某学生宿舍太阳能_热泵热水系统设计及经济性分析

福 建 建 筑

Fujian A rchitecture &Co nstr uction

N o9 2010V ol 147

某学生宿舍太阳能-热泵热水系统设计及经济性分析

邓玉梅

(中国瑞林工程技术有限公司 361012)

摘 要:介绍了福州某学院学生宿舍太阳能辅助空气源热泵热水系统的工程设计,主要从加热系统选择、热水系统设计、自动运行控制、注意细节及存在问题等方面进行介绍。

关键词:太阳能-热泵热水系统 工程案例 节能

中图分类号:T K 51 文献标识码:B 文章编号:1004-6135(2010)09-0106-04

One student dormitory for the solar energy -heat pump hot water system design and economy analysis

Deng Y umei

(China Ner in Eng ineering Co.,LT D. 361012)

Abstract:T his pa per int roduces a co llege student dor mito ry of fuzhou so lar aux iliary a ir source heat pump hot w ater system of en

g ineering desig n,mainly fr om the heating sy stem,ho t w ater system desig n and automat ic o per ation contro l,pay attentio n to detail and exist ing pro blems w ere int roduced.

Keywords:T he solar energ y-heat pump hot w ater system T he engineer ing ex ample T he energ y co nserv atio

n

作者简介:邓玉梅,女,1974年11月出生,水电安装专业,给

水排水专业,本科,工程师。从事给排水专业设计。

收稿日期:2010-08-02

前言

太阳能是人类可以利用的最丰富的能源。在地球上,无论

何处都有太阳能,可就地开发利用,不存在运输问题,不会产生废渣、废水、废气、也没有噪音,更不会影响生态平衡;热泵是用逆卡诺原理,以极少的电能,吸收空气中大量的低温热能,通过压缩机的压缩变为高温热能,传输至水箱,加热热水,能耗低、效率高、速度快、安全性好、环保性强。在阳光充足时利用太阳能提供所需的热水,在太阳能不足时利用空气源热泵热水机组来补充提供热水,所以在工程中采用太阳能-热泵热水系统成为了现代建筑热水领域热门话题。下面是对某学院学生宿舍热水设计采用太阳能-热泵系统设计及经济性分析。

一、工程概况

该工程位于福建省福州市,为单栋建筑,地上七层。一层为管理用房及活动室,二至六层为学生宿舍。建筑高度23 7m,占地面积1400m 2,总建筑面积7800m 2。

根据福建省地方标准 居住建筑与太阳能热水系统一体化设计、安装及验收规程!DBJ13-80-2006的规定,该建筑应采用太阳能系统供应生活热水。

本工程学生宿舍共300床,按∀类宿舍考虑,每人每日热水用水量为50L :宿舍采用定时供应热水。热水使用温度37#,供应时间为:每天18 00~23 00。

全天热水用水量q d =300∃50=15∃103L =15m 3

设计小时耗热量Q h = q h (t r -t l ) r n 0bC =1

5∃106kJ/h;设计小时热水量q rh =Q h /[(t r -t l )C r ]=13125L/h;(换算成60#水为7095L/h);式中:

Q h %%%设计小时耗热量(kJ/h);

q rh %%%设计小时热水量(L /h);

q h %%%卫生器具热水的小时用水定额(L/h);淋浴器取250L /h;

C %%%水的比热容,4 187kJ/(kg #);t r %%%热水的温度,37#;t l %%%冷水的温度,10#; r %%%热水密度(kg /L );

n 0%%%同类型卫生器具数,为75;

b %%%卫生器具的同时使用百分数,取70%。

最高日耗热量:Q d =mq r C (t r -t l ) r =3 0∃106kJ/h =833kW

二、生活热水供应系统的选择

1、各供热系统比对:

生活热水系统加热方式很多,常用的有:电加热、煤气加热、燃气加热、热泵系统、太阳能供热系统等多种方式。各种加热方式各有优缺点,下表为对各加热方式的运行费用的比较:

每吨热水成本(以10#水加热到60#热水,需50000千卡的热量为例)

名称耗热量实际热值单价费用1电热水器

50000千卡757千卡/度0.5元/度33.0元2

天然气

50000千卡5040千卡/m 3 4.0元/m 339.6元3石油液化气50000千卡13200千卡/

m 3

12元/

m 3

45.5元4柴油锅炉50000千卡6240千卡/kg 5.5元/k g 44.0元5

热泵

50000千卡

2580千卡/度

0.5元/度

9.7元

太阳能热水产品是吸收太阳能量加热冷水,所以其运行费

用很低。福州地处福建东部,参照省标J10807-2006表

3 1 2,福州市属I 类地区,年太阳能辐照量>45∃108J/m 2,年日照时数>1800H 。属于本省太阳能资源比较丰富的地区,可对太阳能进行合理利用。

2、太阳能热水系统的选择:

太阳能集热和热水供应方式划分有如下三种方式:集中供热水系统、集中-分散供热水系统和分散供热水系统。他们的特点和适用建筑介绍如下:

集中供热水系统:采用集中的太阳能集热器和集中的贮水箱供给一幢或几幢建筑物所需热水的系统。以单元或整栋楼房为单位设计安装太阳能热水系统,集热器与热水箱可分离安装,一个单元或楼房共用热水箱;多层、小高层和屋面具备条件的高层建筑均可设计安装,更适用安装在宾馆、学校和公共浴室等公共建筑。

集中-分散供热水系统:采用集中的太阳能集热器和分散的贮水箱供给一幢建筑物所需热水的系统。以单元为设计单位安装太阳能热水系统,集热器与储热水箱分离安装,每户拥有的储热水箱。多层、小高层和屋面具备条件的高层住宅建筑均可设计安装。

分散供热水系统:采用分散的太阳能集热器和分散的储水箱供给各个用户所需热水的小型系统。每户安装太阳能热水器,集热器与储热水箱可不分离或分离安装;一般设计安装在多层住宅建筑和别墅。

对于本工程而言,分散供热水系统由于是一套系统只针对一个用户,不利于资源的共享以及今后管理上容易造成困难,所以不采用此系统。而对于集中-分散式供水系统需要的储热水箱,装在户内需占用一定的空间,装在外墙又影响建筑立面美观,且每户需设有辅助电加热设备、管子多、无法满足主管的循环。故本工程采用太阳能集中供热水系统。

3、辅助加热方式的选择:

在阳光充足时利用太阳能提供所需的热水,太阳能不足时,为了不影响用户使用热水,太阳能加热系统应配置辅助热泵加热系统。故本工程热水系统由太阳能集热器、空气源热泵、集热水箱、供热水箱、管路及自动控制系统等组成。如图1

所示。

图1 太阳能-热泵热水系统原理图

图中太阳能集热器、空气源热泵设置、集热水箱、供热水箱、控制柜等设备均设置在屋面上。

三、太阳能-热泵热水系统设备计算及选型

1、集热板面积计算:

太阳能集热器面积计算公式:

A j z =q r mC r (t r -t l )f /[J t !j (1-!L )]=240m 2

式中:

A j z %%%直接加热集热器总面积(m 2);m %%%用水单位数(人数或床位数);

q r %%设计日用热水用水定额(L /人 d 或L /床 d);C %%%水的比热容,4187J/(kg #);t r %%%储水箱内水的终止温度,60#;t l %%%水的初始温度,10#;

J t %%%集热器倾角36&,集热器采光面上的年平均日太阳辐照量14794kJ/m 2 d;

f %%%太阳能保证率取40%;!j %%%集热器全日集热效率取50%;!L %%%管路及储水箱日损失率取30%。2、太阳能集热器选型

太阳能集热器的类型有平板型集热器和真空管集热器,真空管集热器具有保温性能好,低温热效率高,其吸收系数可达到94~96%,辐射系数小于6%,在北方地区使用比较多。而平板型集热器在高温时热效率高,低温时热效率较低,具有承压高、热传递性能好等优点,在南方地区使用比较多,本工程属于福建冬天不结冰的南方地区的用户,选用平板型太阳能集热器是非常适合的。

因此本工程选用平板型集热器:P YT /L 2 0-3/22集热板,水平安装。

集热板台数计算:240/2 0=120台(每台尺寸:L ∃W ∃H =2000∃1000∃75)

3、屋面集热水箱、供热水箱计算

集热水箱:V rx =q rj d ∃A j =60∃240=14 4∃103L =14 4m 3,考虑到太阳得保证率为40%,取6m 3;

式中:

V rx %%%集热水箱容积(L);

A j %%%太阳能集热器集热面积(m 2);

q rj d %%%集热器单位采用面积平均每日产热水量[L/(m 2

d)],取60[L /(m 2 d)]。

供热水箱容积:为保证宿舍的用水,在极端天气下辅助热

泵加热得速度不如电锅炉等快速加热设备,故供热水箱容积为全天的用水量,取15m 3;

采用两个贮热水箱,太阳能热水

先进入集热水箱,辅助加热设备设置在供热水箱侧,利用太阳能将冷水预热,再送入供热水箱,由辅助热源加热至设定温度。

4、太阳能集热强制循环泵计算

集热强制循环泵(图1泵4)流量

q xl =q gz A j =4 8L/s

式中:

q gz %%%单位采光面积集热器对应的工质流量(L /s m 2),取0 02L/s m 2;

集热强制循环泵扬程H x=h j x+h j+h z+h f=23m

式中:

H x%%%循环泵扬程(kP a);

H jx%%%集热循环管道沿程与局部阻力损失(kPa);

h j%%%循环流量流经集热器的阻力损失(kP a),h j=H c n;

h z%%%集热器与贮热水箱最低水位之间的几何高差(kPa);

h f%%%附加压力(kPa),取H a=30kPa;

则集热强制循环泵(图1泵4)选用热水管道泵I RG50-160IB(一用一备)

扬程:24m;单泵流量:6L/s;单泵功率:3 0kW。

5、热泵辅助加热系统及附属设备计算选型

1)空气源热泵的计算及选型:

Q g=k1mq r C(t r-t l)r/T1=231∃103kJ/h=150 0kW

式中:

Q g%%%热泵机组设计小时供热量(kJ/h);

q r%%%热水用水定额(L/人 d或L/床 d);

m%%%用水计算单位数(人数或床位数);

t r%%%热水温度,60#;

t l%%%冷水温度,10#;

T1%%%热泵机组设计工作时间,取T1=6(h/d);

k1%%%安全系数,取k1=1 05;

空气源热泵主机选择:

本工程单台空气源热泵热水机组设计小时供热量Q g1= Q g/2=75 0kW

则选用两台RSJ-770/S-820R热水机组,机组最大输入功率为24 4kW,额定制热量(设计小时制热量)为77 0kW,额定产热水量为2000L/h,该机组能确保在福州室外温度为-3#时每小时生产1100L60#热水,平均产量2000L/h 60#热水。

2)热泵热水机组设计热水循环泵计算及选型

热泵热水机组设计热水循环泵(图1泵2)流量

q r x=K2 Q g/(1 163 ∀t r)

=1 05∃75 0/(1 163∃5∃0 993)

=13 m3/h

由于热泵主机的进水压力不应小于0 15M P a,

则热泵热水机组设计热水循环泵

选用热水管道泵IRG40-125I(一用一备)

扬程:17 8m;单泵流量:16 3m3/h;单泵功率:1 5kW。

3)供热水箱补水泵计算及选型:

供热水箱补水泵(图1泵3)选型同热泵热水机组设计热水循环泵,

选用热水管道泵IRG40-125I(一用一备)

扬程:17 8m;单泵流量:16 3m3/h;单泵功率:1 5kW。

4)热水管网的热水供水泵计算及选型:

热水供水循环泵(图1泵1)流量q g∋4 33L/s

式中:

q g%%%热水设计秒流量;

则热水供水循环泵选用热水变频泵SDPS15-376-2 2 (一用一备)

扬程:23 3m;单泵流量:19m3/h;单泵功率:2 2kW。

四、系统运行控制

为了更加的充分利用太阳能,在满足使用的情况下,应尽量减少由辅助热泵提供的制热量。集热水箱补水由市政供水管补给,供热水箱补水由集热水箱加压补给。热水供应时间为18:00~23:00。具体控制如下:

1、温控器4与温控器3 温差大于7#时,泵4开。温控器4与温控器5温差小于2#时,泵4停。

2、10 00时:

1)水位控制器水位在3t以下,泵3启动,同时阀4开启,供热水箱补水至3t水位时,泵3停、阀4关闭。

2)当温控器3温度大于60#时,泵2、3开,同时阀3、4开启,直至供热水箱温控器2温度到达60#为止。

3)当温控器3温度小于60#时,泵2开,同时阀1、2开,直至供热水箱温控器2温度到达60#为止。

3、11 00时:

1)泵3启动,同时阀4开启,供热水箱补水至5t水位时,泵3停、阀4关闭。

2)当温控器3温度大于60#时,泵2、3开,同时阀3、4开启,直至供热水箱温控器2温度到达60#为止。

3)当温控器3温度小于60#时,泵2开,同时阀1、2开,直至供热水箱温控器2温度到达60#为止。

4、12 00~16 00时(每个整点时刻):运行同步骤3,供热水箱水位各为:7t、9t、11t、13t、15t。

5、17 50时,泵1开,使热水干管循环,置换管内冷水。

6、18 00时开始供水:

1)当供热水箱水位降低至3t水位以下时,泵3开,同时阀4开启补水至3t水位为止。

2)当温控器2温度小于50#时,a)温控器3温度大于60#,泵2、3开,同时阀3、4开启,直至供热水箱温控器2温度到达60#为止;b)温控器3温度小于60#,泵2开,同时阀1、2开,直至供热水箱温控器2温度到达60#为止。

7、23:00时,关闭泵1。

经过调查,许多太阳能-热泵热水系统在运行过程中即使在天气晴朗的日子里,热泵几乎都在不停的工作,不能真正做到节能,还间接造成投资浪费。本工程经过较为复杂的控制系统,基本上能保证系统最大程度的利用太阳能,减少了由辅助热泵提供的制热量。

五、设计中应注意的一些细节

1、热水管网设计

1)为避免热水供水管路过长,造成系统最不利点供水压力

不足的现象。尤其在高位水箱供水的情况下,冷水与最高用水点处距离近、阻力小,容易保证供水压力,为减少该点冷热水的压力差,则更应尽量缩短热水供水管路长度,即加热器应靠近热水用水的负荷中心。

2)为了保证冷、热水供水压力平衡,冷、热水系统均宜采用上行下给的方式,这样布置的优点是:配水立管自上而下管径由大到小的变化与水压由小到大的变化相应,有利于减少上、下层配水的压差,有利于保证同区最高层的供水压力。本工程的机械循环热水系统设计成同程循环,即相对每个用水点,热水的供水、回水距离之和基本相等。这样,系统使用时基本上不要调节,循环效果好、节约用水。

3)热水管材在技术已经很成熟了,品种和规格也比较丰富。从传统的铜管、不锈钢管、钢塑复合管,到现在流行的各种塑料热水管都能胜任,目前常用的塑料热水管主要有交联聚乙烯PEX,聚丁烯P B,聚丙烯PP -R 等品种,根据目前实际应用的情况,比较成熟和理想的是保温铜管、交联聚乙烯管,聚丙烯PP-R 管,本工程管材采用的是保温铜管。

2、计量方式设计

很多设计为了计量方便,热水采用干管循环,往往把热水表设在楼层公共位置,有些用水点距表间很远,很有可能用户末端所得到的水温过低,使用不舒适,每次开启时要放很多水,浪费水和热能。所以计量方式的选择也影响到系统运行能否节能,本工程热水计量采取在每间宿舍内设IC 卡热水表进行计量。

六、太阳能-热泵热水系统与其他系统的经济性比对

不同热水形式经济比对表(按寿命15年计)

系统形式名称

太阳能-热泵立式电加热热水锅炉立式燃气热水锅炉

立式燃油热水锅炉

主要设备型号

平板型太阳集热器240m 2,热泵:RS J-770/S -820R 两台。电功率:24.4KW,额定值热量:77.0kW 。

CWDR0.6-85/65-D 额定发热量:7M W ,电功率:600kW,工作压力:常压。

CLH S0.6-Q 额定发热量:0.6M W ,工作压力:常压。燃料耗量:天然气67m 3。

C LHS 0.6-Y 额定发热量:0.6M W,工作压力:常压。燃料耗量:柴油56kg 。

初始投资(万元)40151312年运行费用(万元) 1.210.959.7811.2415年运行费用(万元)181.25146.7168.6总投资(万元)

58

179.25

159.7

180.6

由此可以看出太阳能-热泵加热系统的初始投资比电锅炉、燃气锅炉、油锅炉等加热系统大,但运行费用却少很多。随着太阳能-热泵热水系统的深入研发生产和技术的成熟完善,太阳能-热泵热水系统的价格必将不断下降,太阳能-热泵热水系统的优势将更加凸显。

七、对太阳能热水系统的探讨和认识

1、在系统中热交换的形式

对于南方的气候而言,太阳能集热器所连接的管路不存在抗冻问题,因此大多采用如本工程所示的热水系统形式,即:太

阳能集热器、集热水箱、供热水箱、用户供水管网。如果工程地

点是在北方,为了防止太阳能集热器所连接的管路被冻坏,多数都采用二次换热的系统形式(即用换热器取代原系统中的集热水箱),由于集热器所连接的管道内的循环工质采用了防腐防锈的防冻液,这样既可防冻,又可提高集热器的使用寿命。

2、太阳能系统与建筑一体化设计及施工

太阳能系统与建筑的结合需做到同步设计、同步建设、同步施工。一体化结合至少有四个方面的要求:

1)在外观上,合理摆放太阳集热器,无论是在屋顶还是在立面墙上,应实现两者的协调与统一;

2)在结构上,要妥善解决光伏电池板和太阳集热器的安装问题,确保建筑物的承重、防水等功能不受影响,还要充分考虑太阳集热器抵御强风、暴雪、冰雹等的能力以及避雷等安全措施;

3)在管路布置上,要建筑物中都要事先留出所有管路的通口,合理布置太阳能循环管路以及冷热水供应管路,尽量减小在管路上的电量和热量的损失;

4)在系统运行上,要求系统可靠、稳定、安全,易于安装、检修、维护,合理解决太阳能与辅助能源的匹配以及与公共电网的并网问题,尽可能实现系统的智能化全自动控制。

八、结术语

通过对该学生宿舍热水系统供应和运行控制的设计及经济性分析,笔者对太阳能热水系统在环保、节能的领域里的重要意义有了更深刻的认识,在能源紧张的今天,他带来了可观的经济效益和社会效益,符合国家提倡的(节能减排),应大力推广。

参考文献

[1]GB50015-2003,建筑给水排水设计规范(2009年版)[S].[2]GB/T 18713-2002,太阳能热水系统设计、安装及工程验收技术规范[S].

[3]GB503-2005民用建筑太阳能热水系统应用技术规范[S].

[4]GB/T 20095-2006,太阳热水系统性能评定规范[S].

[5]06J908-6,太阳能热水器选用与安装[S].

[6]06SS128,太阳能集中热水系统选用与安装[S].[7]省标J10807-2006,居住建筑与太阳能热水系统一体化设计、安装及验收规程[S].