智能太阳能加空气热源泵技术在澡堂供水中的应用

2010-03-27王映清

铁路节能环保与安全卫生 2010年1期

关键词：集热器热源热泵

王映清

(兰州铁路局兰州西车辆段,甘肃兰州 730050)

兰州西车辆段武南运用车间站修作业场利用太阳能加空气热源泵技术替代立式常压锅炉提供洗浴用水。本文对这一技术的基本原理作一简要介绍,以望能为创建资源节约型、环境友好型企业发挥一定的作用。

1 洗浴供水方式比较

普通立式常压锅炉提供洗浴热水,存在锅炉利用率低、能源消耗量大、运营成本高和污染环境等问题,这与当前保护环境、节能减排、提倡使用绿色低碳能源的大环境不相符,寻求新的洗浴热水提供方式势在必行。

太阳能作为清洁无污染的绿色能源,是理想的替代能源,但太阳能存在受季节和天气影响较大、热流密度低等缺点[1],不能作为澡堂单独的供热能源。

空气热源泵是利用少量高品位的电能作为驱动能源,从低温热源 (空气)高效吸取低品位热能,并将其传输给高温热源 (水),以达到泵热的目的,从而转能质系数低的能源为能质系数高的能源。其最大的问题一是冬季大气温度很低时,热泵系统的效率比较低;二是热泵全年满负荷运行时,压缩机的故障率较高。

2 智能太阳能加空气热源泵的设计思路

采用太阳能加空气热源泵智能模糊控制技术[2],制定出夏季 6～9月晴天只用太阳能,阴雨天和过渡期(4月、5月、10月)用空气热源泵对太阳能预加热的水进行温度提升,冬天 11～3月用供暖锅炉同时提供洗澡用水的节能改造方案,这样既克服了太阳能加热系统的不足又解决了空气热源泵系统冬季效率低、满符合运转故障率高的问题。较好地解决了站修职工每天下午的洗浴需求,对于节约常规能源、缓解大气污染和降低企业成本起到了积极的作用。

3 智能化控制系统的基本原理

3.1 系统组成

智能太阳能热水系统由太阳能集热器、保温水箱、空气热源泵辅助加热系统、智能模糊控制系统、供水管道等六部分组成(见图1)。

3.2 作用原理

智能模糊控制系统采用美国Microchip公司生产的 PIC16F877单片机作控制器。该单片机内含 10位A/D转换,具有同步串行口 SSP,可直接进行 SPI方式串行通信;采用具有串行接口的EDM091B段码液晶显示组件作为显示器,其内含LCD控制器、LCD驱动器,并带有数据译码和数据采集功能[3](见图2)。

图1 太阳能加空气热源泵供水系统

图2 智能模糊控制系统

由于 PIC16F877内部具有 3个看门狗电路、具有可进行 SPI方式串行通信的同步串行口 SSP以及 10位A/D转换电路,可分别直接与传感器和具有串行接口的段码式液晶显示模块连接,因此外电路十分简单,长时间运行时系统工作稳定、安全可靠,温度分辨率为 1℃、控制精度为 2℃,成功地实现对温度的恒定控制。

通过该智能模糊控制系统进行定时、定温、定水位等过程控制:当太阳能把集热器的冷水加热到 60℃时(该温度可调),冷水管路上的电磁阀门自动打开,冷水被自来水压力压入集热器内,集热器内的热水被挤出,进入到保温水箱储存待用,当冷水到达集热器出水口的温度探头时,若探测温度低于 60℃,电磁阀立即关闭,冷水停留在集热器内继续被太阳能加热,2～5 min后水温又达到60℃,电磁阀再次打开,集热器内的热水又被挤入到保温水箱中,按此规律,一次一次产生的热水进入保温水箱,水箱内热水逐渐增加,一直增加到保温水箱水满为止。

保温水箱水满后,就停止进水。如果还有太阳,为了充分利用太阳能,循环泵会自动启动,保温水箱 60℃的水被抽出来,经过太阳能集热器继续循环加热,使水温进一步升高到 60℃以上。当水温达到 80℃时,就停止循环加热,限制循环加热水温不超过 80℃,以免烫伤人,又可防止水箱管路结垢 (产生水垢的温度条件是水温超过80℃)。

在太阳光照不足或水温达不到设定值时空气热源泵自动启动。为最大限度地利用太阳能,减少电能的消耗,我们设定每天 14:30(可满足站修17:30的洗澡用水,可任意设定)定时检测保温水箱的水位。到 14:30如果检测到水箱内热水水位达不到 50%的位置,则自动启动热泵加热系统,往水箱内补充 60℃的热水,直到水位达到 100%,热泵系统停止工作。同时,当水箱水温降低到55℃时,热泵也会自动启动,提升水温到 60℃。从以上我们可以看出,系统在设定时间 (可按需要设定多个时间段)会自动探测保温水箱的水位,如果热水水位不够 50%时,才启动热泵加热(表明此时太阳能光照不足或是阴雨天),反之就一直使用太阳能加热 (晴天),而不会启动热泵,这样就可以最大限度地使用太阳能、节约电能。

到冬季供暖期,停用太阳能加空气热源泵系统,排空管路积水,关闭系统所有阀门和电源,做好系统保养维护,由采暖锅炉向保温水箱注水洗澡。

4 效益分析

我段武南运用车间站修作业场按每天 130人洗澡、人均用水 0.077 m3计算,每天的热水使用量为 10.00 m3。

使用原2.5 t立式常压锅炉提供洗浴用水,每天耗煤 0.68 t(本地煤块 649元/t),非采暖期4～10月提供洗浴热水共需耗煤 110t,计7.14万元。

采用智能太阳能加 10P空气热源泵 (功率8.5 kW)系统提供洗浴热水,夏天 6～9月共122 d,按晴天 102 d(用太阳能,考虑其他因素,热泵日工作 2 h)、阴雨天 20 d(热泵日工作 8 h)计算;过渡期 (4月、5月10月)按晴天 80 d(太阳能,热泵工作 4 h),阴雨天 12 d(热泵日工作 9 h)计算,整个非采暖期的耗电为 6 732 kW·h[(102＊2+20＊8+80＊4+12＊9)＊8.5=6 732),计4 039元(单价 0.6元/kW·h),换算为耗煤量为6.22 t,可节煤 94%。

相比较立式常压锅炉供洗浴热水费用是太阳能加空气热源泵系统的 17.68倍,因此使用太阳能加空气热源泵系统节能效果是非常明显的。