PHNIX空气源热泵与太阳能综合设计方案
PHNIX（芬尼克兹）集团
摘要介绍了综合应用空气源热泵热水器与太阳能的应用实例机器设计，探讨建筑生活热水的节能系统形式。
关键词空气源热泵太阳能生活热水
1 引言
某经济型连锁酒店，是国内一家多品牌的经济型连锁酒店集团。致力于实现“中国服务”的理想，即打造世界级的中国服务品牌。日前该酒店在广州市又开连锁分店。本文介绍了该酒店热泵与太阳能综合利用提供生活热水工程的案例。
酒店设有单人间：55个，标准间：40个，总共3层。
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
3.1设计水量
日用热水定额（55℃）
|
房间
|
数量
|
人员
|
用水定额（L）
|
日用水量（L）
|
|
单人间
|
55
|
1人/间
|
120L/人
|
55x120=6600
|
|
标准间
|
40
|
2人/间
|
120L/人
|
40x2x120=9600
|
|
合 计
|
6600+9600= 16200升
|
|||
现根据上表计算每天需热水量约16.2吨热水。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0.8 ; 故总热水用量在制热水工况下实际热水需求量为:
=12.96吨
3.2 设计参数
3.3 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：
式中:
Q —加热量, kJ ；
C —水比热, 4.19kJ / 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 = 4.19 ×12960 × (55 - 15) = 2172096KJ=603kW
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。
3.4设备选型
(1) 太阳能集热板的选择:在广州, 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108块共
216m2。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 ×216 = 12960 kg 。
(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。根据酒店实际的使用要求，热水用水共计13T，安装位置在酒店建筑物顶层，靠近热泵机组的热水主管路。另考虑到用水量大时间比较集中，做13T不锈钢圆形保温水箱1个（水箱内胆材质为304不锈钢材料，厚度为0.8mm。外胆材质为0.5mm厚不锈钢材料，中间保温层厚度为5CM聚胺脂发泡保温材料）。同时该方案为全天候即用即产水方式，完全能满足用热水要求。
(3) 热泵机组的选择
最不利情况下满足一天用热泵机组总功率为:
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30kW。选用PHNIX整体直热式热水机组PASHW130SB-2-C一台即可满足要求。
3.5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 经济性分析
据省气象台统计，广州平均每年有160天为阴雨天气。
1kW/ h 电(能) 转化为热能为3600kJ , 热效率为90 % , 每kW/ h 电价为0.8 元; 空气能热泵的热值为3600kJ / kWh , 热效率为420 %。设年平均冷水温度为15 ℃, 用热水温度为55 ℃。
现提供三种方案的对比比较，分别为太阳能+热泵，热泵，太阳能：其费用分析见下表：
|
方案1太阳能、热泵联合
|
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|
季节
|
|
夏季
|
春秋季
|
冬季
|
||||||||||||||
|
设备使用
|
|
热泵使用天数
|
太阳能使用天数
|
热泵使用天数
|
太阳能使用天数
|
热泵使用天数
|
太阳能使用天数
|
|||||||||||
|
使用时间
|
天
|
45
|
120
|
25
|
25
|
110
|
40
|
|||||||||||
|
自来水温度
|
℃
|
20
|
20
|
15
|
15
|
10
|
10
|
|||||||||||
|
目标水温
|
℃
|
45
|
45
|
50
|
50
|
55
|
55
|
|||||||||||
|
进出水温差
|
℃
|
25
|
25
|
35
|
40
|
45
|
50
|
|||||||||||
|
空气能热泵能效率比
|
/
|
3.8
|
|
3.5
|
|
2.8
|
|
|||||||||||
|
热水用量
|
t
|
12960
|
|
12960
|
|
12960
|
|
|||||||||||
|
所需热量
|
kW.h
|
376.81
|
|
527.5
|
|
678.26
|
|
|||||||||||
|
每天耗电量
|
|
99.16
|
|
150.7
|
|
242.24
|
|
|||||||||||
|
单位电价
|
元
|
0.8
|
|
0.8
|
|
0.8
|
|
|||||||||||
|
每天的电费
|
元
|
79.33
|
|
120.6
|
|
193.79
|
|
|||||||||||
|
水泵运行费
|
元
|
8x185x0.12x0.8=142
|
||||||||||||||||
|
各季节运行费用
|
元
|
3569.8
|
0.0
|
3014.5
|
0.0
|
21316.8
|
0.0
|
|||||||||||
|
年运行费用
|
元
|
28043
|
||||||||||||||||
|
日运行费用
|
元
|
￥5.93
|
||||||||||||||||
|
方案2 热泵
|
||||||||||||||||||
|
季节
|
|
夏季
|
春秋季
|
冬季
|
||||||||||||||
|
使用时间
|
天
|
165
|
50
|
150
|
||||||||||||||
|
自来水温度
|
℃
|
20
|
15
|
10
|
||||||||||||||
|
目标水温
|
℃
|
45
|
50
|
55
|
||||||||||||||
|
进出水温差
|
℃
|
25
|
35
|
45
|
||||||||||||||
|
空气能热泵能效率比
|
/
|
3.8
|
3.5
|
2.8
|
||||||||||||||
|
热水用量
|
T
|
12.96
|
12.96
|
12.96
|
||||||||||||||
|
总热量
|
kW
|
376.81
|
527.54
|
678.26
|
||||||||||||||
|
每天的耗电量
|
kW.h
|
99.16
|
150.72
|
242.24
|
||||||||||||||
|
单位电价
|
元/kW.h
|
0.8
|
0.8
|
0.8
|
||||||||||||||
|
每天的电费
|
元
|
79.33
|
120.58
|
193.79
|
||||||||||||||
|
各季节运行费用
|
元
|
13089.3
|
6029.0
|
29068.4
|
||||||||||||||
|
年运行费用
|
元
|
48187
|
||||||||||||||||
|
日运行费用
|
元
|
￥10.19
|
||||||||||||||||
|
方案三 太阳能热水器
|
||||||||||||||||||
|
季节
|
|
夏季
|
春秋季
|
冬季
|
||||||||||||||
|
设备使用
|
|
电辅
|
太阳能
|
电辅
|
太阳能
|
电辅
|
太阳能
|
|||||||||||
|
使用时间
|
天
|
45
|
120
|
25
|
25
|
110
|
40
|
|||||||||||
|
自来水温度
|
℃
|
20
|
20
|
15
|
15
|
10
|
10
|
|||||||||||
|
目标水温
|
℃
|
45
|
45
|
50
|
50
|
55
|
55
|
|||||||||||
|
进出水温差
|
℃
|
25
|
25
|
35
|
40
|
45
|
50
|
|||||||||||
|
电辅能效比
|
/
|
0.9
|
|
0.9
|
|
0.9
|
|
|||||||||||
|
热水用量
|
t
|
12.96
|
|
12.96
|
|
12.96
|
|
|||||||||||
|
总热量
|
kW
|
376.8
|
|
527.6
|
|
678.3
|
|
|||||||||||
|
每天的耗电
|
kW.h
|
418.68
|
|
586.2
|
|
753.62
|
|
|||||||||||
|
单位电价
|
元
|
0.8
|
|
0.8
|
|
0.8
|
|
|||||||||||
|
每天的电费
|
元
|
334.94
|
|
468.9
|
|
602.90
|
|
|||||||||||
|
水泵运行费
|
元
|
120x8x365x1/1000=350.4
|
||||||||||||||||
|
各季节运行费用
|
元
|
15072.5
|
0.0
|
11723
|
0
|
66318.9
|
0.0
|
|||||||||||
|
年运行费用
|
元
|
102823
|
||||||||||||||||
|
日运行费用
|
元
|
￥21.74
|
||||||||||||||||
总运行费用分析：
|
方案名称
|
方案一
|
方案二
|
方案三
|
|
初投资（万元）
|
19
|
4
|
15
|
|
第一年运行费用（万元）
|
3
|
5
|
10
|
|
第二年运行费用（万元）
|
3
|
5
|
10
|
|
第三年运行费用（万元）
|
3
|
5
|
10
|
|
第四年运行费用（万元）
|
3
|
5
|
10
|
|
第五年运行费用（万元）
|
3
|
5
|
10
|
|
第六年运行费用（万元）
|
3
|
5
|
10
|
由上表可知，空气源与热泵联合使用具有运行低，可靠性高的特点。PHNIX空气源热泵运行最低，而太阳能热水器的运行费用最高。
从整体经济性来看，太阳能与热泵联合使用初投资较高的特点，回收周期先对较长。但是从能源的可持续发展性来看，太阳能与热泵联合使用仍然有一定的竞争优势。
4 结论
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6 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。作者认为, 在全球大力倡导节能减排的今天,应该抛弃以往认为华南地区的天气不稳定, 阴雨天多, 使用太阳能集热板不稳定的固有思维, 尽量多的利用可再生的能源来为我们服务。成败的关键还是在于设计, 以及控制的实现。但实际案例中尚存在一些问题: (1) 智能控制部分由于不是标准件,而是依据逻辑控制模型购买传感器及控制模块集成的控制系统,目前来看模块的功能不稳定; (2) 热泵热水机组发展时间短,其本身自动控制水平有限,自带的控制模块的拓展性能不足,尤其在群控方面远未能实现。需补充外挂模块,甚至完全脱离其原有模块,另行配置控制系统。如果相关主要设备厂家能在其与太阳能集热板等附属设备的综合利用上,做足自动控制及群控的研发,将为综合利用可再生能源的应用提升一个新台阶。
http://nt.shejis.com/ntlw/201012/article_25321.html