太陽能水環(huán)熱泵供熱系統(tǒng)設計

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，其他三季進行生活熱水供應,以達到全年綜合利用太陽能，并提高太陽能集熱系統(tǒng)在冬季運行時的熱效率。

關鍵詞：太陽能水環(huán)熱泵供熱

1 概述

隨著經濟的發(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、風能在內的可再生能源利用的任務已十分迫切。所以，在提高太陽能熱利用應用技術水平的同時，應積極創(chuàng)造條件，將現有成熟技術在實際工程中推廣應用，以積累經驗，通過實踐進行技術的改善、提高，起到樣板和示范作用。

凈雅集團娛樂中心是集餐飲、洗浴、演藝綜合性服務的娛樂中心，其特點是熱水用量大，對全年室內環(huán)境的舒適度要求高，用于采暖、空調和熱水供應的耗能量大。為盡可能降低運行費用，減輕業(yè)主負擔，我們提出了太陽能水環(huán)熱泵的供熱方案，利用太陽能進行冬季采暖，春、夏、秋三季供應生活熱水，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)主的認可和采納，現已完成了初步設計。

2 太陽能集熱系統(tǒng)的設計

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。為適應冬季采暖和三季供熱水的要求，太陽能集熱系統(tǒng)應是閉式循環(huán)系統(tǒng)，這就要求太陽能集熱器應有較高的承壓能力。

因此，為保證太陽能集熱系統(tǒng)運行的高效、安全和可靠，我們采用了清華陽光集團生產的全玻璃真空管U型管式太陽能集熱器。其特點是在全玻璃真空管內置入銅制U型管作為集熱介質的通道，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威機構瑞士Rapperswil太陽能檢測中心進行的熱性能測試結果，為確定太陽能集熱器的面積提供了依據。

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，我們分別按冬季運行和夏季運行的兩個工況，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熱水量。對所得結果進行綜合分析，并參照太陽熱水器企業(yè)過去的工程經驗，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確的方法，應在對太陽能熱水系統(tǒng)進行熱性能檢測，得出了日熱性能檢測結果的基礎上，再使用標準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熱水量?？照{所負責的“十五”國家科技攻關課題將開發(fā)可進行太陽能熱水系統(tǒng)全年熱性能預測的計算軟件，課題于2004年底完成后，將為太陽能集熱系統(tǒng)的設計提供方便的計算工具。

2.2太陽能集熱系統(tǒng)設計

本工程太陽能集熱系統(tǒng)所產生的太陽熱水，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。這樣既可達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)在冬季運行時的熱效率。

根據建筑物條件，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使用的太陽集熱器傾角應等于當地緯度，北京緯度是40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，總容積30m3。

太陽能集熱器的運行介質為防凍液，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)路上設置了2個手動截止閥進行冬季和其他三季的供水功能切換，閥1在冬季開啟，其他三季關閉，太陽熱水供給水環(huán)熱泵環(huán)路；閥2在冬季關閉，其他三季開啟，太陽熱水供給生活熱水環(huán)路。從而實現太陽熱水在冬季供應生活熱水，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和冬季采暖的常規(guī)熱源為燃氣鍋爐，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置了2個手動截止閥進行冬季和其他三季的供水功能切換，閥1在冬季開啟，其他三季關閉，由自來水向容積式換熱器給水；閥2在冬季關閉，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)生汽化的現象，在系統(tǒng)的每排集熱器管路上均設置自動放氣閥，以保證系統(tǒng)的運行安全。為防止熱水在板式換熱器內產生結垢，每個板式換熱器的進口管路上都需加裝電子除垢儀。

為充分挖掘節(jié)能效益，選用的燃氣鍋爐應有良好的自控功能，可根據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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