空气源热泵与燃气锅炉辅助加热太阳能供热水系统的设计和应用

1、空气源热泵与燃气锅炉辅助加热太阳能供热水系统的设计和应用何芳兵，吴俐俊，王文平( 同济大学 机械与能源工程学院，上海 201804)摘要: 太阳能作为可再生能源，在建筑节能中越来越受到人们的重视。根据工程实例，分析和探讨空气源热泵和燃气锅炉辅助加热太阳能供热水系统的特点，应用范围，工作工况以及 运行系统，力求实现太阳能热水器与建筑的优化设计，促进空气源热泵和燃气锅炉辅助加热太 阳能热水技术在建筑领域的推广应用。关键词: 太阳能; 空气源热泵; 燃气锅炉; 建筑节能中图分类号: TK513文献标志码: B文章编号: 1009 3230( 2014) 05 0021 04Design and Ap

2、plication of Solar Energy Hot Water System withAir Source Heat Pump and Gas BoilerHE Fang bing ，WU Li jun，WANG Wen ping( School of Mechanical Engineering ，Tongji University，Shanghai 201804，China)Abstract: Solar have been given more and more importance in building energy efficiency asrenewable energy

3、 Through analyzing the real project，the solar energy hot water system group with air source heat pump and gas boiler is expounded，including characteristics，scope，operating conditions and system design So it will make building and solar water heater integrated design，to promote the application of air

4、 source heat pump and gas boiler auxiliary heating solar water heating technology in the construction fieldKey words: Solar energy; Air source heat pump;Gas boiler; Building energy efficiency引言源是必不可少的步骤。以空气源热泵运行原理设计的热水系统，是根据逆卡诺循环原理，利用空气 中的热量，制热系数一般是 3 4，它的高效节能的 优点也越来越受到人们的重视。为了使系统足够 稳定，燃气锅炉也是必不可少的组成

5、部分。本文 参考上海地区气候条件，对空气源热泵与燃气锅 炉辅助加热太阳能供热水系统进行了设计计算和 设备选型分析，为太阳能热水系统在该地区的太 阳能建筑一体化进程以及推广应用提供理论依0在建筑领域，太阳能作为一种取之不尽的新型清洁能源，在热水、照明、采暖、电力、制冷等多 个方面得到开发和利用。作为新能源的代表，太 阳能产业作为主流趋势，太阳能的开发和利用被 推上前台，特别是太阳能与建筑优化结构逐渐成 为我国太阳能热利用的发展方向，目前已经取得 了较好的节能效果1 5。由于太阳能随着季节变 化比较明显，晴天及阴天的变化也是如此，其辐射 量差异较大，从而导致太阳能集热器产热量变化较大。因此，为了满

6、足用户热水需求，设置辅助热6 11据。1供热水系统构成及原理1 1系统构成过热水系统构成图如图 1 所示。收稿日期:作者简介:2014 02 26修订日期: 2014 04 20何芳兵( 1990 ) ，在读研究生。2014 年第 5 期( 总第 197 期)应用能源技术22图 1 空气源热泵与燃气锅炉辅助加热太阳能供热水系统原理图工作原理过热水系统工作原理为: 出水温度传感器检 测水箱的出水温度，把温度高低的信号转变成电 信号送到控制器，当太阳能水箱的温度达不到设 定温度，即太阳能集热器的出水温度低于设定值 时，控制器发出指令，先使热泵机组开始工作。在 规定时间内，若仍未能达到所需的温度，那

7、么燃气 锅炉开始工作，直到出水温度达到用户要求。在 该系统中，空气源热泵与燃气锅炉作为辅助加热 动力，热水系统由太阳能集热单元，空气源热泵辅 助加热单元和燃气锅炉辅助加热单元体三者组 成。当天气状况良好时，热泵单元和燃气锅炉单 元不会运行，太阳能单元单独运行的集热量可以 满足用户热水负荷要求; 当辐射强度不足时，空气 源热泵单元启动，对水箱中的水进行辅助加热。当运用太阳能热泵时也未能达到我们的要求，我们再启动燃气锅炉单元，从而使系统满足用户的 需求。1 2工程设计案例设计说明太阳能热水系统采用真空管式集热器。太阳22 1能集热器和太阳能集热水箱都安装在小区的屋顶上，使整体排布美观，体现一体化结

8、构。系统配置 空气源热泵热水机组和燃气锅炉作为太阳能热水系统的辅助热源。工程概况项目为上海某大学已建学生公寓加建太阳能2 2供热系统，以 供学生洗浴，热 水用量为 19 8t / d( 根据理论计算情况) ，热水温度为 60 ( 温度可以根据需求调节) ，学生公寓楼共 6 层，本次太阳2014 年第 5 期( 总第 197 期)应用能源技术23能集中供热水系统安装在建筑 6 层楼屋顶上，力求实现一体化结构。的门户。因而要求显示面板界面要好，功能清晰，对当前的集热水箱温度、上水管道温度、集热器温 度、水箱水位、各个控件状态都一目了然，同时所 有功能都可以手动设定和保存。为了使管理和控 制更加方便

9、，每个功能都应该具有自动、停止、手 动三个档位，以便于维修等方面的需求，另外系统 还应具有远程控制功能，有线距离不大于 500 m。 2 3 5 储热水箱根据理论用水量，给单体配备两只 10 m3 的 循环水箱，分别在两侧各安放一只。2 3 6 控制系统设备( 1) 太阳能集热器、水箱温度传感器。 ( 2) 变频供热水装置( 保证供水稳定) 。 ( 3) 定时补水装置。( 4) 辅助加热控制。( 5) 锅炉保护装置。( 6) 防冻排空装置。( 7) 定时回水控制。2 4 空气源热泵热水系统设计计算2 3太阳能系统设计计算2 3 1 设计所用气象参数8上海的地理位置: 东经 121°2

10、9'，北纬 31°24'， 年太阳辐照量为 4 497 261 MJ / m2 ，年日照时数为 1 997 5 h，年平均温度约为 16 ，年平均日太阳 辐照量为 12 9 MJ / m2 ，属于太阳能资源可利用区 域。2 3 2太阳能集热系统面积确定 太阳集热器数量的确定( 以冬季为依据) ，水温要求为 60 ，则:( 1 L ) 。( 1)Ac = m* c* t *f / h*cd *2式中: Ac 为太阳能集热器直接采光面积，m ; m 为日均用水量，kg; 为水的密度，kg / L; c 为水的定 压比热容，取 4 187 kJ / ( kg* ) ; t

11、为储水箱进 口与出口温差，单位 ; f 为最不利条件下太阳能 的保证率，无量纲; h 为集热器受热面上年均日辐照量，kJ / m2 ; 为集热器全日集热效率，无量纲;设计参数2 4 1cd由于最不利条件出现在冬季，最冷平均气温约为 4 ，进水温度约为 5 。用水温度: 额定温 度为 60 。设计方式: 循环恒温补水加热式，每 天理论热水量为 19 8 t。2 4 2 热泵机组运行时间确定根据热泵机组国家标准规定，热泵机组每天 的工作时间( 最冷工况) 如表 1 所示。6L 为管路及储水箱热损失率，无量纲。t，t = 55= 12 904 kJ / m2 ，m = 19 8选取 h ， = 1

12、kg / L，L = 0 2，f = 0 4，cd = 0 5。代入( 1) ，得 Ac = 353 38 m2。工程选用热管式真空管型集热器，型 号 为SLH 50 / 47 5 1，真空管长度为 1 500 mm，集 热面积为 5 1 m2 。根据理论集热面积 Ac，计算得 出实际集热器数量为 353 35 ÷ 5 1 = 69 3 组( 实表 1热泵机组每天的工作时间序号建筑物名称机组平均每天运行时间际选取 70 组) ，实际集热面 积为 70m2 。× 5 1 = 357三星级以上15 18， 15 18，18 10宾馆12 3 3太阳能集热循环泵设计三星级以下水泵

13、分供热水泵和温差循环水泵，是德国·威乐系列水泵，性能稳定; 采用高效叶轮，噪 音更小; 采用高级密封件，寿命长，不漏水; 先进的 结构设计，效率高; 水量充足。2345一般旅馆住宅学校( 工厂宿舍) 医院1818，15根据该工程的性质，拟定取机组最冷工况的运行时间为 18 h，满足系统每日供水的需求。空2 3 4控制器的选择控制器是用户操作和使用该太阳能热水系统2014 年第 5 期( 总第 197 期)应用能源技术24气源热泵承担最大热负荷的 40% 。的常压燃气热水锅炉作为辅助加热设备。日耗热量的确定Qd = 0 4* m* c*结论2 4 33( 2)* t/64 800。空气

14、源热泵与燃气锅炉辅助供热太阳能热水系统，除了有太阳能热水器的优点，还能保证设计 系统全天候安全运行，满足用户的用水需求，是高 校适宜推广的生活热水系统形式。根据分析典型 案例，在上海地区用太阳能一空气源热泵与燃气 锅炉组合热水供应系统取代传统热水供应方式具 有较大优势，是一项极具开发和应用潜力的技术， 大范围推广后可以有效缓解能源紧张的情况，带 来良好的环境效益和社会效益。参考文献式中: Qd 为最高日平均耗热量，kW; m 为日均用水量，kg; 为水的密度，kg / L; c 为水的定压比热 容，取 4 187 kJ / ( kg* ) ; t 为储水箱进口与出口温差，单位 。选取 m =

15、19 8 t，t = 55 ， = 1 kg / L，代入 得 Qd = 28 15 kW。2 4 4热泵机组制热量的确定( 3)Qg = K* Qd 。式中: Qg 为热泵机组设计小时平均耗热量，kW; K为安全系数; Qd 为最高日平均耗热量，kW。 选取 K = 1 05，Qd = 28 15 kW，得 Qg = 29 56kW。1阮学峰 中国太阳能热利用技术在建筑中的应用 J 中国西部科技，2009，( 22) : 18 20庄 宇，张秀丽 国外太阳能建筑发展现状J 工 程科技，2011，( 6) : 40 42余克志，俞 渊，甘世红，等 高校学生生活区太阳 能热水系统设计J 节能技术

16、，2011，( 5) : 32 36 丁 琦，魏 巍，武晓霞，等 燃气锅炉供热系统的 六项节能技术J 建筑节能，2006，( 4) 12 17 蒋家响，孙强 太阳能与燃气锅炉在大型供热水 系统中的结合J 山东商业职业技术学院学报， 2012岳 峰，郝利民，李士瑄，等 空气源热泵辅助加热 太阳能热水系统热经济分析J 河南科学，2011， ( 7) : 23 28GB / T238892009，家用空气源热泵辅助型太阳能 热水系统技术条件S王 颖 中国气象辐射资料年册M 北京: 国家气 象中心，2001: 13 14杨 庆，侯军霞 空气源热泵辅助建筑一体化太阳 能热水系统的经济性分 析J 给 水

17、排 水，2007， ( 33) : 193 196冯立宁，李建荣，陈广元，等 常规干燥室余热回收 装置的研究J 森林工程，2012，28( 2) : 22 25 于 璇 空气源热泵辅助型太阳能热水系统国家标准即将实施J 电器杂志，20102机组选型配比2 4 53对于该系统，考虑到结霜与温度的影响，因而选取综合系数为 0 75。则空气源热泵机组的名 义制热量: q = 29 56 /0 75 = 39 41 kW。热水系统选择华扬名义制热量为 40 32 kW 的机组 1 台，型号为 KF 845，根据比较计算，所 选机组的名义制热量总共为 40 32 kW，选型满足所需要求。456燃气锅炉热水系统设计计算在冬季最冷月份，燃气锅炉所承担的热负荷2 5 Qpump 。 ( 4)7Qboiler= m* c* t Qsolar式中