太阳能联合空气源热泵热水系统优化设计

王镜明, 杨 雪

(青岛开源热力设计研究院有限公司, 山东 青岛 266071)

1 概述

我国能源消费结构向清洁低碳加快转变。2019年煤炭消费量占能源消费总量比例为57.7%。天然气、水电、核电、风电等清洁能源消费量占能源消费总量比例为23.4%,非化石能源占能源消费总量比例达15.3%。

随着国家对可再生能源利用的重视,许多地区鼓励在建筑中推广应用太阳能热水系统、太阳能光伏发电、自然采光照明、空气源热泵热水系统、空调热回收等可再生能源利用技术[1-2]。

本文针对有生活热水需求的某高铁站公寓楼,对太阳能联合空气源热泵热水系统优化设计进行分析。

2 工程概况

湖南某高铁站站房总建筑面积约60 000 m2,附属房屋包括信号楼、公寓楼、综合楼、门卫室等,本文以建筑面积较大的公寓楼为例进行分析。公寓楼总建筑面积8 581.3 m2,为7层建筑,建筑高度23.9 m。项目地处湖南,建筑无供暖需求,仅考虑生活热水需求。公寓楼设计热水定额为100 L/(人·d),定员按308人考虑,日用水量为30.8 t/d。自来水平均温度取7 ℃,热水供水温度60 ℃。水的比定压热容取4 200 J/(kg·K),可计算得到生活热水日加热量为1 904.47 kW·h。公寓楼的热水使用时间设定为12 h/d,且逐时负荷接近,热水负荷均由空气源热泵机组(简称热泵机组)承担。由此可计算得到,热泵机组的设计制热量为158.7 kW。

3 系统设计

3.1 系统流程

太阳能联合空气源热泵热水系统(简称联合系统)流程见图1。联合系统由太阳能热水系统、热泵机组热水系统组成。太阳能热水系统主要由太阳能集热器、太阳能储水罐、集热器侧循环泵组成。热泵机组热水系统主要由热泵机组、保温水箱、热泵侧循环泵组成。太阳能集热器、太阳能储水罐、集热器侧循环泵均设置在公寓楼屋顶上。

1—热泵机组; 2—保温水箱; 3—热泵侧循环泵;4—用户侧加压泵; 5—太阳能集热器; 6—太阳能储水罐;7—集热器侧循环泵。图1 联合系统流程

冷水经太阳能集热器加热后,进入太阳能储水罐。当太阳能储水罐水温达到要求后,送入保温水箱。保温水箱内的水由热泵机组加热。满足要求的保温水箱内热水经用户侧加压泵加压后供应用户。太阳能储水罐、保温水箱液位低于设定值后,由自来水补充。

3.2 控制策略

当太阳能集热器出水温度高于50 ℃时集热器侧循环泵工作,太阳能集热器出水温度低于40 ℃时集热器侧循环泵停机。当太阳能储水罐水温高于45 ℃后,电磁阀开启,将热水输送至保温水箱。当太阳能储水罐水温低于40 ℃后,电磁阀关闭,停止向保温水箱输水。当保温水箱水温低于50 ℃时,热泵机组工作。当保温水箱水温高于65 ℃后,热泵机组停机。用户分区设置,当某区域用户有用水需求时,开启对应区域的用户侧加压泵。

3.3 设备选型

联合系统设备数量、单价、单台额定参数见表1。出于余量考虑,单台热泵机组额定制热量选取75.6 kW。太阳能储水罐采用承压钢质储水罐,太阳能集热器选用平板型太阳能集热器。集热器侧循环泵、热泵侧循环泵、用户侧加压泵均为1用1备。由表1可知,联合系统设备购置费为148.33×104元。经测算,安装费为29.70×104元,则联合系统造价为178.03×104元。

表1 联合系统设备数量、单价、单台额定参数

4 系统优化

4.1 设备优化

① 太阳能热水系统

太阳能热水系统的原设计采用承压钢质储水罐、平板型太阳能集热器。承压钢质储水罐的价格明显高于常压储水罐,平板型太阳能集热器维修成本高,损坏后需要整块拆除更换。

将6 m3承压钢质储水罐改为6 m3常压储水罐,不仅设备购置费降低,后期维护检修也更加方便。将平板型太阳能集热器改为真空管太阳能集热器,与平板型太阳能集热器相比,真空管太阳能集热器价格低廉,有效风荷载面积小,损坏后仅更换破损的单根玻璃管即可。

② 热泵机组热水系统

由计算结果可知,热泵机组的设计制热量为158.7 kW。按3台热泵机组考虑,单台热泵机组设计制热量为52.9 kW,因此选用额定制热量为60 kW的热泵机组即可满足要求,原设计75.6 kW偏大。

原设计中,1台热泵机组配置1个8 m3保温水箱,这样的设计易导致3台热泵机组同时频繁启动,不仅耗电,也影响热泵机组使用寿命。通过优化,将3个8 m3保温水箱合并成1个24 m3保温水箱。取消用户分区设置,将生活热水用户管路合并,在确保生活热水系统稳定的前提下,优化用户侧加压泵数量,将原设计的6台减为3台(2用1备)。

4.2 系统优化

优化后联合系统流程见图2。优化后联合系统流程、运行策略与改造前基本一致,但优化后,随着取消用户分区设置,受控变量减少,运行调节更加便捷。

1—热泵机组; 2—保温水箱; 3—热泵侧循环泵;4—用户侧加压泵; 5—太阳能集热器; 6—太阳能储水罐;7—集热器侧循环泵。图2 优化后联合系统流程

4.3 经济性分析

优化后联合系统设备数量、单价、单台额定参数见表2。集热器侧循环泵、热泵侧循环泵仍均为1用1备。由表2可知,优化后联合系统设备购置费为99.1×104元。经过测算,优化后安装费降至19.46×104元,因此优化后联合系统造价为118.56×104元。与优化前相比,优化后系统造价降低33.4%。

表2 优化后联合系统设备数量、单价、单台额定参数