太陽能水環(huán)熱泵供熱系統(tǒng)設(shè)計

2013-01-06

摘要：本文介紹了太陽能水環(huán)熱泵供熱系統(tǒng)設(shè)計。利用在中心屋頂上安裝的太陽能集熱系統(tǒng)，冬季作為水環(huán)熱泵的熱源，其他三季進行生活熱水供應,以達到全年綜合利用太陽能，并提高太陽能集熱系統(tǒng)在冬季運行時的熱效率。

關(guān)鍵詞：太陽能水環(huán)熱泵供熱

1 概述

隨著經(jīng)濟的發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，我國正面臨著越來越大的能源壓力，特別是用于采暖、空調(diào)建筑能耗的增加，已成為我國不少城市缺電的誘因。地球上的化石燃料——煤、石油、天然氣等將逐漸開采枯竭，開發(fā)包括太陽能、風能在內(nèi)的可再生能源利用的任務(wù)已十分迫切。所以，在提高太陽能熱利用應用技術(shù)水平的同時，應積極創(chuàng)造條件，將現(xiàn)有成熟技術(shù)在實際工程中推廣應用，以積累經(jīng)驗，通過實踐進行技術(shù)的改善、提高，起到樣板和示范作用。

凈雅集團娛樂中心是集餐飲、洗浴、演藝綜合性服務(wù)的娛樂中心，其特點是熱水用量大，對全年室內(nèi)環(huán)境的舒適度要求高，用于采暖、空調(diào)和熱水供應的耗能量大。為盡可能降低運行費用，減輕業(yè)主負擔，我們提出了太陽能水環(huán)熱泵的供熱方案，利用太陽能進行冬季采暖，春、夏、秋三季供應生活熱水，作到全年綜合利用，并提高太陽能集熱系統(tǒng)在冬季的熱效率，得到了業(yè)主的認可和采納，現(xiàn)已完成了初步設(shè)計。

2 太陽能集熱系統(tǒng)的設(shè)計

2.1太陽能集熱器總面積的確定

太陽能集熱系統(tǒng)能夠獲取的有效得熱量主要受兩個因素的影響，一是太陽能集熱器本身的熱性能質(zhì)量，二是安裝的太陽能集熱器總面積。在相同的太陽能資源和氣候條件下，為得到要求的得熱量，熱性能好的太陽能集熱器需要安裝的面積小，必須選擇高效集熱器，才能降低初投資，獲取的投資收益比。為適應冬季采暖和三季供熱水的要求，太陽能集熱系統(tǒng)應是閉式循環(huán)系統(tǒng)，這就要求太陽能集熱器應有較高的承壓能力。

因此，為保證太陽能集熱系統(tǒng)運行的高效、安全和可靠，我們采用了清華陽光集團生產(chǎn)的全玻璃真空管U型管式太陽能集熱器。其特點是在全玻璃真空管內(nèi)置入銅制U型管作為集熱介質(zhì)的通道，使集熱器的承壓能力提高至1.0Mpa。該太陽能集熱器在國際權(quán)威機構(gòu)瑞士Rapperswil太陽能檢測中心進行的熱性能測試結(jié)果，為確定太陽能集熱器的面積提供了依據(jù)。

全玻璃真空管U型管式太陽能集熱器的瞬時集熱效率方程為：

η=0.5608-0.92(Tm-Ta)/G–0.010(Tm-Ta)2/G

G——太陽輻照度

Tm——太陽集熱器平均水溫

Ta——環(huán)境溫度

用該瞬時集熱效率方程和北京地區(qū)20年的氣象統(tǒng)計資料，我們分別按冬季運行和夏季運行的兩個工況，逐時計算了冬夏兩季在極端條件（1月、7月逐時總輻照度情況）和一般條件（1月、7月逐時平均總輻照度情況）下太陽能集熱器的集熱效率，以及單位面積的累計日得熱量，即單位面積太陽能集熱器的日產(chǎn)熱水量。對所得結(jié)果進行綜合分析，并參照太陽熱水器企業(yè)過去的工程經(jīng)驗，按照大小時熱水用水量，確定基本符合用水量要求的太陽能集熱器總面積。

確定太陽能集熱器面積更為準確的方法，應在對太陽能熱水系統(tǒng)進行熱性能檢測，得出了日熱性能檢測結(jié)果的基礎(chǔ)上，再使用標準年的逐日太陽輻照量和平均環(huán)境溫度，計算得出全年的單位面積逐日太陽能得熱量，即年逐日單位面積太陽能產(chǎn)熱水量。空調(diào)所負責的“十五”國家科技攻關(guān)課題將開發(fā)可進行太陽能熱水系統(tǒng)全年熱性能預測的計算軟件，課題于2004年底完成后，將為太陽能集熱系統(tǒng)的設(shè)計提供方便的計算工具。

2.2太陽能集熱系統(tǒng)設(shè)計

本工程太陽能集熱系統(tǒng)所產(chǎn)生的太陽熱水，在冬季作為水環(huán)熱泵的熱源用于采暖，在春、夏、秋三季則用于生活熱水供應。這樣既可達到全年綜合利用太陽能的目的，又可因為水環(huán)熱泵所需的一次水溫度較低，而提高太陽能集熱系統(tǒng)在冬季運行時的熱效率。

根據(jù)建筑物條件，太陽能集熱系統(tǒng)由兩個分系統(tǒng)組成，太陽能集熱器面積分別為160m2和260m2，總面積420m2。一般為全年熱水供應使用的太陽集熱器傾角應等于當?shù)鼐暥?，北京緯度?0度，但本工程為更加有利于冬季集熱，將安裝傾角加大至45度；冬季的太陽高度角低，集熱器安裝傾角加大，則集熱器表面太陽直射輻射的入射角減小，對應的太陽輻照量增加。按夏季工況確定太陽貯熱水箱的容積，每一分系統(tǒng)的貯熱水箱容積為15m3，總?cè)莘e30m3。

太陽能集熱器的運行介質(zhì)為防凍液，以解決冬季的防凍問題。因此，采用間接加熱閉式系統(tǒng)，集熱介質(zhì)通過板式換熱器加熱貯熱水箱中的用水，系統(tǒng)回水管路上循環(huán)泵前設(shè)定壓膨脹罐。

圖1：太陽能集熱系統(tǒng)原理圖

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太陽能熱水箱是太陽能集熱系統(tǒng)和太陽熱水供水系統(tǒng)的相接點。每一太陽能集熱分系統(tǒng)設(shè)2臺太陽集熱循環(huán)泵，一用一備，共4臺太陽集熱循環(huán)泵；太陽熱水供水系統(tǒng)設(shè)2臺太陽熱水供水泵，一用一備。

在太陽熱水供水系統(tǒng)環(huán)路上設(shè)置了2個手動截止閥進行冬季和其他三季的供水功能切換，閥1在冬季開啟，其他三季關(guān)閉，太陽熱水供給水環(huán)熱泵環(huán)路；閥2在冬季關(guān)閉，其他三季開啟，太陽熱水供給生活熱水環(huán)路。從而實現(xiàn)太陽熱水在冬季供應生活熱水，在其他三季作為水環(huán)熱泵一次熱水熱源的功能變換。

本工程生活熱水供應和冬季采暖的常規(guī)熱源為燃氣鍋爐，生活熱水系統(tǒng)采用容積式換熱器換熱，采暖系統(tǒng)則采用板式換熱器。為利用太陽得熱量，春、夏、秋三季太陽熱水是容積式換熱器的給水，只在冬季改為由自來水給水。因此，在容積式換熱器的給水管路上同樣設(shè)置了2個手動截止閥進行冬季和其他三季的供水功能切換，閥1在冬季開啟，其他三季關(guān)閉，由自來水向容積式換熱器給水；閥2在冬季關(guān)閉，其他三季開啟，則由太陽熱水向容積式換熱器給水。

由于娛樂中心的生活熱水使用量隨客流量的大小有較大變化，為防止長期用水量小而造成太陽能集熱系統(tǒng)水溫過高，甚至發(fā)生汽化的現(xiàn)象，在系統(tǒng)的每排集熱器管路上均設(shè)置自動放氣閥，以保證系統(tǒng)的運行安全。為防止熱水在板式換熱器內(nèi)產(chǎn)生結(jié)垢，每個板式換熱器的進口管路上都需加裝電子除垢儀。

為充分挖掘節(jié)能效益，選用的燃氣鍋爐應有良好的自控功能，可根據(jù)容積式換熱器和板式換熱器太陽熱水供水溫度的變化自動調(diào)節(jié)鍋爐的供熱出力，真正起到節(jié)能效果。

上海帕特泵業(yè)制造有限公司

2013年01月06日星期日

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