太阳能与空气源热泵结合的热水工程概述

 工程概况

 

  某单位办公楼为含地下2层、地上5层的公用建筑。该楼设有按三星级宾馆的标准客房55间, 以及公共食堂, 要求设置集中供应55℃的生活热水系统。

 

  按每人日用热水量为150 L(按建筑给排水设计规范GB50015 -2003的表5.1.1 -1)计算, 客房日用热水量16.50t(55℃), 食堂日用热水量约18.50 t, 总计日最大用热水量35 t, 采用全日供水的模式。该工程采用太阳能与空气源热泵热水机组结合加蓄热水箱的循环加热、蓄热的开式热水制备系统。太阳能集热板、太阳能循环加热泵、太阳能热水中间水箱, 以及空气源热泵热水机组、循环加热泵、冷水补水泵、循环加热热回水泵和开式蓄热水箱均布置在该楼的屋顶平台上。蓄热水箱中的55℃热水依靠重力(与冷水箱一样), 向下输送至室内热水供应管路系统。管路系统的循环热回水总管由下向上, 通过置于屋顶上的循环热回水泵打入蓄热水箱。

 

  设计参数

 

  1)气象资料

 

  (1)年平均气温15.30℃

 

  (2)季节日平均气温:夏季(6月～ 8月, 92天),

 

  26.79℃;春秋季(3 月～ 5 月、9 月～ 11 月, 共183天), 15.53℃;冬季(12月～ 2 月, 90天), 3.39℃(3)最高月平均气温:32.40℃;最低月平均气温:1.60℃;最低日平均气温:-9℃。

 

  (4)该地区年日照时间2182.40h;太阳年总辐射量1390W/m2 .y;日照百分率49%。

 

  2)自来水温:春季, 15℃;夏季, 20℃;秋季,15℃;冬季, 5℃;年平均水温, 15℃。

 

  3)日用热水量:35t

 

  4)客房部分设高峰时段为晚上7:00 -10:00, 共3 h。热水供应小时变化系数Kb=8.40。最大小时供热水量(16500/24)×8.40 =5775 L/ h高峰时段的供热水量

 

  5775 ×3 ×0.75 =12994 L

 

  5)设食堂用水每日3个高峰:高峰时段2h。

 

  最大小时供热水量(18500/3)÷2 =3083 L/小时日最大小时的供热水量5775 +3083 =8858 L/ h6)燃料热值和价格

 

  (1)0#柴油价7元/kg。

 

  燃油锅炉的热效率为0.80, 0#柴油的当量热值为10300 ×0.80 =8240 kcal/ kg=34.49MJ/ kg。

 

  (2)天然气价2.80元/ m3 。

 

  燃气锅炉的热效率为0.85, 天然气的当量热值为8500 ×0.86 =7225 kcal/ kg=30.24MJ/ kg。

 

  (3)电价0.74 元/kWh, 低谷电价0.30 元/kWh。

 

  热泵的COP=3.5, 电的当量热值为860 ×3.5 =3010kcal/ kWh =12.60MJ/ kWh。

 

  电锅炉的热效率为0.95, 电的当量热值为860×0.95 =817 kcal/ kWh=3.42MJ/ kWh。

 

  7)机组参数设计采用KRS-1700 /G-B01型循环式空气源热泵热水机组。

 

  热水负荷计算和设备选择

 

  1)日用热负荷

 

  按冬季平均日气温3.39℃, 上水温度5℃, 热水温度55℃, 日用水量为35000L计算, 日用热负荷2142kWh。

 

  2)热泵机组选型(按全部应用热泵制热水计)

 

  (1)选用4 台KRS-1700/G-B01型循环式空气源热泵热水机组。在不同季节日产55℃热水35 t。

 

  (2)当低温天气日平均气温为-5℃, 水温为5℃时, KRS-1700/G-B01 机组的输入功率为13.17kW, 输出制热功率为35.21 kW, COP值为2.67。

 

  机组每小时可制热水35.21 ×4 ×860 ×0.95 ÷(55 -5)=2301 L机组日均工作时间35000 ÷2301 =15.21 h;说明出现-5℃的低温天气时, 即使不用太阳能助推, 四台热泵机组单独运行也可满足全天的用水要求。

 

  (3)当出现该地区罕见的极端最低气温-9℃时, 已超过了本设计所选用的热泵热水机组的工作范围, 此时热水系统将采用太阳能集热板与辅助电加热相结合的传统热源工作模式。设计选定电加热器的日工作时间为20 h, 辅助电加热器加装在蓄热水箱中, 配置的电功率应为2142 ÷20 =107.1 kW必须说明, 电加热器只是作为保证安全可靠供水的辅助手段, 只是在极短的时间内运行。本设计取用2组辅助电加热器, 每组电功率50 kW。

 

  3)蓄热水箱的容积:

 

  客房部分高峰时段的用水量13 t(时间为晚上7:00 -10:00)。

 

  食堂部分每日3次用水高峰, 高峰时段2 h, 用水量18.5 ÷3 =6.17 t。

 

  如果客房和食堂两个高峰用水都在晚上7:00 -10:00发生, 则高峰时段总用热水量为13 +6.17 =19.17 t。

 

  在高峰时段4台机组的制热水量为43.75 ×4 ×3 ×860 ×0.95 ÷(55 -5)=8579 L蓄热水箱的有效容积为19.17 -8.58 =10.59m3 。

 

  本设计取蓄热水箱容积15 m3 , 并在水箱中加装2组50 kW辅助电加热器。

 

  太阳能集热板年平均日产热水量的核算1)根据建筑物屋顶的具体情况, 本工程采用太阳能真空集热管的集热板共180 m2 。采用太阳能集热板加开式蓄热水箱, 机械循环加热, 平均晴日可供应55℃的热水量计算如下。

 

  该地区年日照时间2182.4h(合273天),全年太阳能辐照总量I=1390kW/m2 .y,全年日照百分率49%(日照時数2182.40 h/可照時数4454 h)2)全真空玻璃集热管组成的集热板的集热量按年平均工况计算:

 

  年日照小时2182.4h,日照辐射量1390kW/m2 .y平均小时辐射功率Ih =1390/2182.4 = 0.6369kW/m2 .h全日日照小时以8 h计, 集热器效率按55%计(晴天时), 则集热器每日每m2 可获得的热量为0.6369 ×8 ×0.55 =2.80kW/m2.d集热器每日每m2 的制热水量为

 

  2.80 ×860 ÷(55 -15)=60.25L/m2 .d180m2 集热板的日总产水量为60.25 ×180 =10845 L/d。

 

  3)太阳能热水部分开式中间水箱的容积

 

  太阳能集热只能在白天, 180m2 集热板的日平均产水量约10t, 因而该水箱的容积至少要10m3 , 本设计取为10m3 。

 

  运行策略和控制方案

 

  运行策略

 

  1)本中央热水供应系统的热源, 采用以热泵制

 

  热水为主, 以太阳能集热为辅的方案, 太阳能集热量在晴好天气时, 仅占全日设计用热量的30%。大型集热板分成三组, 每组60m2 , 总共180m2 。空气源热泵热水机组的能力是以可承担100%的日用热负荷来设计的, 共选用KRS-1700/G-B01机组4 台, 制热量86kW(环境温度25℃, 水温升K), 总制热功率344 kW, 总输入电功率76.80 kW。

 

  在冬季平均日气温为3.39℃, 冷水温度5℃时, 4台机组在没有太阳能助推的情况下, 全日仅需连续工作12.24h, 可以制备出55℃热水35t, 而且完全可以充分利用夜间的低谷电来制备全日所需的热水。在日气温为-5℃及以上、冷水温度5℃时, 4台机组在没有太阳能助推的情况下, 全日也仅需连续工作15.21h, 可以制备出55℃热水35t, 而且完全可以不需要辅助电加热。

 

  由于所选用热泵的工质和适用环境温度在(-5～ 40)℃所限制, 当气温骤降至低于-5℃(例如南京极端低温-9℃)时, 可以改用传统的太阳能加电辅助热的运行模式。设计已用100 kW的水箱电加热器, 即使在没有太阳能集热器的情况下, 每小时还可以制取55℃的热水1720L, 日产35000L的热水可在20h内制取, 但这种情况出现的机会极少、持续的时间也很短。

 

  根据上述可知, 本设计完全能满足全年连续日夜供应55℃的生活热水。

 

  2)四台热泵机组分为两套独立的循环加热系统, 每套两台机组, 配置一台循环加热泵(CR45 -1),另外配置1台备用。两套系统可人为切换:冬季可两套(4台)同时开启, 即使气温在-5℃, 也可以不用辅助电加热。如有太阳能助推, 则机组运行时间更为缩短, 更加节电。春秋季及夏季改用一套热泵加热, 夏季机组日运行时间为8.28h;春秋季也仅为13h, 如有太阳能助推, 则运行时间会更短。

 

  3)全年只要有太阳能可以利用, 则采用太阳能+热泵联合运行的模式。南京地区全年的日照時数2182h, 折合天数约273天。180m2 的太阳能集热板日均产55℃热水10845 L, 约占全日需要量的30%。

 

  全年有273天中的70%和92天的制热水将由热泵承担。

 

  控制方案

 

  1)两套热泵加热系统可用人工作季节性切换。

 

  2)太阳能机械循环加热系统(即太阳能循环加热泵)的运行, 按每日运行时段(6:00 -18:00)用时间控制器控制, 在此时段内又用光电控制器双重控制, 如果阳光不足, 也不能启动。在可运行的时段内再依靠水箱水温的高低来控制太阳能热水循环加热泵的开停, 当太阳能热水箱的水温高于75℃, 自动停泵。

 

  3)设置太阳能系统的防冻循环加热控制:无论时间和光电控制器是否动作, 只要太阳能热水箱的水温低于5℃, 即开启水箱防冻电加热器E2(电功率50kW)和太阳能热水循环加热泵进行防冻循环, 当水温高于15℃后自动停止。

 

  4)只要太阳能热水贮水箱的液位LIC1低于设定水位, 即开电磁阀A向水箱补自来水(如用屋顶开式冷水箱, 则应增设补水泵补水), 液位高于最高水位, 关闭电磁阀A, 停止补水。

 

  5)热泵系统蓄热水箱的水温TIC2低于50℃, 且水箱液位LIC2高于最低水位时, 依次启动循环加热泵和热泵机组;当高于55℃, 依次停止热泵机组和循环加热泵。

 

  6)当蓄热水箱的液位LIC2低于设定水位、且太阳能热水箱水温高于5℃时, 开启热水输送泵把太阳能热水箱中的温水转送至蓄热水箱, 高于设定水位,则停止。

 

  7)55℃的热水依靠重力向各楼层及食堂供水

 

  (如顶层供水感觉压力不够, 可在楼层水平干管上加设管道增压泵)。对于客房热水系统, 设置干管循环热回水管道系统和热回水循环泵, 循环热回水返回蓄热水箱再加热, 食堂系统不设循环热回水管路。当热回水管道上的水温低于50℃, 开启热回水循环泵运行, 高于52℃时, 停止。

 

  8)当人工判断蓄热水箱出水温度长时间达不到50℃, 可手动开启水箱辅助电加热器E1, 水温达到55℃, 自动停止。

 

  9)原始开车时, 为加快水箱蓄水速度, 可手动开启阀NC, 自来水直接向2个水箱充水。