空气源热泵热水机组与太阳能热水系统的运用

空气源热泵热水机组与太阳能热水系统的运用　ＰＨＮＩＸ（芬尼克兹）集团苏率强　０引言　随着经济发展和科技进步，能源和环境成为当　今世界突出的两大社会问题。人类社会目前消费的　能源，包括建筑用能，主要是煤炭、石油和天然气等　石化能源。这些能源资源有限、不可再生，终究要枯　竭；而传统能源像煤、石油等会对环境造成严重的污　染。常规的太阳能中央热水系统一般采用燃油（气）　或电作为辅助加热能源，由于能源危机的影响，其必　将导致太阳能中央热水系统市场的发展受到制约，　体现在如下两点：　１）由于油（气）燃料价格的不断上涨，导致设　备运行费用不断升高，增加用户的经济负担。同时油　（气）燃烧设备通常存在环保、消防方面的制约，与　当今节能、环保的主题相违背。　２）用电作为辅助加热，费用较贵，用户普遍难　以接受。　将空气源热泵热水系统引入到太阳能中央热水　系统的应用，无疑解决了这一能源问题，并将两者的　优势同时发挥，实现了热水系统最节能、最合理的结　合运用。　太阳能系统与热泵系统既是相对独立又是联合　的系统。根据需要，它们既能分别单独满足、又能联　合满足使用要求。　太阳能与空气源热泵联合节能热水系统实现了　在充分利用太阳能的前提下，空气源热泵作为辅助　加热，使太阳能与空气源热泵优化组合，保证一年　３６５天每天都能产生足够的热水，其耗能远小于常规　太阳能热水系统的运行费用指标。　１工程概述　本工程为海口某国际大厦中央热水工程，根据　相关要求，总热水量：８４ｍ，／ｄ，每ｈ最大用水量１６ｔ。　在夏季阳光充足时，利用太阳能提供所需的热　水；在冬季和阴雨天气太阳能不足时，利用空气源热　泵热水机组来补充提供热水。这样不管春夏秋冬、白　天黑夜、下雨下雪，系统都可以源源不断地从空气中　吸收低品位热量用于制生活热水所需要的热量，保　证用水温度及用水量，最大程度节能。　２设计依据　１）　采暖通风与空气调节设计规范》（ＧＢ　５００１９　２００３）；　２）（（建筑给水排水设计规范　（ＧＢ　５００１　５—２００３）；　３）　给水排水制图标准））（ＧＢ／Ｔ　５０１０６—２００１）；　４）　建筑给排水及采暖工程施工质量验收规范　（ＧＢ　５０２４２—２００２）；　５）　建筑给排水设计手册》；　６）现场所勘探的相关资料；　７）芬尼克兹空气源热泵和太阳能综合应用相关　技术资料。　３设计参数　１）出水温度为５５℃；　２）气象资料：　①海口月平均气温（见表１）　垂！　旦旦垩塑　里　月份　１　２　３　４　５　６　７　８　９　１０　１１　１２　气温１７．２　１８．２　２１．６　２４．９　２７．４　２８．１　２８．４　２７．７　２６．８２４．８　２１．８　１８．７　②年平均气温２３．８℃；　３）自来水温：冬季１５℃，年平均水温２０￣Ｃ；　４）日用热水量：８４ｔ；　５）设高峰时段为晚上７：００～１ｌ：００，共４ｈ，热　水供应小时变化系数　值４．５４；　６）最大小时供热水量１５　０００　Ｌ／ｈ；　７）高峰时段的供热水量１５　０００×４＝６００００Ｌ；　８）燃料热值和价格：　①柴油６．７元，Ｌ，合７．８元／ｋｇ，热值１０　３００　Ｘ　０．８０＝８　２４０　ｋｃａｌ／ｋｇ：　②天然气３．３０元几，热值８　５００×０．８６＝７　２２５　ｋｃａｌ／ｋｇ；　③电价０．８０元／ｋＷｈ，热泵每ｋＷｈ的当量热值为　８６０　Ｘ　３．５＝３　０１０　ｋｃａｌ；　④电价０．８０元／ｋＷｈ，电锅炉每ｋＷｈ的当量热值　为８６０×０．９５＝８１７　ｋｃａｌ；　注：０．９５是考虑电锅炉本体热损失后的系数；０．８０　是燃油锅炉的热效率；０．８６是燃气锅炉的热效率。　４热水设备选型　４．１太阳能集热器选型　海口市太阳辐射量约为４　５００～５　８００ＭＪ／（ｍ２·ａ）。　设计理念：设计力求使太阳能与常规能源最佳　组合，充分利用太阳能，最大限度降低运行成本，从　而达到节约费用开支之目的，并在系统设计的先进　性、安全性、可靠性、耐久性等方面进行了综合考虑。　太阳能集热器与空气源热泵热水系统的安装使用有　较好的经济效益和社会效益，为该区在环保、节能、　服务档次等方面提供一套可靠的硬件设施。这一系　统设计使用寿命为ｌ５年以上。　系统设计：太阳能与空气源热泵热水工程主要　由集热器、空气源热泵、储热水箱、循环管道、自动　控制、阻垢除垢、恒温供水等七部分组成。　目前国内使用的太阳能集热器主要有平板集热　器、真空管集热器、热管集热器。平板集热器不防冻，　只能在春、夏、秋季使用；真空管集热器在一２５℃　条件下，仍可产生热水，可一年四季使用，是目前普　遍使用的产品；热管集热器可在一５０￣Ｃ条件下使用，　但其冷凝端（加热端）表面积仅是真空管的百分之　易结水垢，换热效果不如真空管，适合在北方高　寒地区使用。　１）热负荷。本热水系统需水量８４０００ｋｇ，Ｑ＝　８４　０００ｋｇ　（５５℃一１５℃）Ｘ　４．１８７＝１４０６０ＭＪ；　２）集热面积。太阳能热水系统的产水量与太阳　辐射强度和日照时间及集热器受光面积密切相关，　年四季变化很大。因此本方案按年平均辐射量进　行设计。据资料查得海南地区日平均太阳辐射量为　２３　ＭＪ／ｍ　，太阳能热水系统集热效率为６０％，则集　热面积为：Ａ＝１４　０６０　ＭＪ／（２３　ＭＪ／ｍ　×６０％）＝　１　０２０　ｉｎ。；但由于本场所屋顶面积受限制，摆放太阳　能的位置约有２２０　ｍ２，考虑到一定的安装倾斜角度　后，设计安装太阳能集热器按２４０　ｍ　计算，以２４０　１１１　的集热面积可以算出日产热水量为２４０　ｒｎ　ｘ（２３ＭＪ／　ｍ２　Ｘ　６０％）／【（５５℃一１５℃）Ｘ　４．１８７］＝１９　ｔ。　３）集热器安装铺放：按照顶层采光面积，各个　系统放置在屋顶指定位置，按单组并串联方式铺放，　每个系统组成一个集热器阵列，所产热水直接进入　储水箱备用。　４．２空气源热泵热水机组选型　选６台ＰＨＮＩｘ芬尼克兹空气源热泵热水机　ＰＡＳＨＷ　１　３０ＳＢ一２一Ｃ。为便于计算，一年按３６５天来算，　其中春秋季为ｌ８２　ｄ，夏天为９２　ｄ，极端低温天气为　１５　ｄ，冬天为７６　ｄ。机组设计每天运行时间最多不超　过２０　ｈ。各个季节的平均工况计算如下：　１）夏天（９２　ｄ）：平均气温为２９．１℃，水温为２０　℃。热泵ＰＡＳＨＷ１３０ＳＢ一２一Ｃ输入功率为１２．４　ｋＷ，输　出制热功率为５４ｋＷ，ＣＯＰ值为４．３。　机组每ｈ可制热水：５４×６×８６０×０．９５÷（５５—　２０）＝７　５６３　Ｌ（５５￣Ｃ）；　

机组日均工作时间：８４　０００÷７　５６３＝ｌｌ　ｈ。　符合设计要求。　２）春秋季（１８２　ｄ）：平均气温为２５．６Ｘ２，水温　为１７．５℃。热泵ＰＡＳＨＷ１３０ＳＢ一２一Ｃ输入功率为１１．８　ｋＷ，输出制热功率为４９ｋＷ，ＣＯＰ值为４．１。　每ｈ可制热水：４９×６　Ｘ　８６０　Ｘ　０．９５÷（５５一　ｌ７．５）＝６　４０５　Ｌ（５５℃）；　机组日均工作的时间：８４０００÷６４０５＝１３　ｈ。　符合设计要求。　３）冬天（９１　ｄ）：平均气温为１９．４＂Ｃ，水温为１５　℃。热泵ＰＡＳＨＷ１３０ＳＢ一２一Ｃ输入功率为１０．６　ｋＷ，输　出制热功率为４１．８　ｋＷ，ＣＯＰ值为３．９。　机组每ｈ可制热水：４１．８　Ｘ　６　Ｘ　８６０×０．９５÷（５５—　１５）＝５　１２１　Ｌ（５５￣Ｃ）；　机组日均工作时间：８４０００÷５　１２１＝１６．５　ｈ。　符合设计要求。　４）极端低温天气为１５　ｄ，平均气温为１４．６℃，水　温为１５￣Ｃ。热泵ＰＡＳＨＷ１３０ＳＢ一２一Ｃ输入功率为１０．４　ｋＷ，输出制热功率为３７．７　ｋＷ，ＣＯＰ值为３．６。　机组每ｈ可制热水：３７．７×６×８６０×０．９５÷（５５—　１５）＝４６２０Ｌ（５５￣Ｃ）；　机组日均工作时间：８４　０００÷４　６２０＝１８　ｈ。　符合设计要求。　５）储热水箱容积选择：该场所实行全日供水，高　峰时段为２　ｈ。　采用热泵ＰＡＳＨＷ１３０ＳＢ一２－Ｃ型机组６台，极端　低温天气工况下，２　ｈ内的产热水量为（３７．７×６×　２　Ｘ　８６０×０．９５）÷（５５—１５）＝９．２　ｔ。水箱有效容　积为８４—９．２＝７４．８　１ＴＩ　。　考虑留有一定余量，设计取水箱容积５个１５　１ＴＩ　。　综上所述：选用６台芬尼克兹空气源热泵热水机　ＰＡＳＨＷ１３０ＳＢ．２一Ｃ（Ｕ）能满足本场所热水的实际需　求量。按照全天候恒温５５℃供水要求，无论在任何　状态下，使恒温水箱的温度始终保持在５５℃，偏差　不超过±２℃。　６）水温水位显示：系统在储热水箱内设置了水　温水位探头，可以通过控制器随时观察到储热水箱　的水温和水位。　７）系统工作原理及运行方式　①太阳能温差循环系统：在光照条件下集热器　内水被加热升温。当集热器水温高于储水箱水温设　定值时，温差温控仪使循环水泵自动启动，将储水箱　内较低温度的水泵入集热器，同时将集热器内较高　温度的热水顶入水箱；当集热器中的水温与水箱水　温相同时，温差温控仪使循环水泵自动关闭。如此不　断循环，使水箱水温逐步升温。　②空气源热泵系统：空气源热泵热水系统是根　据逆卡诺循环原理，加热热水的能源来自于环境中　的空气热能，热泵机组中的压缩机工作仅用于搬运　热能，因此热泵机组是显著节能的热水设备。当阴雨　天或光照不足、太阳能使水箱水温温升不够洗澡温　度时，水箱感温元件检测水温启动空气源热泵热水　机组加热，当空气源热泵热水机组加热使水箱水温　达到设定值时，空气源热泵热水机组自动关闭。无论　在何种天气情况下，当到了规定时间洗澡时，水箱水　温都会达到需要的温度。　③太阳能与空气源热泵联合节能热水系统运彳亍：　系统采用自动温差控制循环加热，并根据太阳能热　水系统的运行情况、环境状况，结合空气源热泵的性　能特点来自动切换热泵机组的运行，最大限度地少　开机或者不开机，从而确保热水在不低于５０￣Ｃ的供　应下限前提下，为太阳能的充分利用提供保障，同时　为机组的节能利用和安全运行提供可靠的保证。　８）控制方案系统：　根据系统功能要求，特采用ＰＬＣ控制器控制系　统。所有电器元件均采用国内优质产品，实现自动化　智能操作，确保最佳经济运行，水温水位、进水出水、　循环系统、辅助加热等工作状态，直观可见，操作人　员一目了然，管理使用十分方便。每个系统安装控制　系统一套，同时具备手动强制启停功能，维修更方　便、功能更齐全。　５运行费用经济性分析　空气源热泵热水机组＋太阳能综合应用解决热　水方案综合利用热能技术，其热泵机组采用直热式　供水，循环恒温。真正做到在太阳能充足时利用太阳　能、在太阳能不足时利用空气源热泵提供热水，保证　了热水的供应，提高了能效综合利用效率。　本工程热水项目日用热水量８４ｔ，对以下３种常　用的热水系统方式：１）ＰＨＮＩＸ空气源热泵系统与太　阳能系统；２）燃气锅炉系统与太阳能系统；３）电锅　炉系统与太阳能系统计算其各个季度运行费用结果　如下（太阳能部分相同，不作比较）：　１）采用热泵热水机组的全年运行费用（主机电　费）为２７１　５５７元；　２）采用燃气锅炉全年运行费用为５２１　２２０元；　采用热泵系统机组比采用燃气锅炉可节省的电　费５２ｌ　２２０元一２７１　５５７元＝２４９　６６３元。　３）采用电辅助太阳能热水器全年运行费用为　５０６　２２０元。　采用热泵系统机组比采用电辅助太阳能热水器　可节省的电费５０６　２２０元一２７１　５５７元＝２３４　６６３元。　表２是这３种常规热水系统的技术经济比较，以　日产８４ｔ的５５℃热水计算，水温２０￣Ｃ。