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1、引言
总部设在新加坡的某跨国公司, 是一家致力于为航空、汽车、计算机、消费电子、工业制造、基础设施、医疗及移动产品行业的原始设备生产商(OEM) 提供完整的设计、工程与制造服务的领先电子制造服务供应商( EMS) 。本文介绍的项目为其在珠海园区(该公司全球最大的工业基地) 南北区9 栋员工宿舍楼太阳能与热泵综合利用的生活用水工程。
南北工业区员工宿舍情况: 这9 栋建筑均为7层建筑, 其中南区1 号楼和北区1 号楼为干部宿舍楼, 其他为一般员工宿舍楼, 共能提供约8000 人入住。
2、设计原则
首先, 考虑可再生能源的最大化利用, 优先利用太阳能制热, 用空气源热泵作为补充; 其次, 考虑尽量利用夜间低谷用电, 使用热泵夜间加热热水; 另外通过温度传感器控制水箱温度, 当加热水箱温度达到55 度时, 系统自动停止运行, 进入等待期; 由于热水制作过程是连续运行的, 故在热水使用的同时制热过程依然可以正常运行, 这样可以相应减少部分储热水箱的容积。
3、设计及选型
因为该厂区每栋都是独立的系统, 故选南区二栋宿舍为例子, 阐述一下方案设计及选型的思路和方法:
南区二栋宿舍满负荷时用水总人数为886 人,人均用热水量40L , 总用水量35440L (kg) ; 考虑最不利制热水工况为冬季, 且每天使用热水的人数占总人数的比例系数为018 ; 故总热水用量在制热水工况下实际热水需求量为:
Mx = 28352 kg
3.1、设计参数
室外气象条件: 珠海冬季室外计算相对湿度:70 %; 冷水计算温度20 ℃, 冷水最低温度15 ℃;热水计算温度: ≥50 ℃; 用水量按40L/ 天·每人计算。
3.2、负荷计算
热水需求的加热量: 考虑冬季的使用情况, 冷水的进水温度按15 ℃的标准计算, 水被加热达到的温度为55 ℃ (业主要求) 。
加热量的计算:
Q = C M( T2 - T1) (2)
式中:
Q —加热量, kJ ;
C —水比热, 4119kJ / kg ℃;
M —热水量, L (kg) ;
T1 —冷水进口温度, ℃, 按15 ℃计算;
T2 —热水出口温度, ℃, 按55 ℃计算
则Q = 4119 ×28352 × (55 - 15) = 4751795kJ ,
此热量为热水系统所需总热量。至于是用太阳能提供还是由热泵提供, 或者是由两者同时提供则要具体分析。
3.3、产品选型
(1) 太阳能集热板的选择:
在珠海, 太阳能有效吸收时间约为7∶30 - 15∶00。方案考虑建筑物屋面的功能, 尽量多的采用太阳能集热板覆盖, 该栋设置太阳能集热板195 块共390m2 。根据集热板的性能, 冬季每天每平方米加热水量为60kg , 则冬季太阳能集热板每天可加热总水量为:
M = 60 ×390 = 23400 kg (热水) 。
(2) 储热水箱的选择:
考虑在最不利的情况下选择热泵机组。即无太阳能供热的情况下全由热泵机组供热给热水系统。按规定一天供热时间不大于20 小时, 持续供热时间不大于12 小时。由于热水系统中的热水使用时间集中在晚上7～12 时(白班) 和上午7～9 时(夜班) , 故在储热水箱容积选择上按两次用水量中比较大的情况来计算。
V = Mx ×0155
式中:
V —储热水箱容量, m3 ;
Mx —热水需求量, kg ;
0.55 为白班占总用水量比例系数。
根据式(1) 得出储热量为V1 = 15593kg , 故储热水箱容积选用为16m3 。
(3) 热泵机组选择:
最不利情况下满足一天用热泵机组总功率为:
P = Q/ ( H ×3600) (4)
式中:
P —热泵机组总输出功率, kW;
H —供热时间(按要求为20 小时) 。
计算得出热泵机组总输出功率为66kW。
根据需要, 白班热水生产时间为9∶00 - 18∶00 ;夜班热水生产时间为18∶00 - 6∶00。
满足白班用热水机组总功率, 根据式( 2) 、
(3) 、(4) 及其得出的数值计算得出:
白班热泵机组总功率P白= 80166kW; 夜班热泵机组总功率P夜= 4915kW。
根据最不利情况选以上三者中功率最大值: 即机组选择制热量为80166kW。
3.4、热水生产控制方式分析
是否节能运行, 关键在于系统的控制是否能自动切换, 以下是太阳能集热板与热泵智能切换系统原理:
太阳能中央热水系统以太阳能为主体, 加以空气能热泵为辅。每天在充分利用太阳能的基础上,再利用空气源热泵。这样就存在着空气能热泵何时启动何时停止的问题。我们设计了太阳能与热泵智能切换系统, 能解决此问题。太阳能热水系统晴天最佳产热时间是每天早上9 点至下午3 点, 把最佳产热时间分为若干个时间段, 每个时间段设定依次升高的保温水箱热水温度(太阳能期望的温度) 。如某个时间段水箱热水的温度达不到设定的太阳能期望的温度, 则热泵启动加热至热水温度到设定的温度就停止。这样中央热水系统能充分利用太阳能的同时要保证供热水的温度, 避免要使用热水时热泵来不及加热的情况。太阳能与热泵智能切换系统可自动鉴别天气, 自动切换热泵机组少开或不开机。实现了智能切换, 才真正实现节能运行。
4、太阳能与热泵综合利用中央热水系统经济分析
4.1、计算依据
1kW/ h 电(能) 转化为热能为3600kJ , 热效率为90 % , 每kW/ h 电价为太阳能的好处017 元; 空气能热泵的热值为3600kJ / kWh , 热效率为380 %。设年平均冷水温度为15 ℃, 用热水温度为55 ℃。据省气象台预测, 每年有75 天为阴雨天, 完全由辅助加热器加热。
4.2、计算结果
(1) 每天将28352kg15 ℃的冷水加热到55 ℃需吸收总热量:
Q吸= C ·M入·△t (5)
式中:
Q吸—太阳能极板吸收总热量, kJ ;
M入—水的质量, kg ;
△t —冷热水温差, ℃
计算得知: Q吸= 4175 ×106
(2) 每天单纯用电热水器加热28352kg 水耗电
量:
M1 = Q吸/ (η1 ·入1) (6)
式中:
M1 —电加热耗电量, 单位, kWh ;
η1 —热泵机组的热值, 取值为3600kJ / kWh ;
入1 —转化效率, 取值90 %
计算得知: M1 = 1465kWh。
(3) 每天单纯用电热水器加热28352kg 水耗电费:
1465 ×017 = 1025150 元
(4) 用电热水器供应热水(每天28352kg) 年运行费用为:
1025150 ×365 = 374307150 元
(5) 用空气源热泵每天加热28352kg 水耗电量:
M2 = 347kWh。
(6) 用空气源热泵供应热水(每天28352kg)年运行费用为:
347 ×017 ×365 = 88658150 元1
(7) 用热泵辅助的太阳能系统供应热水(每天28352kg) 年运行费用为:
347 ×017 ×90 = 21861100 元
另因太阳能加热量差额, 需热泵辅助加热:
1 × (28352 - 23400) × (55 - 15) / (860 ×380 %) ×017 ×275 = 11668100 元
表1 运行费用对比表(单位: 万元)
热水器类型 热泵热水器 太阳能+ 热泵
设备投资 20153 28133
年运行费用 8187 3136
1 年总费用 2914 31169
2 年总费用 38127 35105
3 年总费用 47114 38141
5 结论及存在问题
综上所述, 通过典型案例, 简单介绍了华南地区合理利用太阳能集热板加辅助风冷热泵机组制取生活热水的设计思路, 罗列了设备选型方法; 并对比分析了直接用热泵热水器与太阳能加热泵的运行费用, 显而易见多投资的太阳能集热板部分, 在约1 年半的时间里就回收了。而且还有覆盖屋面减少建筑屋面传热的间接好处。
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