空气源热泵辅助加热太阳能集中热水系统设计探讨

空气源热泵辅助加热太阳能集中热水系统设计探讨欧云峰杨金华（中国中元国际工程公司，北京１０００８９）摘要太阳能集中热水系统受到天气的影响难以全天候运行，需要设置辅助加热装置。结合工程实例，对空气源热泵辅助加热太阳能集中热水系统的特点、适用范围、运行工况以及系统设计进行分析和探讨。关键词空气源热泵辅助加热太ＦＥｌ能集中热水系统节能１空气源热泵机组作为辅助热源目前市面上空气源热泵额定工况下能效比为３～５，在适用环境温度范围内，ＣＯＰ值随环境温度的升高而升高，相比其他辅助能源如电能、燃油等节能效果十分明显。１．１空气源热泵机组与太阳能集热系统组合可实现优势互补太阳能集热系统的最大优势在于，在日照充足条件下，整个系统运行成本几乎为零，这也是在太阳能比较丰富的地区以太阳能作为生产热水主要能源的重要原因。其缺点在于，当天气条件不利（如光照不足、夜间等情况）或者屋面可放置集热器面积有限时，只能依靠辅助热源进行加热。空气源热泵热水机组与太阳能集热系统相比，最大优势在于只要室外环境温度在机组运行范围内（一１０＂－５０℃）就可以全天候直供热水，弥补了太阳能系统本身存在的缺陷；同时在相同条件下，机组占地面积远小于太阳能集热板的占地面积。可见，将空气源热泵机组和太阳能集热系统两者有机组合，既可充分利用太阳能，又可节约辅助能源，最大限度降低运行成本，节省费用。１．２空气源热泵机组作为辅助热源的适用范围空气源热泵作为太阳能集中热水系统辅助热源的最大特点是，弥补了常规太阳能热水系统的缺陷，且其本身具有节能性。因此，将空气源热泵机组作为辅助加热系统特别适用于太阳能较丰富、年平均气温在２０＂－３０℃地区，在充分利用太阳能的前提下，仍然需要大量使用辅助热源的太阳能热水系统，如酒店、病房楼等需要２４小时热水供应，且夜间热８２给水排水Ｖ０１．３５Ｎｏ．９２００９水用水量较大的建筑热水系统。２空气源热泵辅助加热太阳能集中热水系统分析２．１系统原理整个热水系统由太阳能集热系统和空气源热泵辅助加热系统两部分组成，包括太阳能集热板、太阳能热水循环泵、太阳能承压热水罐、空气源热泵机组、生活热水箱、生活热水箱循环泵、生活热水系统循环泵以及控制器等。系统原理见图１。ｒ…………一一一空气■热ｉ帆组昂丹Ｉ图１空气源热泵辅助加热太阳能集中热水系统原理２．２系统运行工况分析空气源热泵辅助加热太阳能集中热水系统的运行主要有以下四种工况：（１）太阳能集热系统直接加热生活热水。在日照充足的白天，系统按此工况工作，此时太阳能热水循环泵的工作由系统控制器根据太阳能集热器和太阳能储热罐水温进行控制。（２）空气源热泵辅助太阳能集热系统加热生活热水。当阴雨天或光照不足，太阳能集热系统不足以使生活热水箱温度达到设计水温时，水箱感温元件检测水温启动空气源热泵热水机组加热，当水箱水温达到设定值时，空气源热泵热水机组自动关闭。（３）太阳能和热泵机组同时加热生活热水。在万方数据日照良好情况下，如果热水系统的耗热量大于太阳能集热系统的有效供热量或太阳能集热器的数量较少，不能满足热水系统的用热需求，则太阳能和热泵机组同时工作向热水系统供热。系统采用自动温差控制循环加热，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，最大限度少开机或不开机，从而确保热水在不低于５５℃供应下限的前提下，为太阳能的充分利用提供保障，同时也为机组的节能利用和安全运行提供可靠的保证。（４）空气源热泵机组直接加热生活热水。在连续的雨雪天气，热水系统所需热量完全由空气源热泵机组提供。此时，太阳能系统处于待机状态，热泵机组单独工作对热水箱加热。３工程设计案例在海口某工程中笔者采用了该系统，太阳能集热部分采用真空管集热器＋承压储热罐直供热水；空气源热泵机组采用直热式热水机组。系统如图１所示。设计热水日用水量为１６０ｍ３，最大时用水量为１６ｍ３／ｈ，冷水计算温度ｔｉ＝１５℃，热水计算温度ｔｅｎｄ一６０℃，设计小时耗热量约１０００ｋＷ。３．１太阳能集热系统设计３．１．１太阳能集热系统日均产水量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相关，一年四季变化很大，本工程按年平均辐射量进行设计。据资料查得海口市太阳能集热器采光面上的年平均日太阳辐射量ＪＴ一１２．９４ＭＪ／（ｍ２・ｄ）；太阳能保证率，以０．８计；由于本工程屋面面积受限制，摆放太阳能集热器的屋面面积约１７５ｒｎ２，考虑到一定的安装倾斜角度后，设计安装太阳能集热器面积Ａ一１９０ｍ２；集热器的年平均集热效率取值铀＝０．４５；储水箱和管路的热损失率取值仉一０．２５，则日均产水量为Ｑ—Ａ￣，Ｔ弛（１一氇）一１９０×１２．９４ｘ０．４５ｘ（１一Ｏ．２５）一Ｃ（ｔ。ａ－－ｔ。）厂４．１８７Ｘ（６０—１５）Ｘ０．８５．５（ｍ３／ｄ）。３．１．２太阳能储热罐容积本系统中，太阳能集热部分为直接加热、热水直供方式，太阳能储热罐仅作为太阳能系统本身储热使用，其容积可按集热系统日均产水量（６０℃）确定，即Ｖ＝５．５ｍ３。３．１．３集热器安装按照顶层采光面积，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，所产热水直接进入太阳能储热罐。３．１．４太阳能热水循环泵选型太阳能集热系统循环流量ｑ】【Ｉ＝Ｂ。Ａ，其中Ｂ。为太阳能集热器单位面积流量，Ａ为集热器面积。本系统中ｑｘｌ—Ｏ．０２×１９０＝３．８（Ｌ／ｓ）。循环水泵的扬程依据所需克服的系统阻力确定。３．２空气源热泵辅助加热系统设计３．２．１空气源热泵热水机组选型水温、气温较低的冬季，热泵热水机组ＣＯＰ降低，在生产热水量减少的同时，热水用量却大增，要能满足冬季的热水供给，需要按冬季极端低温天气的ＣＯＰ值计算热水产量。根据气象资料，海口地区极端低温天气为１５ｄ，平均气温为１４．６℃，计算冷水温度为１５℃。在本工程设计中，最不利状况下，全天热水均由空气源热泵机组生产热水，即每小时产水量为１６０／２４—６．７（ｍ３／ｈ）。查得某品牌某型号直热式空气源热泵热水机组性能曲线，在室外气温为１４．６℃时，其单台输入功率Ｎ。一１６．８ｋｗ，输出制热功率Ｎ２—６１ｋＷ，ＣＯＰ值为３．６。则所需该型号空气源热泵机组的台数（取整）：咒一Ｃｍ（ｔｅ．ｄ－－ｔｉ）一４．１８７×６．７×１０３×（６０—１５）一３６００Ｘ０．９５×Ｎ２—３６００Ｘ０．９５×６１—６（台）。３．２．２生活热水箱容积该工程实行全日供热水，生活热水箱作为整个系统热水的供水水箱，其有效容积可按最高日最高时生活热水用量来确定，即ｙ一１６ｍ３。３．２．３热水箱循环泵选型热水箱循环泵的流量可按每小时将热水箱内的热水循环２～４次来确定，本系统按１小时循环２次设计，则流量为１６／ｏ．５＝３２（ｍ３／ｈ）；循环泵扬程依据所需克服的相应系统阻力确定。３．３系统经济性分析空气源热泵辅助加热太阳能集中热水系统能耗仅为空气源热泵的耗电量。给水排水Ｙ０１．３５Ｎ仉９２００９８３万方数据国家游泳中心机电管线综合设计与施工配合黄宽政（中建国际（深圳）设计顾问有限公司，北京１００００７）摘要国家游泳中心是２００８年奥运会三大标志性场馆之一，作为承办世界级运动比赛的场馆，其功能多、需求复杂，对机电设计及施工提出了很高的要求，机电管线综合从施工图设计到各阶段施工配合均很重要，每个环节都要做到严格把关，按制定的程序进行，才能使设计作品得到较好实现。关键词机电管线综合管线排布设计与施工国家游泳中心１机电工程概况国家游泳中心机电工程涉及３０多个子系统，安装工程量大、专业系统多、管线密集、施工难度大。由于建筑物构造特殊，设备机房主要集中在地下２层，部分在地下１层，大量管线集中在地下２层和地下ｌ层，管线交叉点很多，据统计管线冲突点共１９９４点，冲突点发生率２５％。２机电管线综合设计在机电项目经理组织下开会讨论管线综合设计的程序与步骤。２．１设计人员结构的确定配置合理组织机构，设立管线综合图专业设计负责人，见图１。Ｊ机电项目经理Ｊ．——：二丁＝１暖通专业ｌｌ给排水专业ｌｌ强电专业ｌＩ弱电专业Ｉｌ负责人ｌＩ负责人ｌ负责人Ｉｌ负责人Ｉ图１管线综合组织机构示意２管线综合设计步骤经机电经理组织相关人员进行多方讨论确定管线综合设计步骤，见图２。为方便计算，按海口年平均室外气温２３．８℃考虑，查得该机组ＣＯＰ＝４．０，与电辅助加热相比，可节约（１—１／４）×１００％＝７５％的电能。该工程日均用水量１６０ｍ３／ｄ，太阳能集热系统日均产水量为５．５ｍ３／ｄ，则每天依靠空气源热泵机组生产的热水量为１５４．５ｎ１３／ｄ。每天可节约的电量为１５４．５×１０３×（６０—１５）÷８６０×０．７５—６０６３（ｋＷ・ｈ），按电价０．８元／（ｋＷ・ｈ）（工业电价）计，每天可节省４８５０．６元。海口年均Ｅｌ照天数以２２５天计，共可节省４８５０．６×２２５＝１０９１３８５（元）。在一年中剩下的１４０天里，若全部的热水均由热泵机组生产，与电辅助加热相比，则可每天节电１６０×１０３×（６０一１５）＋８６０×０．７５＝６２７９（ｋＷ・ｈ），总共可节省电费６２７９×０．８×１４０＝７０３２５６（元）。全年共节省电费ｌ０９１３８５＋７０３２５６＝ｌ７９４６４１（元）。４结语在常年气温较高地区的太阳能集中生活热水系８４给水排水Ｖ０１．３５Ｎｏ．９２００９统中，空气源热泵是一种比较理想的辅助加热设备，空气源热泵辅助加热太阳能集中热水系统不仅能全天候满足生活热水的供应，而且整个系统环保、节能，具有较好的社会效益和经济效益，尤其适合于在充分利用太阳能的前提下，仍然需要大量使用辅助热源的太阳能热水系统。参考文献ｌＧＢ５０３６４－－２００５民用建筑太阳能热水系统应用技术规范Ｚ张昌．热泵技术与应用．北京：机械工业出版社，２００８※通讯处：１０００８９北京西三环北路５＃中国中元国际工程公司医疗建筑一所Ｅ－ｍａｉｌ：ｕｎｉｆｏｘ＠１６３，ＣＯＩｎ收稿日期：２００９—０３—２４修回日期：２００９—０６—０１万方数据空气源热泵辅助加热太阳能集中热水系统设计探讨作者：欧云峰，杨金华，OuYunfeng，YangJinhua作者单位：中国中元国际工程公司,北京,100089刊名：给水排水英文刊名：WATER&WASTEWATERENGINEERING年，卷(期：2009，35(9引用次数：0次相似文献(8条1.期刊论文张跃.李志民.钟浩太阳热水器与空气源热泵辅助加热集中供热水系统的工程设计-太阳能2009(10结合实例论述宾馆用太阳热水器与空气源热泵辅助集中供洗浴热水系统的工程设计方法,并着重介绍了空气源热泵的配置、布局、安装和控制.2.期刊论文罗会龙.铁燕.李明.钟浩.LUOHui-long.TIEYan.LIMing.ZHONGHao空气源热泵辅助加热太阳能热水系统热性能研究-建筑科学2009,25(2本文介绍了一种空气源热泵辅助加热的太阳能热水系统,测试分析了该系统实际运行工况下的热力性能.测试结果表明,通过合理的部件匹配,昆明地区气候条件下空气源热泵辅助加热的太阳能热水系统太阳能热水子系统的日平均热效率约为38%～50%,太阳能保证率可达81%;空气源热泵机组的供热系数在最冷月仍可达2.5～3.3.3.会议论文施娟.陈振乾.施明恒太阳能-空气源热泵辅助加热供热水系统经济性分析2008本文提出了利用太阳能预热供水，再使用空气源热泵进行再次加热的供热水方案。建立了太阳能集热设备的数学模型，外界环境温度模型，水箱温度模型，并用集总参数法构造了热泵系统的数学模型。利用VB语言编制了模拟计算程序进行模拟仿真。在此基础上，以南京地区冬季供热水为例，对三种供热水系统的经济性能进行比较分析，从而得出采用太阳能-空气源热泵辅助加热供热水系统具有良好的经济效益。4.会议论文施娟.陈振乾.施明恒太阳能-空气源热泵辅助加热供热水系统经济性分析2007本文提出了利用太阳能预热供水,再使用空气源热泵进行再次加热的供热水方案。建立了太阳能集热设备的数学模型,外界环境温度模型,水箱温度模型,并用集总参数法构造了热泵系统的数学模型。利用VB语言编制了模拟计算程序进行模拟仿真。在此基础上,以南京地区冬季供热水为例,对三种供热水系统的经济性能进行比较分析,从而得出采用太阳能-空气源热泵辅助加热供热水系统具有良好的经济效益。5.学位论文陈卫星双热源太阳能热泵模式研究20046.期刊论文王新明.WangXinming太阳能热泵中央热水系统-西藏科技2007(9太阳能中央热水系统一般采用各种能源的锅炉作为辅助热源,本文提出了一种太阳能-热泵中央热水系统形式,介绍了其工作原理和各组成部分的设计要求以及工程应用实例.太阳能-热泵中央热水系统以太阳能辅助加热的空气源热泵机组作为太阳能系统的辅助热源,在北方寒冷地区冬季运行可靠稳定,全年综合节能率85%以上,是一种实用的环保节能技术,具有一定的推广应用价值.7.期刊论文左文轩.吴健雄.ZUOWen-xuan.WUJian-xiong可编程控制器在浴室节能改造中的应用-江苏电器2006(3用可编程控制器PLC控制空气源热泵、蒸汽辅助加热装置等,配合太阳能集热装置,实现对洗浴用水加热过程的控制,达到了环保、节能的运行效果.该系统具有安全可靠、运行经济、维修方便、智能化高等优点.8.学位论文李艳地表水源热泵系统应用研究2007在当前世界范围内力求实现可持续发展和节能降耗的大趋势下，水源热泵技术以其节能效果明显、符合环保要求等特点引起了世界各国的重视。地表水源热泵是一种利用浅层地表水资源，既可供暖义可制冷的高效节能热泵系统。地表水源分别在冬季作为热泵供暖的热源，在夏季作为制冷的冷源。由于水源温度较空气源温度稳定，因此水源热泵系统较空气源热泵系统运行会更稳定。虽然该系统具有节能、环保、高效的特点，但是它的应用需要一定的条件，并且有些应用技术尚未深入的研究，所以导致目前地表水源热泵在应用上存在一定的盲目性，这样大大不利于该技术的应用与推广。为了解决上述问题，本文采用工程应用与理论分析相结合的方法，对系统的性能特性进行研究与优化。本文以江南大学新校区体育馆工程地表水源热泵项目为研究对象，对大规模的地表水源热泵空调系统相关性能进行了研究。从试点工程具体情况出发，根据工程概况、气候特点、使用要求、冷热负荷、水源条件以及地表水源热泵系统对水温水质水量的要求，对地表水源