1、太阳能+空气源热泵热水系统的控制系统与经济效益分析太阳能+空气源热泵热水系统的控制系统与经济效益分析 【摘要】太阳能的加入，一方面，可以改变低温时空气源热泵COP不高的弱点；另一方面热泵跟太阳能的结合，又能弥补太阳能热水器不能在阴雨天气、夜晚、太阳强度不大时不能正常运行的缺点。因此，太阳能+空气源热泵热水系统可提高太阳能集热器效率和热泵系统性能，同时解决全天候供热问题，具有良好的经济和社会效益，必定拥有广阔的市场前景。本课题对模拟设计的一套太阳能+空气源热泵热水系统进行了经济效益比较，结果表明在产水量相当情况下，采用太阳能+热泵热水系统节能效果显著。【关键词】太阳能； 空气源热泵； 热水；经济
2、效益分析Engineering Design of Solar Energy and Air Source Heat Pump hot water system 【Abstract】On the one hand, the addition of solar energy can improve the COP of air source heat pump, especially when the environment temperature is low. On the other hand, the combination of heat pump with solar energy
3、also can make up the shortcomings of that the solar water heater can not normally operate at the rainy weather, on the night and on the days of low solar intensity. Therefore, air source heat pump with solar energy water system can improve the efficiency of solar collectors and the performance of he
4、at pump system, and resolve the issue of round-the-clock heating at the same time. It is apparently economic and socially beneficial, and has broad market prospects. In this paper, a set of solar energy & heat pump water heater system was analyzed economically. Calculating results shows that solar e
5、nergy & heat pump water heater system has evident effects of energy consumption.【Key words】Solar energy；Air source heat pump；Economical analysis第1章 绪论1.1 太阳能+空气源热泵热水系统的概述随着科技的进步、经济的高速发展和人们生活水平的不断提高，人们对生活用热水的需求越来越大，要求越来越高。太阳能是一种取之不尽又安全无污染的可再生资源，所以很好地利用太阳能提供生活热水可以减少建筑能耗、缓解能源与环境危机。然而太阳能受季节和天气影响较大，而且热流密
6、度低，导致太阳能在很多应用上都受到一定的限制。现在大部分的太阳能热水器在阴雨天气、夜晚、太阳强度不大时不能正常运行。这些不足，给另外一种节能的热泵技术的发展带来了契机。热泵技术利用少量的电能，从低温热源吸取几倍于电能的热能，并将其传递给高温热源。因此，将太阳能利用技术与热泵技术结合起来，使两者的优点在使用时相辅相成，将有更好的表现。将太阳能-空气源热泵热水器结合供应生活热水，主要是以太阳能直接加热为主，以空气源热泵为辅，解决太阳能供热的连续性问题。一方面，太阳能的加入，可以改变低温时空气源热泵COP不高的弱点；另一方面太阳能跟热泵的结合，又能弥补太阳能热水器不能在阴雨天气、夜晚、太阳强度不大时
7、不能正常运行的缺点。因此，太阳能-空气源热泵热水器结合的产品具有良好的经济和社会效益，必定拥有广阔的市场前景。1.2 太阳能+空气源热泵热水系统的工作原理1.2.1太阳能热水器的工作原理1强制循环工作原理：利用冷水比热水密度大，冷水下沉，热水上升，形成自然对流循环、使水箱中的水逐渐变热，达到设定的水温为止。当太阳强度不足以满足循环需要的时候，可以在水循环闭路加一水泵，实现强制循环，如图1-1所示。图1-1 太阳能热水器强制循环2集热器吸热原理：太阳能热水器的集热器表面，有一特殊的涂层，此涂层对太阳能可见光范围具有很大的吸收率，吸收为热以后，集热器的散热热辐射波长在长波范围，该涂层对长波的发射率
8、很低，这样就有效的“滞留”了太阳能的热量。1.2.2空气源热泵热水器的工作原理空气源热泵热水器内专置一种吸热介质冷媒，它在液化的状态下低于零下20，与外界温度存在着温差，因此，冷媒可吸收外界的热能，在蒸发器内部蒸发汽化，通过空气源热泵热水器中压缩机的工作提高冷媒的温度，再通过冷凝器使冷媒从汽化状态转化为液化状态，在转化过程中，释放出大量的热量，传递给水箱中的储备水，使水温升高，达到制热水的目的，如图1-2所示。图1-2 空气源热泵热水器工作原理图1.2.3太阳能+空气源热泵热水系统的运行原理这套安全可靠、经济高效、水量调节范围大的太阳能-空气源热泵辅助加热供热水系统，将太阳能加热系统与热泵加热
9、系统串、并联配置的方式，即将太阳能加热作为前级加热设备，热泵机组作为次级加热设备：结合太阳能加热的特点，冷水定时定量的补充到系统水箱内并经过所配太阳能强制循环加热。在阴雨天或日照较弱的季节，经过系统水箱温度控制器控制热泵运行，循环水泵将系统水箱内的水通过热泵循环加热，在达到使用温度后，热泵停止运行。在日照良好的季节，由于太阳能加热一定的时间后，此时系统水箱内储存水可以达到使用温度，无须启动热泵机组加热（此过程由系统水箱内的水温自动控制），从而保证充分的利用太阳能的加热，同时减少热泵机组辅助加热的能耗，以达到节能降耗之目的，如图1-3所示。图1-3太阳能+空气源热泵热水系统工作原理图1.3 太阳
10、能+空气源热泵热水系统的特点1运行可靠作为太阳能热泵热水机组的主要组成部分，太阳能和空气源热泵都是技术成熟的节能环保产品。太阳能在生活热水系统中的规模化利用已有20余年的历史，空气源热泵的大量应用也有数十年的历史，太阳能热泵中央热水系统将太阳能与空气源热泵技术有机结合，在不影响二者原有运行功能的条件下，使其运行效率显著提高，从而能够保证系统稳定可靠运行，节约热水系统常规能源消耗。2节能环保热水系统由太阳能热水器加空气源热泵热水器组成，只使用太阳能及少量的电能，对环境没有任何的污染。在运行过程中，无任何有害气体、液体、和燃烧废弃物产生和排放，是一种低能耗的环保产品，投入产出比高，回报快，具有良好
11、的社会效益和经济效益。3全天候供水系统主要由太阳能热水器提供生活热水，夜晚、阴雨天气及冬季环境温度较低太阳能资源不足时热水由空气源热泵热水器供应，做到全年、全天候供应热水。第2章 工程设计说明2.1 工程设计要求1、楼房结构：广州某中学学生宿舍楼共6层，一六层为学生宿舍，每层9间学生宿舍，每间房住8个人，1个管理房；2、热水供给方式：定时供应热水，热水接到每间宿舍的阳台处，桶提用热水；3、冷水计算温度：15；4、热水计算温度：55；5、用热水总人数：按440人计；6、人均日用热水量：50kg（55）；7、日用热水总量：440人50kg/（人.日）=22000kg/日；2.2 太阳能集热器与空气
12、源热泵热水机组技术参数1、太阳能集热器技术参数2m2平板型太阳能集热器技术参数见表2-1。表2-1 2m2平板型太阳能集热器技术参数项目名称技术参数备注有效采光面积2m2占地面积1.654m2晴天产水温度4060产热水量140200kg/m2热效率63%结构板芯：高选择性太阳能吸收涂层板芯；边框：古铜色铝合金2、空气源热泵热水机组技术参数空气源热泵热水机组技术参数见表2-2。表3-2空气源热泵热水机组技术参数型 号9H-SKR-100输入功率(kw)9.3输出功率(kcal/h)32680（kw/h）38风机功率 (kw)0.5使用电源380V/50HZ进水压力（Mpa）1.0进水温度()25
13、0环境温度()-540效率（%）300450产水温度()55平均温升 ()40平均产热水量(L/h)750进、出水管径DN32进风口面积（m2）0.38排风口直径（mm）450排风口方向顶部排风排风口数量3个外型尺寸(mm)长（mm）1400宽（mm）700高（mm）1600设备重量（kg）2372.3 系统整体方案设计说明按照设计要求，同时结合供热水的要求及宿舍楼天面的结构特点，为学生宿舍楼设计了一套安全可靠、经济高效、水量调节范围大的太阳能-空气源热泵辅助加热供热水系统，在未用水前，储热水箱应满水。宿舍楼安装312m2太阳能集热器（见图2-1），系统采用强制循环，冷水由系统控制定量向太阳能
14、水箱中补充。图2-1 九恒2m2平板型太阳能集热器学生宿舍楼还配置空气源热泵热水机组辅助加热系统,以弥补阴雨天、日照强度不够和少量时候用水量过大而引起的用水温过低。3台由广州九恒新能源有限公司生产的9H-SKR-100循环式空气源热泵热水机（见图2-2）组对储热水箱未达到使用温度的水进行加热，当太阳能水箱内水温达到设定的使用温度时，循环加热式热泵停止工作。图2-2 九恒9H-SKR-100循环式空气源热泵热水机第3章 系统的控制说明3.1 系统设计原理将太阳能加热系统与热泵加热系统串、并联配置的方式，即将太阳能加热作为前级加热设备，热泵机组作为次级加热设备：结合太阳能加热的特点，冷水定时定量的
15、补充到系统水箱内并经过所配太阳能强制循环加热；在阴雨天或日照较弱的季节，经过系统水箱温度控制器控制热泵运行，循环水泵将系统水箱内的水通过热泵循环加热，在达到使用温度后，热泵停止运行。在日照良好的季节，由于太阳能加热一定的时间后，此时系统水箱内储存水可以达到使用温度，无须启动热泵机组加热（此过程由系统水箱内的水温自动控制），从而保证充分的利用太阳能的加热，同时减少热泵机组辅助加热的能耗，以达到节能降耗之目的。3.2 补冷水系统的控制在正常情况下，太阳能热水系统的产水量完全可以满足每天的用热水需求，考虑宿舍楼热水用水量变化的实际情况，太阳能系统的冷水由水位控制补水。水箱中有高、中、低水位探头，当水
16、位低于低水位探头时，控制系统打开补水电磁阀补水；当水位处于中水位时，电磁阀保持原状态；当水位高于高水位探头时，关闭电磁阀。3.3 太阳能系统的控制太阳能系统采用小温差循环，即通过设在集热器阵列末端出口与系统水箱下部两个测温点之间的温差控制循环泵的工作与否：当温差较大时（T=36），温差控制器发出指令，循环泵工作，水在集热器内循环加热；当温差较小时（T=12），循环泵停止工作，如此反复。在日照正常情况下，系统水箱内的水温到晚上使用时可达到设定的使用温度，此时无须进行辅助加热，供热水时热水直接由系统水箱供出。第4章 经济效益比较对该栋宿舍楼分别采用太阳能+热泵和太阳能+电加热、单独热泵三种热水系统
17、情况作经济效益比较。4.1 基本数据1、用热水总人数：按440人计；2、人均日用热水量：50kg（55）；3、每栋日用热水总量合计：440人50kg/（人.日）=22000kg/日；4、冷水计算温度：15；5、热水计算温度：55；6、市场电价：0.75元/度；7、直接电加热效率：0.96, 每度电可产生热量： 860kcal/度；8、空气源热泵机组能效比全年平均值：3.8；4.2 计算方法整个太阳能-热泵热水系统全年累计运行时间按360天计：其中太阳能系统全年累计运行时间按270天计，而热泵热水机组全年累计运行时间按90天计；4.2.1 太阳能+热泵热水系统热泵热水机组全年累计运行时间按90天
18、计，在此期间，每天使用的热水完全由热泵热水机组进行加热，则每日需要消耗的能耗为（即热泵输出的总有效能耗）：22000kg/d（55-15）1kcal/（kg）=880000kcal/d每日需要消耗的能耗折合用电量为：880000kcal/d860kcal/度1023.26度/d每日热泵机组需要消耗的总电量为：1023.26度/d3.8269.28度/d每年热泵机组需要消耗的总电量为：269.28度/d90d24235.0度每年热泵机组需要消耗的总电量折合用电费用共计：124235.0度0.75元/度18176.3元4.2.2 太阳能+电加热系统电加热器全年累计运行时间按90天计，在此期间，每天
19、使用的热水完全由电加热器进行加热，则每日需要消耗的能耗为（即电加热器输出的总有效能耗）：22000kg/d（55-15）1kcal/（kg）=880000kcal/d每日需要消耗的能耗折合用电量为：880000kcal/d860kcal/度1023.26度/d如果每日直接利用电加热，则需要消耗的电能为：1023.26度/d0.961065.89度/d电加热器每日需要消耗的总用电量费用为: 1065.89度/d0.75元/度=799.42元/d太阳能+电加热系统电加热器全年总用电量费用为: 799.42元/d90d=71947.6元4.2.3 空气源热泵系统空气源热泵热水机组全年累计运行时间按3
20、60天计，在此期间，每天使用的热水完全由空气源热泵热水机组进行加热，则每日需要消耗的能耗为（即热泵机组输出的总有效能耗）：22000kg/d（55-15）1kcal/（kg）=880000kcal/d每日需要消耗的能耗折合用电量为：880000kcal/d860kcal/度1023.26度/d每日热泵机组需要消耗的总电量为：1023.26度/d3.8269.28度/d每年热泵机组需要消耗的总电量为：269.28度/d360d96940.4度每年热泵机组需要消耗的总电量折合用电费用共计：96940.4度0.75元/度=72705.3元4.3 效益比较采用三种热水系统情况作比较，太阳能+热泵耗能年
21、费用：18176.3元；太阳能+电加热耗能年费用：71947.6元；热泵耗能年费用：72705.3元，结果表明，在产水量相当情况下，采用太阳能+热泵热水系统节能效果显著。结论太阳能+空气源热泵热水系统是一种性能可靠，环保节能的热水系统形式，该系统只使用太阳能及少量的电能，对环境没有任何的污染。在白天最低温度-15以上、太阳辐照良好的我国大部分地区都可推广应用。随着国民经济的高速发展，热水系统方面也不断地发展，新的领域不断出现，新的技术、设备、材料不断地开发完善。这也意味着我们要与时俱进，通过所学的基本理论、基本知识和基本技能，分析和解决实际工程问题，不断地学习掌握新事物、新知识。通过这次模拟的毕业设计，使我们熟悉掌握热水系统工程设计程序、方法和技术规范，提高对热水系统工程的计算、图标绘制、计算说明的编写；树立正确的设计思想，培养学生严肃认真的科学态度和严谨求实的科学作风，能守纪律，善于与他人沟通、合作；树立正确的工程观点、设计观点、经济观点和全局观点。参考文献1. 陈礼流体力学及泵与风机北京：清华大学出版社. 2005.72. 广州九恒新能源有限公司内部资料3. 张志梅太阳能热水器的设计与安装4. 刘耀斌空气源热泵热水器机组设计要点5. 苏生空气源热泵热水器的优化设计选择
