雙節能熱水系統的應用

上海石洞口煤氣制氣有限公司 姚良琮 姚麗婕

隨著經濟全球化的飛速進展，人們獲得的物質收益越來豐富，但忽視環境保護的經濟發展所帶來的“溫室效應”和“厄爾尼諾”等現象也越來越嚴峻。大力推廣普及使用清潔能源，已成為全球都積極追逐的熱點。

太陽能熱水系統是利用太陽能集熱器，收集太陽輻射能把水加熱的一種裝置。它是一種綠色的、運行費用低廉的熱水供應系統，相對于使用燃料制造熱水，能減少對環境的污染及二氧化碳的產生。太陽能是屬于每個人的能源，只要有場地與設備，任何人都可免費使用它。它不像使用煤氣有爆炸或中毒的危險，或使用燃料油鍋爐有爆炸的顧慮，或使用電力會有漏電的可能。但是由于太陽能集熱器的工作受氣候條件和晝夜變化影響太大，在雨雪天和陰天太陽能集熱器便無法工作；而一天之內，也只有白天才能集熱，夜晚便無法應用。所以有時需要輔助加熱。空氣源熱泵熱水機是根據逆卡諾循環原理，以少量的電能為驅動力，以制冷劑為載體，吸收空氣中的熱能，生產生活熱水。空氣源熱泵熱水機組制效率高，占地面積小。

將太陽能和熱泵兩者結合起來，揚長補短，優勢互補，既達到節能減排，又能全年全日連續供熱，是一種經濟環保安全可靠的熱水供應解決方案。

1 石煤公司原熱水供應系統概況

原浴室使用蒸汽熱交換器生產熱水。每天開放5 h，滿足250人次的洗浴需求，每天消耗洗浴水約為42 t。系統采用蒸汽熱交換器加熱水至高溫，送入浴室使用后直接排放，所用蒸汽向鄰近電廠采購。此套系統使用年限較長，加熱效率較低；且近年來外供蒸汽價格持續上漲(2011年蒸汽單價為200元/t)，間歇式使用蒸汽的方式非常不經濟，企業成本上升，管理不便的矛盾日益突出。為此，石煤公司于2011年7月起陸續對原浴室熱水供應系統及相關輔助設施進行了改造，其中浴室熱水供應系統改造投資 47.5萬元，相關輔助設施改造投資26.65萬元。石煤公司在采用太陽能和熱泵雙節能熱水系統后，取得了較好的節能效果。

2 系統改造設想

2.1 改造要求

利用太陽能熱水系統進行預熱，并用空氣能熱泵熱水系統補充加熱(在極端低溫的天氣情況下手動啟動備用電加熱系統)。利用太陽能的光照熱量和熱泵輔助加熱，能夠保證每天提供55±5℃以上的熱水，供應量不低于22 t。

2.2 改造方案的理論依據

(1)日用水量計算：

式中：Qd—日用水量，L/d；

m—用水計算單位，人；qr—熱水用水定額，L/人。

取洗浴人數：280人，每人用水定額為80 L，代入上式，

即：總用水量取22 t。

(2)太陽能集熱系統：

直接系統集熱器采光面積可根據用戶的每日用水量和用水溫度確定，按(2)式估算：

其中：Ac—直接系統集熱器采光面積，m2；

Qw—日均用水量，kg；

Cw—水的定壓比熱容，kJ/kg·℃；

tend—儲水箱內水的終止溫度，℃；ti—水的初始溫度，℃；

Jt—當地春分或秋分所在月集熱器受熱面上月均日輻量，kJ/m2；

f —太陽能保證率，實取0.5；

ηcd—集熱器全日集熱效率，根據經驗值取0.4～0.55(實取0.55)；

ηL—管路及儲水箱熱損失率，根據經驗值取0.2～0.25(實取0.2)。

現取：日均用水量Qw=22 000 kg

水的定壓比熱容Cw=4.18 kJ/kg·℃

儲水箱內水的終止溫度tend=50 ℃

水的初始溫度ti=15 ℃

月均日輻量Jt=16 420 kJ/m2

太陽能保證率f=0.5

集熱器全日集熱效率ηcd= 0.55

管路及儲水箱熱損失率ηL=0.2

代入(2)式得：集熱器采光面積Ac= 222.7 m2

(3)熱泵部分：

日用熱負荷：

式中：Pd—日用熱負荷，kWh；

Qd—日用水量，L；

T2—熱水溫度，機組額定工況為55 ℃；

T1—冷水溫度，取15 ℃；

η1—熱泵機組本體熱損失后的效率為0.95。

取Qd=22 000 L，代入(3)式：

熱泵熱水機組選型

式中：N—機組臺數；

Pd— 日用熱負荷，kWh；

Pe—機組額定工況下的制熱功率；

T—機組日工作小時。

現取：Pd=1 077 kWh

Pe=45(見熱泵機組參數表)

T=8

代入(4)式：N=1 077/(45*8)≈ 3

3 改造后熱水供應系統情況

3.1 系統簡介

3.1.1 系統簡介

本供熱系統由太陽能加熱系統與空氣能熱泵機組加熱系統及備用的電加熱裝置組成。首先利用太陽能加熱系統對供熱水箱進行預加熱，其次通過空氣熱泵進行輔助加熱，以便達到浴室熱水的供應要求。在極端最低氣溫(環境溫度在-3 ℃以下)時，熱泵無法有效運轉的情況下，可采用電加熱方式。

3.1.2 系統組成

本供熱系統主要由：太陽能集熱器、儲熱水箱、供熱水箱、冷水箱、空氣源熱泵機組、控制系統、水泵(增壓泵、循環泵)、電磁閥、壓力傳感器、溫度傳感器、液位控制器、電加熱管、管路系統、閥門、電線等組成。

3.1.3 主要設備設施

表1 主要設備設施

3.2 系統工作原理

3.2.1 工藝原理

在太陽能集熱器、儲熱水箱、供熱水箱中分別放有溫度控制器，來測試當前容積內的溫度(假設分別為T1、T2、T3)。

當T1- T2≥8 ℃時，太陽能循環泵啟動，水箱與集熱器之間循環，使水箱中的溫度升高。

當T1- T2≤4 ℃時，循環泵停止。

當T3小于設定值時，熱泵機組啟動，進行補充加熱致使溫度達到設定值停止。當儲熱水箱的水位小于設定值時，上水電磁閥啟動，上水達到設定值停止備用手動電加熱裝置，在極端低溫的天氣情況下手動啟動備用電加熱輔助加熱，當達到設定溫度時，會自動關閉，從而保證供熱水箱內的水溫達到設計要求。

3.2.2 工藝流程

圖1 雙節能熱水系統工藝流程

3.2.3 工藝參數

供水指標：

(1)日供水能力22 t；

(2)供水時間：多時段；

(3)供水溫度：55℃±5℃；

(4)用水人次：280人次；

(5)供水壓力：0.15～0.2 MPa。

3.3 系統優勢

3.3.1 高溫保護

系統中設有水箱高溫保護功能，為避免水箱溫度過高，當儲熱水箱內水的溫度達到最大默認值90℃時(該溫度可調節)，循環水泵自動停止工作，在儲熱水箱內水未達到最高水位時，系統會自動上水，使水溫降低。

3.3.2 水位控制

(1)定時上水：系統可根據用水時間定時定量上水，保證儲熱水箱內有充足的水位；

(2)低水位自動上水：當儲熱水箱內的水位低于設定的安全水位時，上水電磁閥自動打開，將冷水注入到儲熱水箱中；

(3)高溫自動上水：當儲熱水箱內水的溫度達到默認的設定值90℃(該溫度可調節)，系統會自動向水箱內注入冷水，以降低水箱內水的溫度，防止熱水燙人。

3.3.3 用水端管路的回水控制

按照設定的時間(溫度)，自動啟動用水端管路循環泵，將用水端管路里的冷水自動抽到供熱水箱中，并將供熱水箱中的熱水送入到管路中，做到一打開籠頭，就有熱水。

3.3.4 防凍系統

冬季當集熱器溫度低于防凍保護設定值時(2～15 ℃)，循環泵開啟。當集熱器溫度高于防凍保護關閉溫度時，關閉循環泵退出防凍保護。

3.3.5 自動計量刷卡系統

浴室系統加裝了洗浴熱水自動計量刷卡系統，用水量穩定，為太陽能熱水系統穩定運行提供了保障，同時大量的節約了用水。

3.3.6 整個系統全自動運行

系統采用智能化控制，通過軟件設置可實現多種功能，實現程序化運行、故障自檢，系統各測控點的狀態通過 LCD顯示屏顯示，一目了然。通過面板還可以很方便地設定和改變相關數據，整個控制系統性能可靠穩定、通用性強、易于替換維修。

4 改造前后數據對比

表2是系統安裝前8個月期間的能源消耗情況

表2 改造前系統能耗數據

表3是系統安裝后8個月期間的能源消耗情況

表3 改造后系統能耗數據

5 結論

根據上述記錄可以得出結論：啟用雙節能熱水系統前，8個月實際用水10 122 t、電129 760 kWh、蒸汽2 518 t，按水價格3.5元/t，電價格3.5元/kWh，蒸汽價格200元/t計算，系統綜合費用61.69萬元。雙節能熱水系統使用后8個月，實際用水6 058 t、電239 750 kWh，水價、電價同上計算，系統綜合費用為16.51萬元。

由此可看出，系統改造運行8個月來，除用電量上升外，其節能效果明顯，改造后系統綜合費用僅為原系統的26.8%，節約費用約減少45.18萬元，預計2年內即可收回投資。

公司對浴室供熱系統進行了改造，利用太陽能、空氣能等清潔能源綜合利用技術建立新型節能環保功能系統，替代原來效率低下的蒸汽熱交換器，取得了良好的節能效應。因此，雙節能熱水系統值得推廣。