空气能辅助太阳能热水系统的应用与设计

空气能辅助太阳能热水系统的应用与设计

Summary：随着环境保护问题日趋严重，对清洁能源的利用显得尤为重要，而空气能和太阳是一种可持续发展的清洁能源，逐渐成为建筑节能的重要组成部分。本文通过实际案例，对空气能辅热太阳能热水系统的特点、适用范围、运行工况、系统的设计等方面进行分析和讨论，以期推动其在建筑行业的发展，从而提高人们对环境保护和节约能源的认知。Keys:太阳能；可再生能源；空气能；绿色节能0引言太阳能是一种清洁新能源，也是一种可再生能源，符合“绿色建筑”的理念，在建筑领域的热水中已经得到较好的应用。它不像传统能源（煤炭、石油、天然气等），总的储存量有限，且使用过程中会产生废弃、粉尘、颗粒等有害物质，不仅会增加空气中的PM2.5含量，危害人们健康，还会对整体气候产生温室效应的影响。太阳能在建筑领域热水系统的应用中，由于其清洁性和可再生性，则不存在传统能源的相关缺陷。但由于季节与昼夜的变化，尤其是随着晴朗与阴雨天气的变化,太阳光辐照度变化很大。所以,热水采用太阳能时，也需要利用辅助的热源。空气能作为一种新能源，也具有洁净性和可再生性。它是通过逆卡诺循环原理,吸收了空气中的能量，其热效率高，一般在300%以上，是一种作为辅助热源的理想对象。太阳能热水系统结合空气能辅热，充分发挥二者的节能性与清洁性，取长补短，相辅相成，达到了节能与环保最大化，是一种绝佳的组合方式。1空气能机组辅与热太阳能热水的互补当前市面上的空气能机组在标称的运行状态下，其能效比大概是3.0至5.0。当环境温度在适宜范围时，值随着环境温度的提高COP也会增加，相比与燃油和电能，节能效果更加明显。1.1空气能和太阳能结合的优势互补在日照充足时，太阳能系统运行的能耗非常低，几乎何以忽略不计。所以在太阳能资源丰富的地区，列如新疆、西藏、青海、甘肃等地，太阳能的利用显得尤为重要。在太阳能资源一般地区，也有很好的节能效果。但它的缺陷也很明显，在天气条件不佳（如阴雨天、夜间等）时，或可以安装集热器的面积有限时，则仅能依靠辅助热源来进行供热。与太阳能集热器相比，空气能热水机组最大的优点是：只要环境温度在-10℃以上，即可实现连续供水；同时，在同样的工况下，所占用的空间比太阳能集热器要小得多，从而弥补了传统太阳能热水系统的不足。相对于太阳能，空气能的缺点是会有一定的能耗。因此，把太阳能热水系统和空气能热水系统有机结合起来，不仅可以使太阳能得到最大的利用，还可以节省辅助能量；使运营成本最小化，节能减排。1.2空气源热泵机组在辅助热源中的应用空气能作为太阳能的辅助热源，它最大的优点在于它可以弥补传统的太阳能热水系统存在的不足，而且它自身还具有一定的节能性。所以，在太阳能资源丰富地区，即使太阳辐照量≥6700[MJ/㎡·a],也需要采用空气能作为辅助热源。例如宾馆、病房等需要24小时提供热水的地方。2空气源热泵辅助加热太阳能集中热水系统构成及工作原理2.1系统构成空气能热水系统辅热太阳能热水系统大致可分为两部分：即太阳能热水部分和空气能热水部分。这两部分是通过热水箱相连接起来的，如图2所示。太阳能热水器系统主要包括集热水箱、太阳能集热板、管道系统等；空气能机组系统主要包括：节流装置、蒸发器、压缩机、冷凝器等，如图1所示。图1空气源热泵工作原理示意图2.2工作原理空气能辅热太阳能热水系统，在日照充足的情况下不会启动运行空气能热泵装置，太阳能组件的集热能够达到热水的使用要求。在没有足够的日照条件情况下，太阳能集热板不能收集足够的热量，热水使用达不到要求，则启动热泵系统，将供热水箱中的水加热到设定温度。如图2所示。图2太阳能热水空气能辅热工作原理示意图2.2.1空气源热泵加热方式空气源热泵加热水的方式可以分成直热式和循环式两种：直热式是冷水流进机组经过一次加热，出水温度即达到设定的温度；循环式是热水循环泵将保温水箱内的低温水抽进热水机组，每次温升5~10摄氏度左右，温升后的热水回到供热水箱中，如此往复循环，直到达到设定的温度。直热式的优点是：1、冷凝工况稳定：不管水温和环境温度如何变化，直热式热泵机组出水温度恒定，冷凝压力和冷凝温度基本恒定，这对延长压缩机寿命有利。2、综合能效比循环式高：循环式在加热模式下，水泵都在维持运转，无形中拉低了综合能效。3、水温稳定，舒适性好：对于保温效果良好的水箱，温降每天一般为2-3℃，只要根据用水情况合理设计水箱大小和机组的工作时间，每天用多少水就产多少水，保证水箱一直有水，且水温稳定，就对用水舒适性相当有利。循环式的优点是成本比直热式低。在实际应用中，循环式热泵机组适用于非消耗性热水场所，如采暖、保温、泳池等。直热式热泵机组适用于消耗性热水场所，如酒店、宿舍、医院等。3工程设计实例分析3.1工程概况此项目为某地学校改造工程，设置太阳能集中热水系统,供卫生间洗脸，淋浴使用。设计使用热水量为21.3m³/d。根据使用方要求，热水出水温度要达到60℃。当地冷水温度按5℃计。太阳能热水箱及集热板均安装在本建筑屋顶上。经结构复核荷载，满足要求。3.2设计说明太阳能热水器采用热管集热器，热水箱采用成品不锈钢式，安装于本建筑屋顶。辅热采用空气能热泵机组，系统为直接加热强制循环式，双水箱系统。3.3太阳能系统设计计算3.3.1设计用气象参数该地年太阳辐照量为4229.985MJ/㎡，太阳能保证率取45%；年平均温度为17.2℃；全年平均日辐射照量为11.589MJ/㎡,按规范，本地太阳能资源为一般地区。3.3.2太阳能集热器面积计算热水温度按60℃取值，冷水温度按5℃取值，则：A=[QWC（tr-tl）f]/[Jtη1（1-η2）]式中:A为集热器面积：平方米;QW为日均用水量t，经计算为21.3m³;C为水的比热，取4.18kJ/(kg·℃);tr为热水的加热温度，取60℃；tl为冷水的供应温度，取5℃；f为太阳能的保证率，取0.45；Jt为集热器全年每日平均辐射照量，取11.589MJ/㎡；η1为集热器的年平均集热效率，取值0.5；η2为整个系统的热量损失，该项按经验值取0.2.A=[QWC（tr-tl）f]/[JTη1（1-η2）]=[21.3×4.18×（60-5）×0.45]/[11.589×0.5×（1-0.2）]=467㎡3.3.3太阳能集热循环泵设计单位面积，集热器工质流量qx按照0.015~0.02L/s㎡:取值，本工程取0.015L/s㎡计算，则循环流量qh=qx×A=0.015×467=7.0L/s。集热器与即集热水箱之间设循环泵，强制循环，循环泵一用一备。3.3.4系统管道设计与保温系统管材选用不锈钢管，根据上述循环流量，拟定循环管道管径。计算管道流速：拟定循环管道管径为DN100，此时流速为0.808m/s，符合要求。采用40㎜橡塑发泡棉对管道进行保温，保护层采用玻璃布复合铝箔，施工便捷，外观美观，保温效果好。3.3.5储热系统设计集热器单位产60℃热水量按40~80L/(m2·d)取值，本工程取60L/(m2·d)计算，则集热水箱容积为28m³。3.4空气源热泵热水系统设计3.4.1设计参数最不利工况按冬季最冷月份计，即一月份。此时冷水补水温度5℃；热水出水温度按60℃；热泵机组采用直热式，带循环加热功能；设计日热水用量21.3m³。3.4.2设计工况室外温度的确定某地气象台站记录的部分气象数据：年平均温度：17.2°C；冬季室外计算空调的干球温度（历年平均不保证1天的日平均温度）：-3°C；累年的最冷月平均温度：5°C；极端最低温度：-11.3°C；由于-11.3℃是极端最低温度，以此做为最不利工况温度会使设备投资造价太大，且使用效率低；最冷月为一月，平均温度为5℃，则一月大约有一半时间是低于5℃，若以此作为设计工况温度，会导致冬季热水经常不够用。因此，室外最不利工况温度取-3℃比较合适。3.4.3热泵供热量的确定根据设计资料，公寓楼所需的热水总用量为21.3t，水温要求在60℃。Qg={[mqrC(tr-t1)pr]/T}CrQg为热泵设计小时供热量（kJ/h）;m为用水计算单位数（人数或床位数）；qr为热水用水定额[L/（人•d）或L/（床•d）]；tr为热水温度（℃），tr=60℃；C为水的比热[KJ/（kg•℃]，C=4.187KJ/（kg•℃）；t1为冷水温度（℃）;ρr为热水密度（kg/L）;T热泵设计工作时间（h）（《建筑给排水设计标准》为8~16h，此处取16h）;Cr为系统的热量损失系数，Qg={[mqrC(tr-t1)pr]/T}Cr={[120•177•4.187•(60-5)•0.983191]/16}×1.15=346625.90kJ/h=96.3KW3.4.4机组名义制热量qq=Qg/K1K2k1-设备的热水制热量修正系数k2-热泵机组冬季制热融霜修正系数最不利工况的温度为-3℃，根据设备生产厂家提供的资料，在此工况下，该设备的热水制热量修正系数K1为0.66。风冷热泵机组冬季制热融霜修正系数K2取0.8，则空气源热水机的铭牌制热功率为：q=96.3/（0.66•0.8）=182.4KW3.4.5空气源热泵系统循环水泵循环流量qxh=k•Qg/3600•C•pr•Δt=1.2•346625.9/3600•4.187•1•5=5.52L/S：3.4.6空气能机组循环管道设计由上述所计算的循环流量计算流速，管材拟采用不锈钢管，机组循环管道的管径拟选用DN80，此时流速为1.315m/s。管道保温采用厚度40㎜橡塑泡沫，保护层采用玻璃布复合铝箔，保温效果好，与建筑物集热器色调协调。4结论结合空气热泵机组系统与太阳能热水系统，兼顾了太阳能热水器的优势，同时还能确保系统全天工作，是一种适用于现代生活用水的供热方式。本文结合实际例，阐述了采用太阳能—空气源热泵联合供热系统的优越性。相对于传统的供热方式，可以有效地解决目前我国的能源电力短缺问题，同时降低大气中的氮、硫氧化物、碳等气体的排放量，符合绿色环保，低碳节能，循环经济的理念。Reference[1]《建筑给排水设计标准