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太阳能水环热泵供热系统
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内容提示：本文介绍了太阳能水环热泵供热系统设计。利用在中心屋顶上安装的太阳能集热系统，冬季作为水环热泵的热源，其他三季进行生活热水供应,以达到全年综合利用太阳能，并提高太阳能集热系统在冬季运行时的热效率。
摘要：本文介绍了太阳能水环热泵供热系统设计。利用在中心屋顶上安装的太阳能集热系统，冬季作为水环热泵的热源，其他三季进行生活热水供应,以达到全年综合利用太阳能，并提高太阳能集热系统在冬季运行时的热效率。
关键词：太阳能 水环热泵 供热
1 概述
随着经济的发展和人民生活水平的不断提高，我国正面临着越来越大的能源压力，特别是用于采暖、空调建筑能耗的增加，已成为我国不少城市缺电的诱因。地球上的化石燃料——煤、石油、天然气等将逐渐开采枯竭，开发包括太阳能、风能在内的可再生能源利用的任务已十分迫切。所以，在提高太阳能热利用应用技术水平的同时，应积极创造条件，将现有成熟技术在实际工程中推广应用，以积累经验，通过实践进行技术的改善、提高，起到样板和示范作用。（参考《建筑中文网》）
净雅集团娱乐中心是集餐饮、洗浴、演艺综合性服务的娱乐中心，其特点是热水用量大，对全年室内环境的舒适度要求高，用于采暖、空调和热水供应的耗能量大。为尽可能降低运行费用，减轻业主负担，我们提出了太阳能水环热泵的供热方案，利用太阳能进行冬季采暖，春、夏、秋三季供应生活热水，作到全年综合利用，并提高太阳能集热系统在冬季的热效率，得到了业主的认可和采纳，现已完成了初步设计。
2 太阳能集热系统的设计2.1 太阳能集热器总面积的确定
太阳能集热系统能够获取的有效得热量主要受两个因素的影响，一是太阳能集热器本身的热性能质量，二是安装的太阳能集热器总面积。在相同的太阳能资源和气候条件下，为得到要求的得热量，热性能好的太阳能集热器需要安装的面积小，必须选择高效集热器，才能降低初投资，获取最大的投资收益比。为适应冬季采暖和三季供热水的要求，太阳能集热系统应是闭式循环系统，这就要求太阳能集热器应有较高的承压能力。
因此，为保证太阳能集热系统运行的高效、安全和可靠，我们采用了清华阳光集团生产的全玻璃真空管U型管式太阳能集热器。其特点是在全玻璃真空管内置入铜制U型管作为集热介质的通道，使集热器的承压能力提高至1.0Mpa。该太阳能集热器在国际权威机构瑞士Rapperswil太阳能检测中心进行的热性能测试结果，为确定太阳能集热器的面积提供了依据。
全玻璃真空管U型管式太阳能集热器的瞬时集热效率方程为：
η= 0.5608- 0.92 ( Tm-Ta ) / G –0.010 ( Tm-Ta )2 / G
G——太阳辐照度
Tm——太阳集热器平均水温
Ta——环境温度
用该瞬时集热效率方程和北京地区20年的气象统计资料，我们分别按冬季运行和夏季运行的两个工况，逐时计算了冬夏两季在极端条件（1月、7月逐时最大总辐照度情况）和一般条件（1月、7月逐时平均总辐照度情况）下太阳能集热器的集热效率，以及单位面积的累计日得热量，即单位面积太阳能集热器的日产热水量。对所得结果进行综合分析，并参照太阳热水器企业过去的工程经验，按照最大小时热水用水量，确定基本符合用水量要求的太阳能集热器总面积。
确定太阳能集热器面积更为准确的方法，应在对太阳能热水系统进行热性能检测，得出了日热性能检测结果的基础上，再使用标准年的逐日太阳辐照量和平均环境温度，计算得出全年的单位面积逐日太阳能得热量，即年逐日单位面积太阳能产热水量。空调所负责的 “十五” 国家科技攻关课题将开发可进行太阳能热水系统全年热性能预测的计算软件，课题于2004年底完成后，将为太阳能集热系统的设计提供方便的计算工具。
2.2 太阳能集热系统设计
本工程太阳能集热系统所产生的太阳热水，在冬季作为水环热泵的热源用于采暖，在春、夏、秋三季则用于生活热水供应。这样既可达到全年综合利用太阳能的目的，又可因为水环热泵所需的一次水温度较低，而提高太阳能集热系统在冬季运行时的热效率。
根据建筑物条件，太阳能集热系统由两个分系统组成，太阳能集热器面积分别为160m2和260 m2，总面积420 m2。一般为全年热水供应使用的太阳集热器倾角应等于当地纬度，北京纬度是40度，但本工程为更加有利于冬季集热，将安装倾角加大至45度；冬季的太阳高度角低，集热器安装倾角加大，则集热器表面太阳直射辐射的入射角减小，对应的太阳辐照量增加。按夏季工况确定太阳贮热水箱的容积，每一分系统的贮热水箱容积为15m3，总容积30m3。
太阳能集热器的运行介质为防冻液，以解决冬季的防冻问题。因此，采用间接加热闭式系统，集热介质通过板式换热器加热贮热水箱中的用水，系统回水管路上循环泵前设定压膨胀罐。系统原理示意图见图1。
图1：太阳能集热系统原理图
太阳能热水箱是太阳能集热系统和太阳热水供水系统的相接点。每一太阳能集热分系统设2台太阳集热循环泵，一用一备，共4台太阳集热循环泵；太阳热水供水系统设2台太阳热水供水泵，一用一备。
在太阳热水供水系统环路上设置了2个手动截止阀进行冬季和其他三季的供水功能切换，阀1在冬季开启，其他三季关闭，太阳热水供给水环热泵环路；阀2在冬季关闭，其他三季开启，太阳热水供给生活热水环路。从而实现太阳热水在冬季供应生活热水，在其他三季作为水环热泵一次热水热源的功能变换。
本工程生活热水供应和冬季采暖的常规热源为燃气锅炉，生活热水系统采用容积式换热器换热，采暖系统则采用板式换热器。为最大限度地利用太阳得热量，春、夏、秋三季太阳热水是容积式换热器的给水，只在冬季改为由自来水给水。因此，在容积式换热器的给水管路上同样设置了2个手动截止阀进行冬季和其他三季的供水功能切换，阀1在冬季开启，其他三季关闭，由自来水向容积式换热器给水；阀2在冬季关闭，其他三季开启，则由太阳热水向容积式换热器给水。
由于娱乐中心的生活热水使用量随客流量的大小有较大变化，为防止长期用水量小而造成太阳能集热系统水温过高，甚至发生汽化的现象，在系统的每排集热器管路上均设置自动放气阀，以保证系统的运行安全。为防止热水在板式换热器内产生结垢，每个板式换热器的进口管路上都需加装电子除垢仪。
为充分挖掘节能效益，选用的燃气锅炉应有良好的自控功能，可根据容积式换热器和板式换热器太阳热水供水温度的变化自动调节锅炉的供热出力，真正起到节能效果。
3 太阳能供热系统的运行控制太阳能集热系统采用温差控制循环，在太阳能热水箱内和每一太阳能集热分系统上均设置温度传感器，当太阳集热系统水温T1高于贮热水箱水温T2时，集热循环泵启动，集热系统运行，通过太阳集热器加热后的热水进入贮热水箱。当太阳集热器系统水温T1低于贮热水箱水温T2时，集热循环泵关闭，集热系统停止运行，防止温度低于T2的冷水进入水箱，以避免夜间和阴、雨、雪天的无谓热损失。
太阳能热水箱的补水是直接利用自来水，在水箱内设置高低水位控制器，通过高、低水位信号控制自来水供水管路上的电磁阀，在水箱水位下降到设定的低水位时，电磁阀开启补水；补水到达设定的高水位后，电磁阀关闭停止补水。在春、夏、秋三季，即使没有太阳热水时，容积式换热器的自来水补水也是通过太阳能热水箱予以补充。
春、夏、秋三季太阳热水供水泵按照容积式换热器的补水控制方式启停，需要补水时，信号控制太阳热水供水泵启动，水满后停泵。冬季时，容积式换热器由自来水补水，补水时，信号控制自来水管路上的电磁阀开启进水，水满后电磁阀关闭。
冬季运行时，太阳热水通过板式热交换器加热水环热泵的一次热水，在夜间和阴、雨、雪天太阳供热量不足时，太阳能热水箱的水温可能会低于水环热泵空调系统的采暖回水温度。因此，太阳热水供水泵的启停，应该根据太阳能热水箱内的水温来控制。否则采暖回水不仅不能从热交换器获取热量，反而可能损失热量，造成采暖回水温度的继续降低。控制水泵启停的水箱温度设定与水环热泵的设计采暖回水温度密切相关，本工程水环热泵的设计采暖回水温度为22℃；所以，太阳热水供水泵运行的控制为：当太阳能热水箱的水温低于25℃时，供水泵停，当太阳能热水箱的水温达到30℃时，供水泵重新启动；从而保证采暖回水通过热交换器始终是获取热量。
参考文献：（1）王长贵.郑瑞澄.新能源在建筑中的应用.北京：中国电力出版社，2003
来源: 《建筑中文网》.原文网址：http://www.pipcn.com/research/200607/8621.htm
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