搜索
本文以实际设计工程为实例，在洗浴及生活用热水方面提出了一种采用空气源热泵热水系统的形式，介绍了其工作原理和各组成部分的设计要求，并对设计方案进行了综合分析、比较，从而得出结论：用空气源热泵热水系统取代锅炉的确是一个经济合理的方案。这种无需设计专用机房、无污染又安全、全年综合节能率70%以上的制热水方式，是一种实用的环保节能技术，值得大力推广。随着经济的发展，能源紧张以及环境保护问题日益突出。近年来，上海市的不少宾馆都实施了“煤改气（油、电）”的环保政策，但却造成了洗浴热水费用升高。上海宝钢集团宝山宾馆冬季高峰时单此项费用每天就高达3万余元。如何更多更好地利用自然能源，特别是低位能源，避免和减少环境污染，缓和能源紧张问题早已是人们所关注的课题。有些宾馆为了降低洗浴热水的成本，安装了真空管式太阳能热水系统，靠太阳光的直射来产热，是解决了环保问题，也相应降低了部分时段的洗浴热水成本。但据上海市近3年的气象资料表明，上海市每年有近半年时间为多云与阴雨天，此气候条件下还是要靠电热管辅助加热，而用电直接加热水的费用比锅炉还高（每吨水温度升高到40℃就得花费30多元），且需提供足够大的楼顶安装集热器，有一定的局限性。太阳能是大自然赋予人类取之不尽的清洁能源，充分利用它服务于人类的生产、生活是人们长期以来的愿望。空气源热泵热水系统就是比较理想的太阳潜能（空气能）的利用方式之一，为此，宝山宾馆领导责成保障部经理牵头成立了由工程技术人员组成的QC攻关小组，于2004年下半年开始进行这方面的探索。空气源热泵热水系统的优势空气源热泵热水系统就是把空气作为低位热源，通过查阅大量的文献资料得知与常规热水产热系统相比，空气源热水系统具有以下优势：1.资源丰富。地球上百分之九十几的能量是来自太阳的，太阳能数量巨大，且取之不尽用之不竭，一系列的常规能源，譬如煤炭、石油都是太阳能长期转换的结果，而这只是相当小的一部分能量。另外一大部分能量都以地流热、辐射热等形式存在于空气中。空气源热泵热水系统就是将空气中的这些热量和其他低温热源中无法利用的潜热及工业排放的废热通过泵搬运到水中去，从而使水变热。2．技术日趋成熟。国际上，美国空气源热泵热水器已经有20多年历史了，澳大利亚也在15年前就开始研制同类产品。国内虽然起步较晚，但在国家重点扶持和科研、生产部门的不断努力下，目前空气源热泵热水机的生产已初具规模，部分厂家产品已达到或超过国际先进水平，空气源热泵热水机的产业化和产品质量的提高，为我们的尝试提供了条件。3.优越的经济性。空气源热水系统利用很少的电搬运几倍的热量，年节约率高达80%以上。4.良好的实用性。空气源热泵热水系统采用的是容积式储热方式，在短时停电停水的情况下可连续供热水，且费用低于常规热水系统，连续供水还可减少管道腐蚀，延长管道寿命并保证水质清洁。5.无与伦比的环境效益。空气源热能是无污染能源，这是其它能源所无法比拟的，在环境污染日趋严重的今天，这一点更为重要。探索过程1.热泵机组的选定空气源热泵热水机组，顾名思义关键在于热泵。要靠热泵把存在于空气中的低位热能搬运到水中去来把水加热，一要求压缩机能承受高温高压；二要求有较大换热表面积的蒸发器，与空气接触的表面积越大，在同等条件下能搬运到的热能就越多，能效就会越高越节能；三是高性能的搬热的工质（也称冷媒），要能在严寒的冬季把寒冷的空气中低位的热能采集提高搬运到水中去，要求工质的两态（液态与气态）转换温度点要低于-25℃，同时要能产生65℃的热水又要求工质的临界压力要低，否则压力太高对压缩机不利或使压缩机进入高压保护而制不了高温热水。对照以上3项以及厂家产品的生产工艺、质量保证、售后服务等诸多因素，最终选定了由世界太阳能协会理事、中国空气源热泵热水机发起人韩广田老师研发的豪瓦特热泵热水机组。该厂家机组采用的美国谷轮压缩机和比同行业同类产品增大到1.5倍表面积的蒸发器，特别是该机组采用的是其自己独特配方的混合工质，打破了其他品牌机组用R22或R417等单一工质只能制到55℃热水与适应不了-5℃以下环境的极限，产生65℃热水时压缩机压力为22kg，其他品牌的同类产品到55℃时压缩机压力就超过此值了。为了慎重起见，我们与厂家联系定在较寒冷的2004年12月初在宝山宾馆先安装了一只日产2吨65℃热水的小系统进行过冬论证，到2005年4月得出数据表明：在最恶劣的寒冬用此机组制一吨热水的总费用为7.32元，较用燃气锅炉的28.93元节约了近75%。2.系统方案论证与实施热泵热水机组必须由主机和水箱、循环泵组成，通过循环把主机产热带入水箱，对水箱的水逐渐升温加热，水系统的工作情况，直接影响到整体效果，所以我们称之谓热泵热水系统。常用的系统有直接大循环式和定温放水式两种不同形式。直接大循环又有一次加水加热放水和不间断使用补水两种。定温放水由加热水箱和储热水箱组成，加热水箱有不承压定温完全放水和承压不间断自动补水顶水放水式两种。这些系统各有优缺点，我们分析了2吨热泵热水小系统的特性，发现在加热的过程中，水温越低能效比COP值越高，随着水温的升高COP值在降低，相同外部工况下同等的水从20℃加热到50℃时段，与50℃升高到60℃时段所耗用的能量接近。最后选用加热水箱定温全放水方式。控制系统虽然较复杂，但每加热一箱水都是从冷水初始温度到设定温度全过程加热，充分发挥热泵输入功率随温升变化的特点COP值较高，节能效果明显，加之冬季机组间断工作不易结霜。有了2吨小机组过冬的数据与基础，在宾馆领导的决策下，我们首先选定了宾馆职工浴室与食堂用热水作为节能改造的方向，目标是结合浴室采用智能磁卡系统与利用夜间低价谷电，力争使节能改造后年平均综合节约率达80%（详见表一）。根据职工浴室与食堂该造后的目标日用热水量为45吨，放10%的容积余量，我们的空气源热泵热水系统的日产热水能力需达到50吨。选用8台豪瓦特JKR-10H热泵工程机组，日产热水量为50吨。通过查阅该公司产品资料再结合实际情况，春夏秋三季环境温度和入水温度比较高，上海地区最高气温达35℃，按平均环境温度为25℃，入水温度为20℃时，10匹机每小时产60℃热水750L，用8台10匹机工作8.5小时可产60℃热水50吨。冬季气温比较低，上海地区最低气温为0℃左右，入水温度10℃，此时10匹工程机每小时产60℃热水400L，最恶劣的情况下用8台10匹机工作16小时可产60℃热水50吨。豪瓦特产品参数（详见表二）。一只储热水箱。50吨容量(内部分15吨与35吨独立的两格，35吨供宾馆职工浴室，15吨供食堂)，内层不锈钢板，底板厚度2.0mm，侧板厚度1.5~2.0mm，冲压加强成型，内径7m长（分成5m与2m）×3m宽×2.5m高，外层材料玻璃钢板或不锈钢板冲压加强成型，两层中间10cm厚的PE橡塑保温，整体底部8根×4根20号槽钢，在保温层中另加8号槽钢框架。水箱外北侧面各带液位显示，水箱顶部分别各内置1套不锈钢蒸气管消音装置，以便备份蒸气锅炉启动时使用。两只加热水箱。均为2吨容量，1.28m×2.1m，内外均为不锈钢，中间50mm西班牙聚氨酯填充保温。3台热泵机组对一只加热水箱加热供给15吨储热水箱，5台热泵机组对另一只加热水箱加热供给35吨储热水箱。一只放置于食堂楼顶提高位能的热水储水箱。3吨容量，1.52m×2.1m，内外均为不锈钢，中间50mm用西班牙聚氨酯填充保温。热水循环泵11只。8台热泵热水机组8套管路中各配用1只，3只小水箱各配用1只。电磁阀5只。控制两只2吨加热水箱的冷水进水，各配用1只电磁阀；控制加热完出热水到50吨大水箱配用3只电磁阀。系统总电控柜1只。控制70kVA负荷能力，具有漏电、缺相、错相、过载保护功能，显示和控制两只加热水箱与15吨、35吨储热水箱的水温，显示和控制15吨、35吨储热水箱的水位。3.系统的工作原理两只加热水箱与15吨、35吨储热水箱中各设定高低水位信号点。系统启动时检测到加热水箱中水位未到高水位点，总控柜发出进冷水信号控制进水电磁阀打开进冷水，待到高水位时自动关闭电磁阀停止进冷水。系统启动的同时8台热泵机组控制部分得电，延时150秒后风机全部得电打开，3台热泵机组与5台热泵机组中各台依次分别向后再延时40秒依次启动各自的压缩机，以减小整个系统的启动电流。待200秒后8台机组全部运行对加热水箱中的水加热，加热水箱中的水温升高到设定的放水温度时，放热水电磁阀与加速放水泵同时得电快速向35吨（15吨）储水箱排放热水，此时机组仍在循环加热。随着加热水箱中的水位下降，水温会加快升高，升高到设定的热泵机组停机温度时机组停止工作。加热水箱中的热水排放到下水位时，总控柜控制放热水电磁阀与加速放水泵断电停止排放热水，同时进冷水电磁阀再度得电进冷水。随着加热水箱中冷水水位的升高，热泵机组的温度传感头的温度会下降，下降至机组再启动时，机组又分别延时启动工作（此时总体同时延时150秒），重新对水箱中的冷水加热。当加热水箱中冷水水位升高到高水位时，系统自动关闭进冷水电磁阀停止进冷水。如此反复，当15吨储热水箱中的水位到高水位时，总控柜切断与其相关的加热水箱向其排放热水电磁阀的电源，使加热水箱停止向其排放热水，同时加速放水泵与另一旁通到35吨储热水箱的放热水电磁阀把热水也排放到35吨储热水箱，此时相当于两只加热水箱均对35吨储热水箱制水。待35吨储热水箱中的热水水位也到设定的高水位时，总控柜发出信号控制放热水电磁阀与加速放水泵停止工作，而加热水箱中的热水因热泵机组仍在加热，水温一直升高到设定的热泵机组停机温度时，系统自动停止工作。随着浴室或食堂热水的使用，35吨（15吨）储热水箱中的水位开始下降，当降至设定的下水位时会对总控柜发出信号，此时加热水箱中的热水水温因高于设定的放热水水温开始排放热水，加热水箱中的水位下降，当降至进冷水水位时，停止排放热水开始进冷水，系统自动启动。由于宾馆食堂高于15吨储热水箱，在食堂楼顶放置了一只提高位能的3吨储热水箱，其与15吨水箱之间的热水管路中设有一只受3吨储热水箱中水位自动控制的自吸热水泵，以确保楼顶3吨储热水箱中的热水水位。4.系统各环节水温的设定无论是锅炉还是其他形式产生热水，人们总希望水的温度越高越好，这是一个误区。水温太高水的循环能力会相应减小，一般的水质在65℃~85℃之间是强结垢区，65℃以下是弱结垢区，如果达到85℃以上就会形成坚硬水垢，会阻碍热水系统内部的水循环，影响水温。国际上生活标准热水为60℃，洗浴用水为40℃~45℃，利用低水温、大容量的办法可以提高系统的效率。宾馆把加热水箱的排热水温度设定在56℃，热泵机组最终停机温度设定为58℃。5.系统方案的实施由于整个系统方案在前期进行了周密的论证与分析，加之宾馆有一支具有多年制冷锅炉水电管工经验的工程技术人员队伍，经与豪瓦特公司技术人员的多方接洽，共同努力，经过近一个月的时间，整个改造项目全部完成并投入运行。现在系统全自动运行一切正常。经济价值分析系统投入运行后，宾馆在2005年5月27日22：00开始到5月28日7：24记录了一组水电数据（详见表三）。环境温度为21℃，进水温度为18℃，出水温度为56℃，宾馆用水单价为1.2元/吨，排污费为1.5元/吨。在以上工况下，系统产生每吨热水的总费用为：3.36＋1.2＋1.5=6.06元。较原来用燃气锅炉时每吨热水费用28.93元节省了28.93－6.06=22.87元上海夏季的环境温度最高达35℃，此时进水温度可达21℃，冬季的最低气温可低至-5℃，进水温度为4℃，但相对时间较短，为此，我们把以上记录的数据作年平均数据来计算：系统每年节约费用总额为：22.87×50.6×365=42.24万元存在的问题和下一步打算热泵热水系统投入运行后，发现8台热泵机组在7米乘7米的很小范围内工作，加之上面建有四坡面的阳光房顶，使机组换热出来的冷气（每小时近10万立方的风量）打到房顶坡面又返回机组，形成冷风的恶性循环，限制了机组对四周热空气的采集与对流，使热泵机组的最佳节能优点没有充分发挥出来。为此，我们计划在近期给8台