循环，水箱继续增温，直到两个水箱的水温接近时，循环泵停止工作。这样即可保证太阳能得到最充分的利用。热泵辅助：当光照条件不足或者冬季温度比较低的情况下，开启热泵辅助，进行低温集热，然后通过热泵，将热量传递到温度为30-50的采暖热媒中，从而加热水箱里面的水，使得在花费少量电能的情况下，得到几倍于电能的热量。辅助加热：自动监测水温：阴雨天气或光照不足水箱水温低于设定值55时，控制系统自动打开辅助热源，水温达到设定温度时，辅助热源自动关闭。自动监测水位：当洗浴人数较多，用水量过大，水箱水位降到20%时 ，进水电磁阀自动打开，向水箱注入自来水水，同时启动辅助热源，温度升到设定温度时自动关闭，从而保证及时供应热水。3.系统设计太阳能热水工程主要有太阳能集热器、储热水箱、热泵、辅助热源、循环管道、自动控制五部分组成。3.1.平板集热器选型设计3.1.1.热负荷需用热水量1500kgQ=1500kg(55-15)4.187=184.4MJ3.1.2 .集热面积太阳能热水系统的产水量与太阳辐射强度和日照时间密切相关，一年四季变化很大。因此本方案按年平均辐射进行设计。据资料查得本地日平均太阳辐射量为8.77MJ/。太阳能热水系统集热效率为66%，则集热面积为A=184.4MJ/(8.77MJ/66%)=31.86为安装组合便利取16块，采光面积32.0。3.1.3.集热器选型及铺设安装. 平板式太阳能集热器技术参数整体技术参数集热器面积2（1000mm2000mm）总厚度85mm瞬时热效率66%晴天产热水量160Kg220Kg/块晴天产水温度5575总重量30Kg寿命20years吸热板表面处理高真空磁控溅射镀选择性吸热膜衬底材料铝板吸收率95%2%反射率5%焊接方式激光焊接内部水管结构栅型内部集管材料T2铜管（耐腐蚀，寿命长，承压能力强）9根内部排管材料T2铜管（耐腐蚀，寿命长，承压能力强）2根工作压力0.6MPa保温层保温措施40mm厚岩棉保温盖板盖板材料4mm厚钢化玻璃（机械强度比普通玻璃高4倍，可经受冰雹、淋雨、空晒、高压、热冲击等）盖板透光率92%（比传统的浮法玻璃具有更好的透光性）生产厂家上海勰和新能源科技有限公司.设计选型：根据上述技术参数，系统设计总配置集热器为16块。采光面积32。春、夏、秋三个季节晴好天气日产55以上热水1.5吨。冬季在产水量不变的情况下，水温可达到55以上。 .集热器安装铺放按照用户提供的建筑物可占用面积，将太阳能集热器安装在楼顶以串4组方式东西排列，南北两排。整个集热器所产热水直接进入储水箱备。具体布置情况如下图：3.2.空气源热泵选型设计热负荷：需用热水量1500kg，不连续加热。3.2.1.空气源热泵选型及铺设安装：. 空气源热泵技术参数产品名称空气源热泵热水机产品型号KFXRS-10I (原HR9/AR9/B)电源220V50Hz防触电等级IP4额定制热量10000w额定消耗功率2380w额定工作电流11.2A最大消耗功率3600w最大工作电流17A额定出水温度55名义产水量230L/h循环水流量2.5m/h水侧压力损失40kpa排气侧最高工作力3.0Mpa吸气侧最高工作压力0.75Mpa循环水管管径DN25循环水管管口连接1内丝噪声58Db(A)充注量R222.0KgR221.8Kg外形尺寸7007001000（mm）9203851175(mm)净重122Kg110Kg备注北方型南方型.设计选型：春、夏、秋三个季节晴好天气，在不连续加热的情况下，日产55以上热水1.5吨。.集热器安装铺放按照用户提供的建筑物可占用面积，将太阳能集热器安装在楼顶阁楼部分，如下图所示。3.3.储热水箱选型设计 储热水箱1个，内胆尺寸为：1500 10001000，水箱容量为1.5吨，放置在楼顶能承重的适合部位。内胆采用进口SUS304食品级不锈钢1.5mm板材，亚弧焊接而成，外皮为0.4mm彩钢板装饰，中间60mm聚氨酯发泡保温。3.4.辅助加热选型设计太阳能作为一种新能源，取之不尽，用之不竭，但不能解决全天候供应热水问题。阴雨天气、光照不足时或冬季气温极低热泵无法工作时，需要相应的辅助热源才能满足热水需求。根据客户的实际情况，确定利用电辅助加热。采用专用辅助电加热机组，该机组电加热管采用特殊不锈钢材料制成，具有防腐抗水垢功能，寿命高于一般管12倍。DLDF系列辅助电加热器电热管采用优质304不锈钢无缝管制造，用料实足，表面负荷小，再无爆管之忧。3.5.管道循环系统设计管道管件：采用国标热镀锌钢管，铸铁或冲压管件。管道保温：50mm特制岩棉保温管，外缠防水布，化纤玻璃丝布，树脂胶涂刷包装；（或聚氨酯保温）同时加装电伴热带，预防冬季管道冻堵。电磁阀：采用名牌产品。手动阀门：采用铜体闸阀。3.6.自动控制系统控制系统全部实现自动化智能操作，确保最佳经济运行，水温水位、进水出水、循环系统、辅助加热等工作状态数码显示，直观可见，操作人员一目了然，管理使用十分方便。系统安装控制柜1台，电加热驱动柜1台，同时具备手动强制启停功能，维修更方便，功能更齐全。以水源热泵机组取代传统供热方式中制热设备，充分利用低品位能源，在不污染环境和浪费能源的前提下实现热水供应，达到最佳使用效果并且运行费用最低。4.系统初投资估算本投资计算内容主要包括机房内设备的及其安装;室外管线与室内系统;自动控制系统与电气设备等的安装等。本估算不包括前期勘察费，设计费等。初期投资估算表分别见下表：主机规格数量单价总价空气源热泵热水机台132003200电辅辅助加热器台118001800潜水泵台150005000系统循环泵台116003200热水循环泵台213502700太阳能集热器块16200032000管材综合吨75007500阀门综合个20002000管道支架吨15001500保温管材M330003000水处理仪DN100个123002300配电综合40004000保温水箱(不锈钢）个80008000热水管路系统32003200安装费30003000总计58900以上报价不包括打井费。5.年运行费用比较水源热泵系统的运行费用主要包括机组本体的电耗和各动力设备的电耗，以及管理费用等。设定条件：(1)每年运行按365天，每日供热水1.5吨；(2) 为了说明太阳能热泵热水的整体性能，现将太阳能热泵热水工程与电锅炉进行比较。电每度0.46元，电加热效率为86%。在一定条件下，加热1.5吨到55所需耗费能量W(大卡) W =Q=0.86T2-T1=0.861.2(55-15)1500=433440cal=72.01kw注：-为热损失系数、T-为水温、Q-为水量kg由于电锅炉有转换效率，其转换效率取0.91，即所需电耗为72.01kw，所以用电锅炉加热需电耗为79.14kw。如用电时段加热用水，所需费用为79.010.46=36.35元/天太阳能热泵热水方案，热泵每天加热为5个小时，耗电所需为2.3850.460.75=4.11元/天则用太阳能热泵热水方案每年可节省电费为11767.6元，5年可收回投资。6.施工方案1) 不破坏建筑物的结构和承载能力。2) 不破坏楼顶面防水层和附属设施。3) 采取紧固措施，保证系统设备能经受大风力的负载。4) 集热器基础建在楼顶防水层5-10cm以上高度，为楼顶面日后维修提供便利。5) 集