太陽能水環(huán)熱泵供熱系統(tǒng)設(shè)計
2013-01-06
摘要:本文介紹了太陽能水環(huán)熱泵供熱系統(tǒng)設(shè)計。利用在中心屋頂上安裝的太陽能集熱系統(tǒng),冬季作為水環(huán)熱泵的熱源,其他三季進(jìn)行生活熱水供應(yīng),以達(dá)到全年綜合利用太陽能,并提高太陽能集熱系統(tǒng)在冬季運(yùn)行時的熱效率。
關(guān)鍵詞:太陽能 水環(huán)熱泵 供熱
1 概述
隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的不斷提高,我國正面臨著越來越大的能源壓力,特別是用于采暖、空調(diào)建筑能耗的增加,已成為我國不少城市缺電的誘因。地球上的化石燃料——煤、石油、天然氣等將逐漸開采枯竭,開發(fā)包括太陽能、風(fēng)能在內(nèi)的可再生能源利用的任務(wù)已十分迫切。所以,在提高太陽能熱利用應(yīng)用技術(shù)水平的同時,應(yīng)積極創(chuàng)造條件,將現(xiàn)有成熟技術(shù)在實際工程中推廣應(yīng)用,以積累經(jīng)驗,通過實踐進(jìn)行技術(shù)的改善、提高,起到樣板和示范作用。
凈雅集團(tuán)娛樂中心是集餐飲、洗浴、演藝綜合性服務(wù)的娛樂中心,其特點是熱水用量大,對全年室內(nèi)環(huán)境的舒適度要求高,用于采暖、空調(diào)和熱水供應(yīng)的耗能量大。為盡可能降低運(yùn)行費(fèi)用,減輕業(yè)主負(fù)擔(dān),我們提出了太陽能水環(huán)熱泵的供熱方案,利用太陽能進(jìn)行冬季采暖,春、夏、秋三季供應(yīng)生活熱水,作到全年綜合利用,并提高太陽能集熱系統(tǒng)在冬季的熱效率,得到了業(yè)主的認(rèn)可和采納,現(xiàn)已完成了初步設(shè)計。
2 太陽能集熱系統(tǒng)的設(shè)計
2.1太陽能集熱器總面積的確定
太陽能集熱系統(tǒng)能夠獲取的有效得熱量主要受兩個因素的影響,一是太陽能集熱器本身的熱性能質(zhì)量,二是安裝的太陽能集熱器總面積。在相同的太陽能資源和氣候條件下,為得到要求的得熱量,熱性能好的太陽能集熱器需要安裝的面積小,必須選擇高效集熱器,才能降低初投資,獲取的投資收益比。為適應(yīng)冬季采暖和三季供熱水的要求,太陽能集熱系統(tǒng)應(yīng)是閉式循環(huán)系統(tǒng),這就要求太陽能集熱器應(yīng)有較高的承壓能力。
因此,為保證太陽能集熱系統(tǒng)運(yùn)行的高效、安全和可靠,我們采用了清華陽光集團(tuán)生產(chǎn)的全玻璃真空管U型管式太陽能集熱器。其特點是在全玻璃真空管內(nèi)置入銅制U型管作為集熱介質(zhì)的通道,使集熱器的承壓能力提高至1.0Mpa。該太陽能集熱器在國際權(quán)威機(jī)構(gòu)瑞士Rapperswil太陽能檢測中心進(jìn)行的熱性能測試結(jié)果,為確定太陽能集熱器的面積提供了依據(jù)。
全玻璃真空管U型管式太陽能集熱器的瞬時集熱效率方程為:
η=0.5608-0.92(Tm-Ta)/G–0.010(Tm-Ta)2/G
G——太陽輻照度
Tm——太陽集熱器平均水溫
Ta——環(huán)境溫度
用該瞬時集熱效率方程和北京地區(qū)20年的氣象統(tǒng)計資料,我們分別按冬季運(yùn)行和夏季運(yùn)行的兩個工況,逐時計算了冬夏兩季在極端條件(1月、7月逐時總輻照度情況)和一般條件(1月、7月逐時平均總輻照度情況)下太陽能集熱器的集熱效率,以及單位面積的累計日得熱量,即單位面積太陽能集熱器的日產(chǎn)熱水量。對所得結(jié)果進(jìn)行綜合分析,并參照太陽熱水器企業(yè)過去的工程經(jīng)驗,按照大小時熱水用水量,確定基本符合用水量要求的太陽能集熱器總面積。
確定太陽能集熱器面積更為準(zhǔn)確的方法,應(yīng)在對太陽能熱水系統(tǒng)進(jìn)行熱性能檢測,得出了日熱性能檢測結(jié)果的基礎(chǔ)上,再使用標(biāo)準(zhǔn)年的逐日太陽輻照量和平均環(huán)境溫度,計算得出全年的單位面積逐日太陽能得熱量,即年逐日單位面積太陽能產(chǎn)熱水量??照{(diào)所負(fù)責(zé)的“十五”國家科技攻關(guān)課題將開發(fā)可進(jìn)行太陽能熱水系統(tǒng)全年熱性能預(yù)測的計算軟件,課題于2004年底完成后,將為太陽能集熱系統(tǒng)的設(shè)計提供方便的計算工具。
2.2太陽能集熱系統(tǒng)設(shè)計
本工程太陽能集熱系統(tǒng)所產(chǎn)生的太陽熱水,在冬季作為水環(huán)熱泵的熱源用于采暖,在春、夏、秋三季則用于生活熱水供應(yīng)。這樣既可達(dá)到全年綜合利用太陽能的目的,又可因為水環(huán)熱泵所需的一次水溫度較低,而提高太陽能集熱系統(tǒng)在冬季運(yùn)行時的熱效率。
根據(jù)建筑物條件,太陽能集熱系統(tǒng)由兩個分系統(tǒng)組成,太陽能集熱器面積分別為160m2和260m2,總面積420m2。一般為全年熱水供應(yīng)使用的太陽集熱器傾角應(yīng)等于當(dāng)?shù)鼐暥龋本┚暥仁?0度,但本工程為更加有利于冬季集熱,將安裝傾角加大至45度;冬季的太陽高度角低,集熱器安裝傾角加大,則集熱器表面太陽直射輻射的入射角減小,對應(yīng)的太陽輻照量增加。按夏季工況確定太陽貯熱水箱的容積,每一分系統(tǒng)的貯熱水箱容積為15m3,總?cè)莘e30m3。
太陽能集熱器的運(yùn)行介質(zhì)為防凍液,以解決冬季的防凍問題。因此,采用間接加熱閉式系統(tǒng),集熱介質(zhì)通過板式換熱器加熱貯熱水箱中的用水,系統(tǒng)回水管路上循環(huán)泵前設(shè)定壓膨脹罐。
圖1:太陽能集熱系統(tǒng)原理圖
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太陽能熱水箱是太陽能集熱系統(tǒng)和太陽熱水供水系統(tǒng)的相接點。每一太陽能集熱分系統(tǒng)設(shè)2臺太陽集熱循環(huán)泵,一用一備,共4臺太陽集熱循環(huán)泵;太陽熱水供水系統(tǒng)設(shè)2臺太陽熱水供水泵,一用一備。
在太陽熱水供水系統(tǒng)環(huán)路上設(shè)置了2個手動截止閥進(jìn)行冬季和其他三季的供水功能切換,閥1在冬季開啟,其他三季關(guān)閉,太陽熱水供給水環(huán)熱泵環(huán)路;閥2在冬季關(guān)閉,其他三季開啟,太陽熱水供給生活熱水環(huán)路。從而實現(xiàn)太陽熱水在冬季供應(yīng)生活熱水,在其他三季作為水環(huán)熱泵一次熱水熱源的功能變換。
本工程生活熱水供應(yīng)和冬季采暖的常規(guī)熱源為燃?xì)忮仩t,生活熱水系統(tǒng)采用容積式換熱器換熱,采暖系統(tǒng)則采用板式換熱器。為利用太陽得熱量,春、夏、秋三季太陽熱水是容積式換熱器的給水,只在冬季改為由自來水給水。因此,在容積式換熱器的給水管路上同樣設(shè)置了2個手動截止閥進(jìn)行冬季和其他三季的供水功能切換,閥1在冬季開啟,其他三季關(guān)閉,由自來水向容積式換熱器給水;閥2在冬季關(guān)閉,其他三季開啟,則由太陽熱水向容積式換熱器給水。
由于娛樂中心的生活熱水使用量隨客流量的大小有較大變化,為防止長期用水量小而造成太陽能集熱系統(tǒng)水溫過高,甚至發(fā)生汽化的現(xiàn)象,在系統(tǒng)的每排集熱器管路上均設(shè)置自動放氣閥,以保證系統(tǒng)的運(yùn)行安全。為防止熱水在板式換熱器內(nèi)產(chǎn)生結(jié)垢,每個板式換熱器的進(jìn)口管路上都需加裝電子除垢儀。
為充分挖掘節(jié)能效益,選用的燃?xì)忮仩t應(yīng)有良好的自控功能,可根據(jù)容積式換熱器和板式換熱器太陽熱水供水溫度的變化自動調(diào)節(jié)鍋爐的供熱出力,真正起到節(jié)能效果。
上海帕特泵業(yè)制造有限公司
2013年01月06日 星期日
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