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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

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

太阳能的能流密度低 , 输出的能量很容易受气候 、季节 、环境和场地等问题的影响 , 单一的太阳热水器集中供热水 系统不能满足宾馆连续洗浴热水的需求 , 因此 , 采用空气源热泵辅助太阳热水器的集中供热水 系统 , 是解决单一的太阳热水器集中供热水系统受上述问题影响的较好途径 。热泵在国外已有多年的研究和应用 ,但国内采用太阳热水器与空气源热泵两种技术结合应用的时间不长 , 有关系统的工程设计 、自动控制和维修方面的报道也不多见 。笔者对宾馆用太阳热水器与空气源热泵辅助加热集中供洗浴热水系统的运行 、控制进行了研究 ,并在昆明某宾馆楼顶上安装 了一套集中供热水 系统 , 经过一段时间运行 , 取得较好的结果 。

系统概述

昆明某宾馆是一家三星级宾馆 , 楼高 层 , 有2人住的标准间客房 125套 , 客满时为250 人 。宾馆楼顶的冷水池容积为20m³ ,  原先使用240 台 、320升14.4千瓦的电热水器 , 通过6 串 4并联对冷水加热后供各标准间客房洗浴热水 ,并采用人工手动 回水的操作方法保持供热水管道 内随时能提供客人洗浴用热水 。由于这套 系统每天提供洗浴热水的运 行成本较高 ,宾馆负责人提出是否能将这套系统与太阳热水器结合 ,组成一个太 阳热水器和 电辅助加热 集中供洗浴热水 系统 , 降低每天洗浴热水的运行成本 ,进一步提高宾馆的经济效益和竞争力 。对该宾馆每天使用热水量 、楼 顶面积 、周围环境 和坐 向实际测试后 , 认为该宾馆每天需要消耗 30t左右的洗浴用热水,而该楼顶最多能够安装160m2平板型太阳集热器,在晴天时每天能够提供45-60℃热水12左右,还差18左右的热水需要用其他能源辅助加热考虑到电辅助加热安全性和节能的实际情况,提出了太阳热水器与空气源热泵辅助加热集中供洗浴热水系统方案

设计方法

1确定宾馆洗浴热水负荷

宾馆洗浴益水负荷是指宾馆每天住客率100%时需要提供的洗浴用热水量。宾馆洗浴热水负荷是太阳能光热工程设计屮首先要确定的一个参数,也是设计太阳热水器系统规模大小的最主要依据。宾馆内现有标间数或床位数,是确定宾馆洗浴用热水负荷的一个因数。根据国家颁布《建筑给水排水设计规范》中关于旅馆业卫生用器具标准规定带有淋浴器的溶盆用水标准:每个旅客每天能使用40℃热水150kg,宾馆洗浴热水负荷为客满时入住旅客数250乘以150kg,即宾馆每天需要洗浴热水量37.5t除采用国家标准设计宾馆一天洗浴热水负荷外,还应该考虑宾馆近几年的实际人住率情况和实际检测结果对设计进行修正,例如近年来该宾馆每天的实际入住率不超过80%,即200人左右,则把宾馆每天需要洗浴热水量调整为30。

2确定平板型太阳集热器的面积

在太阳能热水器工程设计时,应从节能的角度出发优化设计,尽可能降低辅助加热设备的能耗经实地环境检测,该宾馆楼顶最多能够安装160m³平板型太阳集热器。依据昆明地区晴天每平方米平板型太阳集热器每天能够产45~60℃热水80kg的实测结果计算,则太阳集热器晴天每天最多能够提供12左右的洗浴热水,剩余18t左右洗浴热水需要空气源热泵来提供

3确定空气源热泵功率和连接方式

确定空气源热泵的总功率,除了要考虑该系统晴天时能提供的剩余洗浴热水量,还要保证阴天时能提供足够的洗浴热水。可根据当地的年平均气温和需要提供的洗浴热水量,以及配电房电源的功率容量来确定空气源热泵总功率大小,再从房顶的环境和是否方便吊装热泵的实际情况来选择热泵的单机功率。

具体设计为:昆明地区年平均气温15℃左右根据空气源热泵厂家提供的空气源热泵性能一览表(表1),按毎天工作16h计算日产水量,选择机型为5HP热泵6台,输入总功率约为222kW,在环境气温为15℃时,经过16h能产55℃洗浴热水31.2t(325L/h×l6hx6=31200L)。空气源热泵的功率大小、机型和台数确定后,需要设计空气源热泵与太阳热水器的连接方式。根据空气源热泵的性能,并经过多次应用实践,设计三台5HP的空气源热泵与一个15t的热水箱并联连接,组成一个空气源热泵辅助加热的子系统,共计两个子系统。

确定太阳热水器运行方式和平板型太阳集热器的连接方法

为了提高平板型大面积太阳热水器的运行效率,运行方式一般选择定温差强制循环方式。考虑到该工程的场地环境、太阳集热器运行效率以及宾馆的实际情况,将太阳热水器运行方式设计为定温差强制循环方式与自然循环方式相结合的模式,目的是将两种方式的优点结合在一起,提高运行效率。

太阳集热器使用80块平板型太阳全铝集热器每块集热器为2m2,共计160m2。太阳集热器面朝南成一组,共2组。即把80块太阳能集热器排成6排,每排间隔1.4m,平均布置在上循环管的左右两边,并在太阳集热器上循环管口安装一个高温传感器,在保温水箱底部安装一个低温传感器,在集热器下循环管的适当位置处安装一个水泵和一条旁管,使太阳热水器既能作自然循环方式运行,又能作定温差强制循环方式运行。

储热水箱的配置

160m2太阳能集热器配置一个10t的太阳能储热水箱,每三台5HP的空气源热泵配置一个1.5t的热水箱,共两个1.5t热水箱。根据宾馆的洗浴热水量,配置两个10t的洗浴用储热水箱,如图1所示。

控制系统

(1)太阳热水器定温差强制循环运行控制系统太阳热水器定温差强制循环运行控制系统主要由一台数字温差控制仪、两个测温探头、一台水泵等设备组成。通过实际测试比较,将温差设置为15~20℃之间加热效果较好。太阳集热器内的水温高于储热水箱内的水温15~20℃时,水泵开始启动,将太阳集热器内的热水抽入储热水箱;当太阳能集热器内的水温与储热水箱内的水温相等,即温差为0℃时,水泵停止抽水。如此反复强制循环,最后把储热水箱内的水加热

(2)太阳热水器定温放水运行控制系统

太阳热水器定温放水运行控制系统主要由一台带上下限数字温控仪、一个测温探头、一个电磁阀等设备组成。将测温探头放在10t储热水箱中部,如果测得储热水箱内的水温达到55℃,通过温度控制器控制电磁阀开启,55℃的水将直接放入洗浴用储热水箱内储存;如果储热水箱内的水温低于45℃温度控制器控制电磁阀关闭,45℃以下的水将流入1.5t热水箱继续加热,升温到60℃后再用水泵抽入洗浴用储热水箱内储存

(3)热泵控制系统

热泵控制系统由两个空气源热泵辅助加热控制子系统构成,毎一个热泵辅助加热控制子系统由一台时控仪、一台带上下限数字温控仪、一个测温探头、两台水位控制仪、两个水位探头、一个电磁阀和一台抽水机等设备组成。一台水位控制仪与电磁阀配合,负责自动控制1.5t热水箱的冷水进水量;另台水位控制仪与数字温控仪、时控仪和抽水机配合,负责自动控制15t热水箱的热水出水量。三台热泵通过冷水进水量的控制,每次只能把15t水加热到60℃,然后通过热水出水量的自动控制,把15、60℃的热水抽入洗浴用储热水箱内储存,如此反复工作加热每天需要的洗浴热水。空气源热泵每天工作时间的长短可由时控仪灵活控制

(4)供热水管的回水自动控制系统

为了保证用户打开水龙头随时能有热水流出必须给供热水管安装回水自动控制系统。供热水管的回水自动控制系统主要由一台时控仪、一台带上下限数字温控仪、一个测温探头和一台抽水机等设备组成。当供热水管末端水温低于预设值时,启动抽水机,把供热管内的水抽到冷水箱里,储热水箱内的热水就会随供热水管流到末端;当末端水温高于预设值时,关闭抽水机。如此不断循环工作,保证每天24h供热水管内的水都是热水。如果想节约能源,可以合理设置供热水管末端水温和调节时控仪的时段,保证该系统每天在重要的几个时段,供热水管内有热水。

系统运行效果

该系统于2004年9月设计建成,并投入使用。到12月底,发现环境温度低于15℃时会出现洗浴热水不够用的情况,及时增加了2台5HP空气源热泵,使系统在环境温度降低到10℃时还能达到设计要求。系统运行4年以来,各项性能稳定可靠,太阳集热器空气源热泵和控制电气设备均能正常运行,各个部件完好无损。无论是晴天还是阴雨天,该系统都能自动提供30t55℃热水,较好地满足了宾馆洗浴热水的需要,达到工程设计要求,用户比较满意。

结论

通过几年的运行说明 , 该太阳热水器与空气源热泵辅助加热集中供洗浴热水 系统 , 由于采用了先进的空气源热泵作为辅助提供热源的电气设备和简单可靠的电子全 自动控制系统 , 能够达到常年可靠运行的效果 , 并且具有使用安全 、操作方便 、运行费用和维护费用低的特点 。因此宾馆不需要设置很多专业管理维护人员 , 进一步降低运行成本 , 取得较好的经济效益 。