空气源热泵热水机组与太阳能热水系统的运用 PHNIX(芬尼克兹)集团苏率强 0引言 随着经济发展和科技进步,能源和环境成为当 今世界突出的两大社会问题。人类社会目前消费的 能源,包括建筑用能,主要是煤炭、石油和天然气等 石化能源。这些能源资源有限、不可再生,终究要枯 竭;而传统能源像煤、石油等会对环境造成严重的污 染。常规的太阳能中央热水系统一般采用燃油(气) 或电作为辅助加热能源,由于能源危机的影响,其必 将导致太阳能中央热水系统市场的发展受到制约, 体现在如下两点: 1)由于油(气)燃料价格的不断上涨,导致设 备运行费用不断升高,增加用户的经济负担。同时油 (气)燃烧设备通常存在环保、消防方面的制约,与 当今节能、环保的主题相违背。 2)用电作为辅助加热,费用较贵,用户普遍难 以接受。 将空气源热泵热水系统引入到太阳能中央热水 系统的应用,无疑解决了这一能源问题,并将两者的 优势同时发挥,实现了热水系统最节能、最合理的结 合运用。 太阳能系统与热泵系统既是相对独立又是联合 的系统。根据需要,它们既能分别单独满足、又能联 合满足使用要求。 太阳能与空气源热泵联合节能热水系统实现了 在充分利用太阳能的前提下,空气源热泵作为辅助 加热,使太阳能与空气源热泵优化组合,保证一年 365天每天都能产生足够的热水,其耗能远小于常规 太阳能热水系统的运行费用指标。 1工程概述 本工程为海口某国际大厦中央热水工程,根据 相关要求,总热水量:84m,/d,每h最大用水量16t。 在夏季阳光充足时,利用太阳能提供所需的热 水;在冬季和阴雨天气太阳能不足时,利用空气源热 泵热水机组来补充提供热水。这样不管春夏秋冬、白 天黑夜、下雨下雪,系统都可以源源不断地从空气中 吸收低品位热量用于制生活热水所需要的热量,保 证用水温度及用水量,最大程度节能。 2设计依据 1) 采暖通风与空气调节设计规范》(GB 50019 2003); 2)((建筑给水排水设计规范 (GB 5001 5—2003); 3) 给水排水制图标准))(GB/T 50106—2001); 4) 建筑给排水及采暖工程施工质量验收规范 (GB 50242—2002); 5) 建筑给排水设计手册》; 6)现场所勘探的相关资料; 7)芬尼克兹空气源热泵和太阳能综合应用相关 技术资料。 3设计参数 1)出水温度为55℃; 2)气象资料: ①海口月平均气温(见表1) 垂! 旦旦垩塑 里 月份 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 气温17.2 18.2 21.6 24.9 27.4 28.1 28.4 27.7 26.824.8 21.8 18.7 ②年平均气温23.8℃; 3)自来水温:冬季15℃,年平均水温20 ̄C; 4)日用热水量:84t; 5)设高峰时段为晚上7:00~1l:00,共4h,热 水供应小时变化系数 值4.54; 6)最大小时供热水量15 000 L/h; 7)高峰时段的供热水量15 000×4=60000L; 8)燃料热值和价格: ①柴油6.7元,L,合7.8元/kg,热值10 300 X 0.80=8 240 kcal/kg: ②天然气3.30元几,热值8 500×0.86=7 225 kcal/kg; ③电价0.80元/kWh,热泵每kWh的当量热值为 860 X 3.5=3 010 kcal; ④电价0.80元/kWh,电锅炉每kWh的当量热值 为860×0.95=817 kcal; 注:0.95是考虑电锅炉本体热损失后的系数;0.80 是燃油锅炉的热效率;0.86是燃气锅炉的热效率。 4热水设备选型 4.1太阳能集热器选型 海口市太阳辐射量约为4 500~5 800MJ/(m2·a)。 设计理念:设计力求使太阳能与常规能源最佳 组合,充分利用太阳能,最大限度降低运行成本,从 而达到节约费用开支之目的,并在系统设计的先进 性、安全性、可靠性、耐久性等方面进行了综合考虑。 太阳能集热器与空气源热泵热水系统的安装使用有 较好的经济效益和社会效益,为该区在环保、节能、 服务档次等方面提供一套可靠的硬件设施。这一系 统设计使用寿命为l5年以上。 系统设计:太阳能与空气源热泵热水工程主要 由集热器、空气源热泵、储热水箱、循环管道、自动 控制、阻垢除垢、恒温供水等七部分组成。 目前国内使用的太阳能集热器主要有平板集热 器、真空管集热器、热管集热器。平板集热器不防冻, 只能在春、夏、秋季使用;真空管集热器在一25℃ 条件下,仍可产生热水,可一年四季使用,是目前普 遍使用的产品;热管集热器可在一50 ̄C条件下使用, 但其冷凝端(加热端)表面积仅是真空管的百分之 易结水垢,换热效果不如真空管,适合在北方高 寒地区使用。 1)热负荷。本热水系统需水量84000kg,Q= 84 000kg (55℃一15℃)X 4.187=14060MJ; 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及集热器受光面积密切相关, 年四季变化很大。因此本方案按年平均辐射量进 行设计。据资料查得海南地区日平均太阳辐射量为 23 MJ/m ,太阳能热水系统集热效率为60%,则集 热面积为:A=14 060 MJ/(23 MJ/m ×60%)= 1 020 in。;但由于本场所屋顶面积受限制,摆放太阳 能的位置约有220 m2,考虑到一定的安装倾斜角度 后,设计安装太阳能集热器按240 m 计算,以240 111 的集热面积可以算出日产热水量为240 rn x(23MJ/ m2 X 60%)/【(55℃一15℃)X 4.187]=19 t。 3)集热器安装铺放:按照顶层采光面积,各个 系统放置在屋顶指定位置,按单组并串联方式铺放, 每个系统组成一个集热器阵列,所产热水直接进入 储水箱备用。 4.2空气源热泵热水机组选型 选6台PHNIx芬尼克兹空气源热泵热水机 PASHW 1 30SB一2一C。为便于计算,一年按365天来算, 其中春秋季为l82 d,夏天为92 d,极端低温天气为 15 d,冬天为76 d。机组设计每天运行时间最多不超 过20 h。各个季节的平均工况计算如下: 1)夏天(92 d):平均气温为29.1℃,水温为20 ℃。热泵PASHW130SB一2一C输入功率为12.4 kW,输 出制热功率为54kW,COP值为4.3。 机组每h可制热水:54×6×860×0.95÷(55— 20)=7 563 L(55 ̄C);
机组日均工作时间:84 000÷7 563=ll h。 符合设计要求。 2)春秋季(182 d):平均气温为25.6X2,水温 为17.5℃。热泵PASHW130SB一2一C输入功率为11.8 kW,输出制热功率为49kW,COP值为4.1。 每h可制热水:49×6 X 860 X 0.95÷(55一 l7.5)=6 405 L(55℃); 机组日均工作的时间:84000÷6405=13 h。 符合设计要求。 3)冬天(91 d):平均气温为19.4"C,水温为15 ℃。热泵PASHW130SB一2一C输入功率为10.6 kW,输 出制热功率为41.8 kW,COP值为3.9。 机组每h可制热水:41.8 X 6 X 860×0.95÷(55— 15)=5 121 L(55 ̄C); 机组日均工作时间:84000÷5 121=16.5 h。 符合设计要求。 4)极端低温天气为15 d,平均气温为14.6℃,水 温为15 ̄C。热泵PASHW130SB一2一C输入功率为10.4 kW,输出制热功率为37.7 kW,COP值为3.6。 机组每h可制热水:37.7×6×860×0.95÷(55— 15)=4620L(55 ̄C); 机组日均工作时间:84 000÷4 620=18 h。 符合设计要求。 5)储热水箱容积选择:该场所实行全日供水,高 峰时段为2 h。 采用热泵PASHW130SB一2-C型机组6台,极端 低温天气工况下,2 h内的产热水量为(37.7×6× 2 X 860×0.95)÷(55—15)=9.2 t。水箱有效容 积为84—9.2=74.8 1TI 。 考虑留有一定余量,设计取水箱容积5个15 1TI 。 综上所述:选用6台芬尼克兹空气源热泵热水机 PASHW130SB.2一C(U)能满足本场所热水的实际需 求量。按照全天候恒温55℃供水要求,无论在任何 状态下,使恒温水箱的温度始终保持在55℃,偏差 不超过±2℃。 6)水温水位显示:系统在储热水箱内设置了水 温水位探头,可以通过控制器随时观察到储热水箱 的水温和水位。 7)系统工作原理及运行方式 ①太阳能温差循环系统:在光照条件下集热器 内水被加热升温。当集热器水温高于储水箱水温设 定值时,温差温控仪使循环水泵自动启动,将储水箱 内较低温度的水泵入集热器,同时将集热器内较高 温度的热水顶入水箱;当集热器中的水温与水箱水 温相同时,温差温控仪使循环水泵自动关闭。如此不 断循环,使水箱水温逐步升温。 ②空气源热泵系统:空气源热泵热水系统是根 据逆卡诺循环原理,加热热水的能源来自于环境中 的空气热能,热泵机组中的压缩机工作仅用于搬运 热能,因此热泵机组是显著节能的热水设备。当阴雨 天或光照不足、太阳能使水箱水温温升不够洗澡温 度时,水箱感温元件检测水温启动空气源热泵热水 机组加热,当空气源热泵热水机组加热使水箱水温 达到设定值时,空气源热泵热水机组自动关闭。无论 在何种天气情况下,当到了规定时间洗澡时,水箱水 温都会达到需要的温度。 ③太阳能与空气源热泵联合节能热水系统运彳亍: 系统采用自动温差控制循环加热,并根据太阳能热 水系统的运行情况、环境状况,结合空气源热泵的性 能特点来自动切换热泵机组的运行,最大限度地少 开机或者不开机,从而确保热水在不低于50 ̄C的供 应下限前提下,为太阳能的充分利用提供保障,同时 为机组的节能利用和安全运行提供可靠的保证。 8)控制方案系统: 根据系统功能要求,特采用PLC控制器控制系 统。所有电器元件均采用国内优质产品,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,直观可见,操作人 员一目了然,管理使用十分方便。每个系统安装控制 系统一套,同时具备手动强制启停功能,维修更方 便、功能更齐全。 5运行费用经济性分析 空气源热泵热水机组+太阳能综合应用解决热 水方案综合利用热能技术,其热泵机组采用直热式 供水,循环恒温。真正做到在太阳能充足时利用太阳 能、在太阳能不足时利用空气源热泵提供热水,保证 了热水的供应,提高了能效综合利用效率。 本工程热水项目日用热水量84t,对以下3种常 用的热水系统方式:1)PHNIX空气源热泵系统与太 阳能系统;2)燃气锅炉系统与太阳能系统;3)电锅 炉系统与太阳能系统计算其各个季度运行费用结果 如下(太阳能部分相同,不作比较): 1)采用热泵热水机组的全年运行费用(主机电 费)为271 557元; 2)采用燃气锅炉全年运行费用为521 220元; 采用热泵系统机组比采用燃气锅炉可节省的电 费52l 220元一271 557元=249 663元。 3)采用电辅助太阳能热水器全年运行费用为 506 220元。 采用热泵系统机组比采用电辅助太阳能热水器 可节省的电费506 220元一271 557元=234 663元。 表2是这3种常规热水系统的技术经济比较,以 日产84t的55℃热水计算,水温20 ̄C。