某学生宿舍太阳能_热泵热水系统设计及经济性分析汇总

1、2010年第9期总第147期福建建筑Fujian A rchitecture &Co nstr uctionN o9 2010V ol 147某学生宿舍太阳能-热泵热水系统设计及经济性分析邓玉梅(中国瑞林工程技术有限公司 361012摘要:介绍了福州某学院学生宿舍太阳能辅助空气源热泵热水系统的工程设计，主要从加热系统选择、热水系统设计、自动运行控制、注意细节及存在问题等方面 进行介绍。关键词:太阳能-热泵热水系统工程案例节能中图分类号：T K 51文献标识码：B文章编号：1004-6135(201009-0106-04One student dormitory for the sola

2、r energy -heat pump hot water system design and economy analysisDeng Y umei(China Ner in Eng ineering Co.,LT D. 361012Abstract:T his pa per int roduces a co llege student dor mito ry of fuzhou so lar aux iliary a ir source heat pump hot w ater system of eng ineering desig n,mainly fr om the heating

3、sy stem,ho t w ater system desig n and automat ic o per ation contro l,pay attentio n to detail and exist ing pro blems w ere int roduced.Keywords:T he solar energ y-heat pump hot w ater system T he engineer ing ex ample T he energ y co nserv atio作者简介：邓玉梅，女,1974年11月出生，水电安装专业，给水排水专业，本科，工程师。从事给排水专业设计。

4、收稿日期:2010-08-02前言 太阳能是人类可以利用的最丰富的能源。在地球上 ，无论何处都有太阳能，可就地开发利用，不存在运输问题，不会产生废渣、废水、废 气、也没有噪音，更不会影响生态平衡；热泵是用逆卡诺原理，以极少的电能，吸收空 气中大量的低温热能，通过压缩机的压缩变为高温热能，传输至水箱，加热热水，能耗 低、效率高、速度快、安全性好、环保性强。在阳光充足时利用太阳能提供所需的 热水，在太阳能不足时利用空气源热泵热水机组来补充提供热水 ，所以在工程中采用 太阳能-热泵热水系统成为了现代建筑热水领域热门话题。下面是对某学院学生宿 舍热水设计采用太阳能-热泵系统设计及经济性分析。、工程概况

5、该工程位于福建省福州市，为单栋建筑，地上七层。一层为管理用房及活动室 二 至六层为学生宿舍。建筑高度 23 7m,占地面积1400m 2,总建筑面积7800m 2。根据福建省地方标准居住建筑与太阳能热水系统一体化设计、安装及验收规程!DBJ13-80-2006的规定，该建筑应采用太阳能系统供应生活热水。本工程学生宿舍共300床，按？类宿舍考虑，每人每日热水用水量为50L :宿舍采 用定时供应热水。热水使用温度 37#,供应时间为:每天18 0023 00。全天热水用水量 q d =300? 50=15? 103L =15m 3设计小时耗热量 Q h = q h （t r -t l r n 0b

6、C =15? 106kJ/h;设计小时热水量 q rh =Q h /（t r -t l C r =13125L/h;（换算成 60#水为 7095L/h;式中:Q h %设计小时耗热量（kJ/h;q rh %设计小时热水量（L /h;q h %卫生器具热水的小时用水定额（L/h;淋浴器取250L /h;C %水的比热容,4 187kJ/（kg #;t r %热水的温度,37#;t l %冷水的温度,10#; r %热水密度（kg /L ;n 0%同类型卫生器具数，为75;b %卫生器具的同时使用百分数，取70%。最高日耗热量：Q d =mq r C （t r -t l r =3 0? 106k

7、J/h =833kW二、生活热水供应系统的选择1、各供热系统比对：生活热水系统加热方式很多，常用的有：电加热、煤气加热、燃气加热、热泵系 统、太阳能供热系统等多种方式。各种加热方式各有优缺点，下表为对各加热方式 的运行费用的比较：每吨热水成本（以10#水加热到60#热水，需50000千卡的热量为例名称耗热量实际热值单价费用1电热水器50000千卡757千卡/度0.5元/度33.0元2天然气50000千卡5040千卡/m 3 4.0元/m 339.6元3石油液化气50000千卡13200千 卡/m 312元/m 345.5元4柴油锅炉50000千卡6240千卡/kg 5.5元/k g 44.0元

8、5热泵50000千卡2580千卡/度0.5元/度9.7元太阳能热水产品是吸收太阳能量加热冷水，所以其运行费用很低。福州地处福建东部，参照省标J10807-2006表3 1 2,福州市属I类地区，年太阳能辐照量45? 108J/m 2年日照时数1800H。 属于本省太阳能资源比较丰富的地区，可对太阳能进行合理利用。2、太阳能热水系统的选择：太阳能集热和热水供应方式划分有如下三种方式：集中供热水系统、集中-分散 供热水系统和分散供热水系统。他们的特点和适用建筑介绍如下：集中供热水系统：采用集中的太阳能集热器和集中的贮水箱供给一幢或几幢建 筑物所需热水的系统。以单元或整栋楼房为单位设计安装太阳能热水

9、系统，集热器与热水箱可分离安装，一个单元或楼房共用热水箱；多层、小高层和屋面具备条件的 高层建筑均可设计安装，更适用安装在宾馆、学校和公共浴室等公共建筑。集中-分散供热水系统：采用集中的太阳能集热器和分散的贮水箱供给一幢建筑 物所需热水的系统。以单元为设计单位安装太阳能热水系统，集热器与储热水箱分 离安装，每户拥有独立的储热水箱。多层、小高层和屋面具备条件的高层住宅建筑 均可设计安装。分散供热水系统：采用分散的太阳能集热器和分散的储水箱供给各个用户所需 热水的小型系统。每户独立安装太阳能热水器，集热器与储热水箱可不分离或分离 安装；一般设计安装在多层住宅建筑和别墅。对于本工程而言，分散供热水系

10、统由于是一套系统只针对一个用户，不利于资源 的共享以及今后管理上容易造成困难，所以不采用此系统。而对于集中-分散式供水 系统需要独立的储热水箱，装在户内需占用一定的空间，装在外墙又影响建筑立面美 观，且每户需设有辅助电加热设备、管子多、无法满足主管的循环。故本工程采用 太阳能集中供热水系统。3、辅助加热方式的选择在阳光充足时利用太阳能提供所需的热水，太阳能不足时，为了不影响用户使用 热水，太阳能加热系统应配置辅助热泵加热系统。故本工程热水系统由太阳能集热 器、空气源热泵、集热水箱、供热水箱、管路及自动控制系统等组成。如图 1所示。接自来水供热水箱虎图1太阳能-热泵热水系统原理图图中太阳能集热器

11、、空气源热泵设置、集热水箱、供热水箱、控制柜等设备均 设置在屋面上。三、太阳能-热泵热水系统设备计算及选型1、集热板面积计算：太阳能集热器面积计算公式A j z =q r mC r （t r-t l f/J t !j （1-!L =240m 2式中：A j z %直接加热集热器总面积（m 2;m %用水单位数（人数或床位数；q r %设计日用热水用水定额（L /人d或L /床d;C %水的比热容,4187J/（kg #;t r %储水箱内水的终止温度，60#;t l %水的初始温度，10#;J t %集热器倾角36&,集热器采光面上的年平均日太阳辐照量14794kJ/m 2d；f %太

12、阳能保证率取40%;!j %集热器全日集热效率取50%;!L %管路 及储水箱日损失率取30%o 2、太阳能集热器选型太阳能集热器的类型有平板型集热器和真空管集热器，真空管集热器具有保温 性能好，低温热效率高，其吸收系数可达到9496%辐射系数小于6%,在北方地区使 用比较多。而平板型集热器在高温时热效率高，低温时热效率较低，具有承压高、热 传递性能好等优点，在南方地区使用比较多，本工程属于福建冬天不结冰的南方地区 的用户，选用平板型太阳能集热器是非常适合的。因此本工程选用平板型集热器：P YT /L 2 0-3/22集热板，水平安装。集热板台数计算:240/2 0=120台（每台尺寸:L ?

13、 W ? H =2000? 1000? 753、屋面集热水箱、供热水箱计算集热水箱:V rx =q rj d ? A j =60? 240=14 4? 103L =14 4m 3,考虑到太阳得保证率 为 40%,取 6m 3;式中：V rx %集热水箱容积（L;A j %太阳能集热器集热面积（m 2;q rj d %集热器单位采用面积平均每日产热水量L/（m 2d,取 60L/（m 2 d。供热水多!容积：为保证宿舍的用水，在极端天气下辅助热泵加热得速度不如电锅炉等快速加热设备，故供热水箱容积为全天的用水量，取 15m 3;采用两个贮热水箱，太阳能热水先进入集热水箱，辅助加热设备设置在供热水箱

14、侧，利用太阳能将冷水预热，再送 入供热水箱，由辅助热源加热至设定温度。4、太阳能集热强制循环泵计算集热强制循环泵（图1泵4流量q xl =q gz A j =4 8L/s式中：q gz %单位采光面积集热器对应的工质流量 （L /s m 2,取0 02L/s m 2;A j%集热器总面积（m2;集热强制循环泵扬程 H x=h j x+h j+h z+h f=23m式中：H x%循环泵扬程（kP a;H jx%集热循环管道沿程与局部阻力损失（kPa;h j%循环流量流经集热器的阻力损失（kP a,h j=H c n;h z%集热器与贮热水箱最低水位之间的几何高差 （kPa;h f% 附加压力（k

15、Pa,取 H a=30kPa;则集热强制循环泵（图1泵4选用热水管道泵I RG50-160旧（一用一备扬程:24m;单泵流量:6L/s;单泵功率:3 0kW。5、热泵辅助加热系统及附属设备计算选型1空气源热泵的计算及选型：Q g=k1mq r C（t r-t lr/T1=231 ? 103kJ/h=150 0kW式中：Q g%热泵机组设计小时供热量（kJ/h;q r%热水用水定额（L/人d或L/床d;m%用水计算单位数（人数或床位数；t r%热水温度，60#;t l%冷水温度,10#;T1%热泵机组设计工作时间，取T1=6（h/d;k1%安全系数，取k1=1 05;空气源热泵主机选择：本工程单

16、台空气源热泵热水机组设计小时供热量Q g1= Q g/2=75 0kW则选用两台RSJ-770/S-820R热水机组,机组最大输入功率为24 4kW,额定制热 量（设计小时制热量为77 0kW,额定产热水量为2000L/h,该机组能确保在福州室外温 度为-3#时每小时生产1100L60#热水，平均产量2000L/h 60幽水。2热泵热水机组设计热水循环泵计算及选型热泵热水机组设计热水循环泵（图1泵2流量q r x=K2 Q g/（1 163 ?t r=1 05? 75 0/（1 163? 5?0 993=13 64m3/h由于热泵主机的进水压力不应小于 0 15M P a,则热泵热水机组设计热

17、水循环泵选用热水管道泵IRG40-125I（一用一备扬程:17 8m;单泵流量：16 3m3/h;单泵功率：1 5kW。3供热水箱补水泵计算及选型：供热水箱补水泵（图1泵3选型同热泵热水机组设计热水循环泵，选用热水管道泵IRG40-125I（一用一备扬程:17 8m;单泵流量：16 3m3/h;单泵功率：1 5kW。4热水管网的热水供水泵计算及选型：热水供水循环泵（图1泵1流量q g?4 33L/s式中:q g%热水设计秒流量；则热水供水循环泵选用热水变频泵 SDPS15-376-2 2。用一备扬程:23 3m;单泵流量：19m3/h;单泵功率:2 2kW。四、系统运行控制为了更加的充分利用太

18、阳能，在满足使用的情况下，应尽量减少由辅助热泵提供 的制热量。集热水箱补水由市政供水管补给，供热水箱补水由集热水箱加压补给。 热水供应时间为18:0023:00。具体控制如下：1、温控器4与温控器3温差大于7#时，泵4开。温控器4与温控器5温差小于 2#时，泵4停。2、10 00 时：1水位控制器水位在3t以下，泵3启动,同时阀4开启，供热水箱补水至3t水位时, 泵3停、阀4关闭。2当温控器3温度大于60#时，泵2、3开,同时阀3、4开启，直至供热水箱温控 器2温度到达60#为止。3当温控器3温度小于60#时，泵2开,同时阀1、2开,直至供热水箱温控器2温 度到达60#为止。3、11 00 时

19、:1泵3启动,同时阀4开启，供热水箱补水至5t水位时，泵3停、阀4关闭。2当温控器3温度大于60#时，泵2、3开,同时阀3、4开启，直至供热水箱温控器2温度到达60#为止3当温控器3温度小于60#时，泵2开,同时阀1、2开,直至供热水箱温控器2温 度到达60#为止。4、12 0016 00时（每个整点时刻：运行同步骤3,供热水箱水位各为：73 93 113 133 15t。5、17 50时，泵1开，使热水干管循环，置换管内冷水。6、18 00时开始供水:1当供热水箱水位降低至3t水位以下时，泵3开,同时阀4开启补水至3t水位为 止。2当温控器2温度小于50#时,a温控器3温度大于60#泵2、3

20、开,同时阀3、4 开启，直至供热水箱温控器2温度到达60#为止;b温控器3温度小于60#,泵2开，同 时阀1、2开,直至供热水箱温控器2温度到达60#为止。7、23:00时,关闭泵1。经过调查，许多太阳能-热泵热水系统在运行过程中即使在天气晴朗的日子里，热泵几乎都在不停的工作，不能真正做到节能，还间接造成投资浪费。本工程经过较为 复杂的控制系统，基本上能保证系统最大程度的利用太阳能，减少了由辅助热泵提供 的制热量。五、设计中应注意的一些细节1、热水管网设计1为避免热水供水管路过长，造成系统最不利点供水压力不足的现象。尤其在高位水箱供水的情况下，冷水与最高用水点处距离近、阻 力小，容易保证供水压

21、力，为减少该点冷热水的压力差，则更应尽量缩短热水供水管路 长度，即加热器应靠近热水用水的负荷中心。2为了保证冷、热水供水压力平衡，冷、热水系统均宜采用上行下给的方式，这 样布置的优点是：配水立管自上而下管径由大到小的变化与水压由小到大的变化相 应，有利于减少上、下层配水的压差，有利于保证同区最高层的供水压力。本工程的 机械循环热水系统设计成同程循环，即相对每个用水点，热水的供水、回水距离之和 基本相等。这样，系统使用时基本上不要调节，循环效果好、节约用水。3热水管材在技术已经很成熟了 ，品种和规格也比较丰富。从传统的铜管、不锈 钢管、钢塑复合管，到现在流行的各种塑料热水管都能胜任，目前常用的塑

22、料热水管 主要有交联聚乙烯PEX,聚丁烯P B,聚丙烯PP-R等品种，根据目前实际应用的情况, 比较成熟和理想的是保温铜管、交联聚乙烯管，聚丙烯PP-R管，本工程管材采用的 是保温铜管。2、计量方式设计很多设计为了计量方便，热水采用干管循环，往往把热水表设在楼层公共位置，有 些用水点距表间很远，很有可能用户末端所得到的水温过低，使用不舒适，每次开启时 要放很多水，浪费水和热能。所以计量方式的选择也影响到系统运行能否节能，本工 程热水计量采取在每间宿舍内设IC卡热水表进行计量。六、太阳能-热泵热水系统与其他系统的经济性比对不同热水形式经济比对表（按寿命15年计系统形式名称太阳能-热泵立式电加热热

23、水锅炉立式燃气热水锅炉立式燃油热水锅炉主要设备型号平板型太阳集热器240m 2,热泵:RS J-770/S -820R两台。电功率：24.4KW,额定值热量:77.0kWCWDR0.6-85/65-D额定发热量:7M W ,电功率:600kW,工作压力：常压。CLH S0.6-Q额定发热量:0.6M W，工作压力：常压。燃料耗量:天然气67m 3。C LHS 0.6-Y额定发热量:0.6M W,工作压力：常压。燃料耗量：柴油56kg。初始投资（万元40151312年运行费用（万元1.210.959.7811.241非运行费用（万 元 18164.25146.7168.6总投资（万元58179.25159.7180.6由此可以看出太阳能-热泵加热系统的初始投资比电锅炉、燃气锅炉、油锅炉 等加热系统大，但运行费用却少很多。随着太阳能-热泵热水系统的深入研发生产和 技术的成熟完善，太阳能-热泵热水系统的价格必将不断下降，太阳能-热泵热水系统 的优势将更加凸显。七、对太阳能热水系统的探讨和认识1、在系统中热交换的形式对于南方的气候而言，太阳能集热器所连接的管路不存在抗冻问题，因此大多采 用如本工程所示的热水系统形式，即:太阳能集热器、集热水箱、供热水箱、用户供水管网。如果工程地点是在