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1、114 暖通空调 HV 空气源热泵机组容量的确 定无统一依据 贮热水箱和恒温水箱容积的确定不 合理 系统流程不合理 不能满足使用要求 不优先 使用太阳能 控制系统不普及且功能简单 管理不方 便 以上 5 个问题造成的后果是投资大 系统的热 水量不保证 热水温度不稳定 系统不节能和系统操 作与管理不方便 笔者针对调查发现的问题进行研究 提出保持 系统热水量和热水温度稳定以及合理确定贮热水 箱和恒温水箱容量的方法 1 太阳能集热器的配置 太阳能集热器面积与日用热水量 冬季平均水 温 贮热水箱内热水的温度 太阳辐射照度 太阳能 保证率 集热器效率和系统效率等因素有关 1 1 直接加热系统集热器总面积
2、的计算方法 Fj1 G rdc t2 t1 f J 1 1 2 1 式中 Fj1为集热器总面积 m2 Grd为日最大用热 水量 kg c 为水的比热容 c 4 187 kJ kg t1为水的初始温度 t2为贮热水箱内水的设计 温度 J 为当地集热器采光面上的年平均太阳 辐照量 kJ m2 f 为太阳能保证率 1为集热器的 陈仕泉 男 1954 年 11 月生 大学 教授级高级工程师 副 总工程师 350005 福建省福州市广达路 141 号恒宇大厦 4楼 0 13905906173 E mail csq7533 sina com 收稿日期 2011 03 03 2011 8 陈仕泉 等 太阳能
3、空气源热泵集成热水系统115 年平均集热效率 取产品实测数据 2为贮热水箱 和管道的热损失率 取 0 15 0 3 1 2 间接加热系统集热器总面积的计算方法 Fj2 Fj11 F RULFj1 UhxAhx 2 式中 Fj2为间接加热系统集热器总面积 m2 FRUL为集热器总热损失系数 W m 2 取实 测数据 Uhx为换热器传热系数 W m 2 Ahx 为换热器换热面积 m 2 1 3 福建省各地市太阳辐照量 J 值及年太阳能 保证率 f 值 见表 1 表 1 太阳辐照量 J 值及年太阳能保证率f 值 宁德南平三明福州莆田龙岩泉州厦门漳州 J G m2 4 254 414 504 504
4、605 005 005 254 50 f 373940424448505146 2 空气源热泵热水机组容量的配置 从式 1 可以看出 太阳能集热器只生产部 分热水量 空气源热泵机组应辅助生产另一部分 热水量 即日用热水量的比例为 1 f 这只说 明全年晴天时空气源热泵机组每天应生产的热 水量 全年中还有很多的阴天和雨天 而且有连 续多日的雨天 此时并无日辐照量 此时 按晴 天时空气热源热泵机组生产的热水量比例 1 f 不能满足使用要求 也就是说 当连续无太阳 辐照量时 建筑内部的日热水用量全部由空气源 热泵机组来负责生产 2 1 空气源热泵热水机组的日加热量计算公式 Qk Grdc t 2 t
5、 1 3 式中 Qk为热泵热水机组的日需加热量 kJ Grd 为日最大热水用量 kg t 1为热泵机组的进水温 度 t 2为热泵机组的出水温度 空气源热泵热水机组的日加热量也可用下式 表示 NR Qk 4 187 860 4 式中 NR为空气源热泵热水机组日加热量 kW 2 2 空气源热泵热水机组小时加热容量的确定 当空气源热泵热水机组的日加热总容量确定 以后 以空气源热泵热水机组的日运行时间来确定 小时加热容量 一般来说 为了延长空气源热泵热 水机组使用寿命 又能使热水机组获得较高的效 率 每天的运行时间最好为 10 h 不超过 13 h 由 此可知 空气源热泵热水机组的小时加热容量有多 种
6、选择 选择不同的日运行时间 小时加热容量就 不同 运行时间短 小时加热容量就大 运行时间 长 小时加热容量就小 热泵热水机组小时加热容 量的确定 取决于初投资 调节范围和使用寿命三 者之间的关系 对于多层和小高层居住建筑 当屋面不够放置 太阳能集热器时 可以通过调整空气源热泵热水机 组的容量来满足使用要求 3 贮热水箱和恒温水箱容积的确定 在建筑与太阳能热水一体化工程项目中 建筑 物内部对热水的使用时间分早 中 晚 3 个时间段 和 24 h 连续供应热水 两种热水供应方式对贮热 水箱或恒温水箱的配置要求不同 管道系统也不 同 一般而言 在太阳能加空气源热泵热水系统 中 仅设置贮热水箱的热水系
7、统只能满足分时段供 应热水 而不能满足 24 h 连续供应热水的要求 要求连续供应热水时 系统中应设置 1 个贮热 水箱和 1 个恒温水箱 2 个以上串联的算 1 个 分析可知 贮热水箱和恒温水箱的设置及其容积与 每天建筑物内热水的使用量和使用时间有关系 如何找到两者之间的关系 合理确定贮热水箱和恒 温水箱的容积 以免造成不必要的浪费 不以日最 大热水用量作为贮热水箱的容积 和热水系统的不 稳定性 是太阳能热水系统设计的重要方面 3 1 贮热水箱容积 分时段供应热水和 24 h 连续供应热水两种方 式中贮热水箱容积的确定是不同的 3 1 1 分时段供应热水系统贮热水箱容积 对于定温加热和温差加
8、热两种方式 贮热水箱 容积的确定是相同的 分析图 1 2 可知 不论是定温加热还是温差加 热 从晴天 阴天到雨天 集热器或空气源热泵机组 上午或者下午生产热水的时间均为 5 h 而且早 中 晚有 3 个间隔使用热水的时间 但这 3 个时间 段使用热水的时间又不同 一般为 1 3 h 因此 贮热水箱的容积要保证 早 中 晚最长时间段的用 热水量 集热器晴天时连续 5 h 生产热水量的和 116 暖通空调 HV n 为早 中 晚 使用热水的最长时间 h Grn为设计最大小时热水 量 kg h 5Gjn为集热器 5 h 生产热水量之和 kg nGrn一般作为贮热水箱的最低水位 这样 热水系 统的热水
9、量就有保证 3 1 2 连续供应热水系统贮热水箱容积的确定 如图 3 所示 该系统中贮热水箱是一个定量加 热的容器 以晴天为例 是在一定的时间内将贮热 水箱内的水加热到使用要求的温度 然后将其放到 恒温水箱储存起来待用 分析其生产热水的流程 图 3 不间断连续供热水系统 集热器每天要生产的热水量是通过贮热水箱分几 次 由设计者确定 可以是 1 h 1 也可以 0 5 h 1 视系统情况而定 来完成加热 由此可得到下式 VZ1 G j N 6 式中 VZ1为连续供应热水系统的贮热水箱贮水 量 kg Gj为集热器日生产热水量 kg N 为集热器 日生产热水量设计时加热的次数 由设计者定 对于福建省
10、来讲 冬季太阳辐照的时间为 10 5 h 所以 N 的最大值为 10 N 取大值时 贮 热水箱的水从 15 加热到 55 的时间较短 恒 温水箱可以很快得到热水的补充 不会造成恒温 水箱经常处于低水位需补冷水而启动空气源热 泵机组造成不必要的浪费 N 的取值应结合实际 项目而定 实际上 每天 08 00 集热器贮热水箱内的水第 一次从 15 加热到 55 需要的时间要长一些 因为 早上第一次加热时集热器内的水容量且水温 较低 集热器的水容量可以从技术样本求得 3 2 连续供应热水系统恒温水箱容积的确定 恒温水箱的功能是储存热水 调节热水量和热 水温度 连续供应热水系统的特点是 一天中 生 产热
11、水和使用热水同时进行 因此恒温水箱中的水 位不断变化 不论恒温水箱内的水位如何变化 它 都要满足 3 个热水用量高峰中最长时间段热水用 量的要求 根据以上分析 恒温水箱的容积可以用 下式表示 Vc nG rd g 7 式中 Vc为恒温水箱贮水量 kg G rd为设计最大 小时热水量 kg h g n1 gj gf 其中 n1为非 高峰时段的时间 h gj为集热器平均小时产热水 量 kg h gf为非高峰时间段平均每小时用热水 量 kg h g 为正值时 恒温水箱的水位上升 g 为负值时 恒温水箱的水位下降 一般来说 把 nG rd作为恒温水箱的最低水位来 控制 确保热水系统的安全 式 5 和式
12、 7 求得的贮热水箱和恒温水箱的 容积约为日用热水量的 60 70 既省投资又 省空间 4 不同类型的太阳能热水系统 4 1 别墅型太阳能热水系统 见图 4 别墅型太阳能热水系统由太阳能集热器 保温 2011 8 陈仕泉 等 太阳能空气源热泵集成热水系统117 图 4 别墅型太阳能热水系统 水箱 内设电加热器 水位和水温控制器 循环泵 和智能控制器以及管道系统组成 系统的定温加热方式 晴天 在太阳照射下 集 热器内的水温逐渐升高 当水温 t1达到 55 t1 可由用户自行设定 时 智能控制器开启自来水管 路上的电磁阀 D1 依靠自来水 或高位水箱 的压 力将集热器中的热水压入保温水箱内储存待用
13、 当 t1 45 时 D1 关闭 集热器继续加热 闷晒 依次重复 直到生产足够量热水为止 阴雨天太阳辐射照度弱时 可通过智能控制器 开启 D1 向保温水箱注冷水 注水量可由用户根据 实际情况而定 保温水箱的水位可视 由电加热器 加热至 55 当保温水箱内的水温 t2低于 45 t2可由用 户自行设定 时 智能控制器开启电加热器进行加 热 水温达 55 时电加热器停止工作 用户在使用热水前由智能控制器开启循环泵 以免浪费冷水 用户可以选择更安全 效率更高的空气源热泵 热水机组 效率比电加热高 4 倍 作为辅助加热设 备 但初投资比电加热器略高 4 2 分时段供应热水系统 分时段供应热水系统按太阳
14、能集热器的加热 方式可分定温加热和温差加热两种生产热水的方 式 4 2 1 分时段定温加热热水系统 见图 1 系统由太阳能集热器 贮热水箱 空气源热泵 机组 增压泵和管道系统组成 4 2 1 1 系统的工作原理 1 集热器生产热水的方式 晴天 如图 1 所示 08 00 开启自来水管路上 的电磁阀 D1 向集热器内注满冷水开始加热 闷 晒 当集热器内的水温 t2达到 55 设定值 时 由控制装置打开集热器管路中的电动阀 D2 增压 泵 B1 启动将集热器内 55 的热水送入贮热水 箱 当 t2 45 时 D2 关闭 B1 停止工作 集热器 内的冷水继续加热 闷晒 依次重复到 17 30 无太
15、阳辐射为止 在以上过程中 贮热水箱内的水位从 低到高变化 中午和晚上用热水时间段前贮热水箱 的水位最高 当贮热水箱内的水温 t3 50 时 开启空气源热泵机组进行加热保持水温 阴雨天 集热器生产热水的方式与晴天时相 同 但由于阴雨天太阳辐射比晴天弱 因此 集热器 加热的时间相对较长 当集热器内的水温长时间 大于控制设定值 还未达到 55 时 空气源热泵 机组就得投入工作 雨天 雨天或连续雨天无太阳辐照量时 集热 器就失去生产热水的能力 这时 空气源热泵热水 机组就得承担全部的热水量 2 空气源热泵机组生产热水的方式 空气源热泵机组名义上作辅助加热的热源 实 际上它每天所承担的生产热水的量与集热
16、器生产 的热水量几乎是相同的 晴天 07 00 08 00 和 11 30 13 00 用热水 时间段过后 贮热水箱的水位低于最低水位时 就 得向贮热水箱注入冷水 空气源热泵投入工作 边 注冷水边加热 当水位达到最低水位限值时停止注 水 但空气源热泵机组继续加热 直至水温达到 55 为止 晚上用热水时间段过后保持贮热水箱的 最低保证水位和水温即可 阴雨天 长时间集热器内的水温达不到 55 时 空气源热泵机组投入工作 工作时间比晴天长 阴雨天时还有一种节能的生产热水的方法 将 t2 调低至 40 45 进入贮热水箱 再经空气源热泵 机组进行加热 这样既提高了集热器的效率 又提 高了空气源热泵机组的效率 雨天 雨天或连续雨天无太阳辐照时 前一天 晚上提前生产第二天早上需要的热水 08 00 后生 产中午需要的热水 13 00 后再生产晚上需要的热 水 分析集热器和空气源热泵机组生产热水的过 程 晴天 阴天 雨天 可知 在 3 个用热水时间段内 贮热水箱的水位可能出现低于最低保证水位 b 的情况 此时因为正在使用热水 不能向贮热水箱 内注冷水 一定要到使用热水时间结束 或到最低 118 暖通
