太陽能聯合空氣源熱泵熱水系統優化設計

王鏡明, 楊 雪

(青島開源熱力設計研究院有限公司, 山東 青島 266071)

1 概述

我國能源消費結構向清潔低碳加快轉變。2019年煤炭消費量占能源消費總量比例為57.7%。天然氣、水電、核電、風電等清潔能源消費量占能源消費總量比例為23.4%,非化石能源占能源消費總量比例達15.3%。

隨著國家對可再生能源利用的重視,許多地區鼓勵在建筑中推廣應用太陽能熱水系統、太陽能光伏發電、自然采光照明、空氣源熱泵熱水系統、空調熱回收等可再生能源利用技術[1-2]。

本文針對有生活熱水需求的某高鐵站公寓樓,對太陽能聯合空氣源熱泵熱水系統優化設計進行分析。

2 工程概況

湖南某高鐵站站房總建筑面積約60 000 m2,附屬房屋包括信號樓、公寓樓、綜合樓、門衛室等,本文以建筑面積較大的公寓樓為例進行分析。公寓樓總建筑面積8 581.3 m2,為7層建筑,建筑高度23.9 m。項目地處湖南,建筑無供暖需求,僅考慮生活熱水需求。公寓樓設計熱水定額為100 L/(人·d),定員按308人考慮,日用水量為30.8 t/d。自來水平均溫度取7 ℃,熱水供水溫度60 ℃。水的比定壓熱容取4 200 J/(kg·K),可計算得到生活熱水日加熱量為1 904.47 kW·h。公寓樓的熱水使用時間設定為12 h/d,且逐時負荷接近,熱水負荷均由空氣源熱泵機組(簡稱熱泵機組)承擔。由此可計算得到,熱泵機組的設計制熱量為158.7 kW。

3 系統設計

3.1 系統流程

太陽能聯合空氣源熱泵熱水系統(簡稱聯合系統)流程見圖1。聯合系統由太陽能熱水系統、熱泵機組熱水系統組成。太陽能熱水系統主要由太陽能集熱器、太陽能儲水罐、集熱器側循環泵組成。熱泵機組熱水系統主要由熱泵機組、保溫水箱、熱泵側循環泵組成。太陽能集熱器、太陽能儲水罐、集熱器側循環泵均設置在公寓樓屋頂上。

1—熱泵機組; 2—保溫水箱; 3—熱泵側循環泵;4—用戶側加壓泵; 5—太陽能集熱器; 6—太陽能儲水罐;7—集熱器側循環泵。圖1 聯合系統流程

冷水經太陽能集熱器加熱后,進入太陽能儲水罐。當太陽能儲水罐水溫達到要求后,送入保溫水箱。保溫水箱內的水由熱泵機組加熱。滿足要求的保溫水箱內熱水經用戶側加壓泵加壓后供應用戶。太陽能儲水罐、保溫水箱液位低于設定值后,由自來水補充。

3.2 控制策略

當太陽能集熱器出水溫度高于50 ℃時集熱器側循環泵工作,太陽能集熱器出水溫度低于40 ℃時集熱器側循環泵停機。當太陽能儲水罐水溫高于45 ℃后,電磁閥開啟,將熱水輸送至保溫水箱。當太陽能儲水罐水溫低于40 ℃后,電磁閥關閉,停止向保溫水箱輸水。當保溫水箱水溫低于50 ℃時,熱泵機組工作。當保溫水箱水溫高于65 ℃后,熱泵機組停機。用戶分區設置,當某區域用戶有用水需求時,開啟對應區域的用戶側加壓泵。

3.3 設備選型

聯合系統設備數量、單價、單臺額定參數見表1。出于余量考慮,單臺熱泵機組額定制熱量選取75.6 kW。太陽能儲水罐采用承壓鋼質儲水罐,太陽能集熱器選用平板型太陽能集熱器。集熱器側循環泵、熱泵側循環泵、用戶側加壓泵均為1用1備。由表1可知,聯合系統設備購置費為148.33×104元。經測算,安裝費為29.70×104元,則聯合系統造價為178.03×104元。

表1 聯合系統設備數量、單價、單臺額定參數

4 系統優化

4.1 設備優化

① 太陽能熱水系統

太陽能熱水系統的原設計采用承壓鋼質儲水罐、平板型太陽能集熱器。承壓鋼質儲水罐的價格明顯高于常壓儲水罐,平板型太陽能集熱器維修成本高,損壞后需要整塊拆除更換。

將6 m3承壓鋼質儲水罐改為6 m3常壓儲水罐,不僅設備購置費降低,后期維護檢修也更加方便。將平板型太陽能集熱器改為真空管太陽能集熱器,與平板型太陽能集熱器相比,真空管太陽能集熱器價格低廉,有效風荷載面積小,損壞后僅更換破損的單根玻璃管即可。

② 熱泵機組熱水系統

由計算結果可知,熱泵機組的設計制熱量為158.7 kW。按3臺熱泵機組考慮,單臺熱泵機組設計制熱量為52.9 kW,因此選用額定制熱量為60 kW的熱泵機組即可滿足要求,原設計75.6 kW偏大。

原設計中,1臺熱泵機組配置1個8 m3保溫水箱,這樣的設計易導致3臺熱泵機組同時頻繁啟動,不僅耗電,也影響熱泵機組使用壽命。通過優化,將3個8 m3保溫水箱合并成1個24 m3保溫水箱。取消用戶分區設置,將生活熱水用戶管路合并,在確保生活熱水系統穩定的前提下,優化用戶側加壓泵數量,將原設計的6臺減為3臺(2用1備)。

4.2 系統優化

優化后聯合系統流程見圖2。優化后聯合系統流程、運行策略與改造前基本一致,但優化后,隨著取消用戶分區設置,受控變量減少,運行調節更加便捷。

1—熱泵機組; 2—保溫水箱; 3—熱泵側循環泵;4—用戶側加壓泵; 5—太陽能集熱器; 6—太陽能儲水罐;7—集熱器側循環泵。圖2 優化后聯合系統流程

4.3 經濟性分析

優化后聯合系統設備數量、單價、單臺額定參數見表2。集熱器側循環泵、熱泵側循環泵仍均為1用1備。由表2可知,優化后聯合系統設備購置費為99.1×104元。經過測算,優化后安裝費降至19.46×104元,因此優化后聯合系統造價為118.56×104元。與優化前相比,優化后系統造價降低33.4%。

表2 優化后聯合系統設備數量、單價、單臺額定參數