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1、 太鞠瓣=l=程 s。一阳能热泵系统示范工程设计 山东省科学院能源研究所丁丽丽李光元王蕾徐美容 一、引言 随着经济发展和人民生活水平的提 高，我国面临着日益艰巨的能源压力，越来 越多的住宅、宾馆、游泳池等开始采用太阳 能作为中央热水系统的主要能源。这些场 所一般要求24小时供应高品质热水，间 断性的太阳能难以解决全天候供热，太阳 能一热泵系统以空气源热泵机组作为太阳 能辅助热源，可提高太阳能集热系统在冬 季的热效率。 本文以济南某工程为例，介绍了太阳 能热泵热水系统的工作原理(如图1所示) 及组成部分的设计要求。由于本系统采用 低温空气源热泵机组和太阳能集热系统结 合，最大限度地利用太阳能，以
2、解决阴雨天 气及冬季环境温度较低导致太阳能资源不 足时保热水供应。为太阳能大面积推广应 用积累经验，通过实践进行技术的改善、提 高、起到样板和示范作用。 二、太阳能热泵系统组成及 工作原理 太阳能一热泵中央热水系统的主要组 成部分为太阳能集热器和太阳能辅助加热 空气源热泵机组，其他辅助设备与常规的 中央热水系统相同，包括太阳能循环泵、热 56新闻热线(01 o)6863 5203 63 用阀 麟羽 水加热循环泵、换热器、冷水箱、蓄热水箱、 管路、泵、阀等设备组成的闭路循环系统。 空气源热泵热水器辅助工作原理为定 时补水+24小时加热。 定时补水：一天设置2个补水时间段， 2个水位设定。到达补水
3、时间，水位达不到 设定值，空气源热泵热水器开启，向空气源 热泵热水器蓄热水箱中补水，通过热泵热 水器蓄热水箱向蓄热水箱补水，补至设定 水位结束。 蓄热水箱换热：如蓄热水箱水温不足， 则开启热泵机组，加热热泵蓄热水箱中的 水，通过循环泵将蓄热水箱与热泵水箱换 热，从而提升蓄热水箱水温。 三、太阳能系统设计及主要 技术参数 1系统日用水量的确定 根据用户提供的洗浴人数及热水供应 系统的日耗热量、热水量计算公式得出日 用热水量为3计算公式如(1)、(2)。 等 (2】 2系统集热器选型与运行方式确定 根据济南市当地太阳能资源、气候条 件及屋面的造型选用横排联箱。系统运行 方式为定温直流+温差循环的运
4、行方式， 并且提供与热泵接口为热泵提供预热水。 太阳能集热器的方位为正南。 3系统集热面积的确定 太阳能集热系统获取有效热量主要 受两个因素的影响，一是太阳能集热器本 身的热性能质量，二是安装的太阳能集热 器总面积。 根据济南市当地情况(冷水温度15 摄氏度，日太阳辐射量17焦平 方米，太阳能年保证率60，集热器年平 均集热效率04，热损率O2)，由公式(3) 计算出30吨60摄氏度热水量所需系统 总集热面积为22平方米，可使用山 东桑乐太阳能有限公司的横排联箱72 组，4组串联，东西向18排。 A = (3) 式中： 直接系统集热器采光面积，m ： p 日均用水量，水的定压比热容，)； t
5、一储水箱内水的设计温度，； ； f太阳能保证率，：根据系统使 用周期内的太阳辐照，系统经济性及用户 要求等因素综合考虑后确定； 辐照量，kJm ： 集热器平均集热效率，根据 经验取值，具体取值应根据集热器产品的 实际检测结果而定； 蓄热水箱及管路的热损失率， 根据经验取值。 4太阳能蓄热水箱的确定 储热水箱的容量水膨胀量环回流水量因素确定。 本工程热水容量为30吨，热水膨胀 量为15吨，回水流量35吨，计算出本工 程太阳能需热水箱的容积为35吨。 5系统防垢 水质问题导致水垢锈垢产生，引起太 阳能系统一系列故障发生： 1)水吸热量下降。真空管中由于侧面 水垢的阻隔，使水的吸热量不足，水的温度
6、难以升高。 2)系统传感器失灵。由于探头被水垢 包裹，难以检测到水温和水位的信号，易造 成误操作。 3)管道内径变细。由于管道内结的水 垢阻挡，使水流不畅。 4)管道泵、阀垢死，不能正常工作。 本系统采用山东桑乐太阳能有限公司 的工程防垢器，如图2所示。此防垢除垢采 用纳米晶体中的有效成分以络合、螯合的 形式稳定住水中以及水垢中的钙、镁离子， 有效防垢并且除垢：纳米晶体作用于金属 表面，形成一层动态保护膜，有效防腐并对 铁锈有一定的分散去除作用；安装简单、使 用维护方便。根据水质不同，每罐纳米晶体 的使用寿命为一年半左右，可定期为设备 添料，达到良好的使用效果。 器 图2防垢器示意图 6蓄热水
7、箱电加热 根据空气源热水器的工作原理，冷媒 在吸热器内的蒸发温度为零下20摄氏 度，按理论计算，只要环境温度高于一20 摄氏度，冷媒都可以吸热，但由于温度过低 时，会在吸热器上结霜而封堵空气通道，虽 然热水器设计有除霜功能，但当环境温度 低于一6摄氏度时，需要一定的热能去化 霜，这样就会降低采热的效能0的时间，所以在一6摄氏度天气时间比 较长的地区，在水箱中设置电加热，在特殊 的天气用电加热采热水。 根据计算公式：Q=M T=M 不考虑热量损耗，可以得出：1吨水 箱一般配10千瓦电加热器，每小时可升 温86摄氏度：考虑热量损耗可升温78 摄氏度，具体看保温和散热情况。此工程 蓄热水箱为30吨，
8、选用电加热功率为80 千瓦，蓄热水温从35摄氏度升到45摄氏 度需5小时。 四、空气源热泵系统设计 1空气源热泵工作原理 热泵技术是一种节能制冷供热技术。 热泵循环与制冷循环本质上都是逆向循 环，实际上就是一个反向使用的制冷机，其 热能大部分来自周围低温环境介质，只有 一部分由机械能转变而成，以花费少量机 械功作为代价，将低温环境的热能转移到 较高的环境中。其原理如图3所示。 在夏季制冷工况下，室内机换热器为 蒸发器，室外机换热器为冷凝器。在冬季工 况下，室内机换热器为冷凝器，室外机换热 器为蒸发器。其工作原理为制冷剂在蒸发 订阅本刊请拨：(010)88681843转8027 57 ：j 太阳
9、 裁工程 i 外换热器 及风机 夏季工况 图3热泵工作原理 器吸收热量，经压缩机转换为高温高压的 制冷剂气体，在冷凝器中放热，转换为低温 高压制冷剂气体，经节流阀(毛细管、电子 膨胀阀)节流，恢复为常温常压制冷剂工 质，回到蒸发器，完成整个循环。 空气源热泵热水器利用热泵技术的制 热工况，将换热器置于水箱中作为冷凝器， 选用冷凝温度高的制冷剂工质或者采用电 子控制解决压缩机热保护，从而达到制取 高温热水的目的。 长期以来热泵主要应用于建筑物的采 暖空调领域。因热泵制热在节能降耗及环 保方面的良好表现，中央热水供应系统也越 来越多地采用热泵设备作为热源。以室外空 气为热源的空气源热泵系统，结构简
10、单，不 需要专用机房，安装使用方便，在中央热水 供应方面具有不可替代的优势。但空气源 热泵的一个主要缺点是供热能力和供热性 能系数随着室外气温的降低而降低，所以 它的使用受到环境温度的限制，一般适用 于最低温度一12空气源热泵机组选型 热泵制热量计算 当热泵热水器的额定输入功率P( 环境温度变化时其实际制热量： Q=)( )4) 式中： P输入功率： P=Q5) 室外挽热器 及风机 冬季工况 0名义制热量，6P：T)= (r，)，5) 实际供热量与名义供热量之比： 罟= P 25 = 5们)(6) )一 () 选择热泵热水器的名义制热量： Q= Q 600h ( ) 式中： W一天平均用水量，
11、C水的比热，kg t 热水设定温度，； 进热泵热水器冷水温度，； 热损失系数，根据管网不同的布 置形式以及水管所处位置在01 502O： (QQ) (Q Q)以月为单位的 平均值的最小值i h热泵运行小时数。 根据实际需求量及经验，选用额定输 入功率为75千瓦，型号为泵机组3台共同制取热水。此工程蓄热 水箱为3用此热泵系统，蓄热水温 从35摄氏度升到45撮氏度需4小时。 五、控制系统设计 其工作原理采用定温真流+温差 循环+管道变频恒压供水循环的工作方 式运行。 定温直流方式：集热器中水温达到设 58新闻热线：(863 5203 63 温度，启动补水电磁阀与循环泵，通过自 来水将集热器中热水推
12、向蓄热水箱。 温差循环：水箱水达到设定水位，系统 进入温差循环状态。当集热器水温高于水箱 水温时，电磁阀2与温差循环泵启动，直至集 热器温度与水箱温度相差2摄氏度停止。 管道变频恒压供水：供水采用变频一 拖二轮换模式稳定供水压力，节约电能。 采暖控制：冬季运行。当太阳能蓄热水 箱的水温低于30摄氏度时，供水泵停：当 太阳能蓄热水箱的水温达到35摄氏度 时，供水泵重新启动，从而保证采暖回水通 过热交换器始终获取热量。 防冻：排空防冻与电伴热带防冻相结 合。冬季达到设定时间，太阳能集热器中的 水不再升温，排空电磁阀自动打开，集热器 系统中的存水排到太阳能蓄热水箱中；达 到设定时间且集热器升温，排空
13、电磁阀关 闭，温差循环泵开启5分钟，使真空管集热 器及管道充满水：当管道温度低于4摄氏 度，电伴热带启动，加热系统上下水管道及 供水循环管道温度，当管道温度达到14摄 氏度时，电伴热带停止工作。 本系统采用触摸屏显示控制方案。三种操作模式确 保系统连续运行：一是全自动运行模式；二 是半自动运行模式；三是全手动运行模式。 正常情况下，系统全自动运行；当传感器等 输入部件出现故障后，可转入半自动(手 动)模式；当 通过控制柜面板的手动开关进入全手动控 制运行，确保热水连续供应。 六、结语 至今，本系统已运行一年多，通过对各 个分系统的检测来看，各项指标均达到设 计要求。据不完全测算，整个系统每年可节 约标准煤360吨。圜 (责编：侯艳丽) 参考文献 1 郑瑞澄民用建筑太阳能热水系统工程技 术手册北京化学工业出版社。2003 2罗运俊太阳能热水器原理、制造与施工 北京化学工业出版社，2005 3陈耀宗建筑给水排水设计手册中国建筑 工业出版社，1992 com
