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太阳能热泵系统示范工程设计

太阳能热泵系统示范工程设计 空气能热泵

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。

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。

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30吨,其计算公式如(1)(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17×103千焦/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02),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Ac=622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。

式中

A。—直接系统集热器采光面积,m2

Q.日均用水量,kg

C水的定压比热容,kJkg℃)

ta—储水箱内水的设计温度,℃

t—水的初始温度,℃

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;

J—当地集热器采光的年平均日太阳辐照量,kJm2;

a—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;

η——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Ⅴ应根据其蓄热容量VX热水膨胀量VP循环回流水量ⅦH等因素确定。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,可定期为设备好的使用

6.蓄热水箱电加热

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-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-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和加长采热水的时间,所以在-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=Pt=CM△T,

△T=Pt/CM

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7~8摄氏度,具体看保温和散热情况。此工程蓄热水箱为30吨,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。

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-10摄氏度以上的地区。

2.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PkW),环境温度变化时其实际制热量:

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LPRB75D600A热泵机组3台共同制取热水。此工程蓄热水箱为30吨,选用此热泵系统,蓄热水温

从35摄氏度升到45摄氏度需4小时。

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定温度,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。系统采用PLC设计可编程控制器和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;当传感器输入部件出现故障后,可转入半自动(手动模式;当門C控制模块出现故障后,可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。