空气源热泵辅助加热太阳能泳池系统设计

王桂林

随着生活质量的提高,游泳运动作为健身和娱乐项目,受到人们越来越多的喜爱。一般情况下,受气候条件限制,保持适宜游泳水温十分困难,特别是在寒冷季节,为了延长游泳时间,必须对游泳池水进行加热。鉴于世界能源的紧张和国家对于节能减排工作的重视,用太阳能系统来加热游泳池水渐渐受到人们的青睐。太阳能在资源丰富的地区有一定的优势,有时受天气影响,不能全天候运行,需设置辅助热源。空气源热泵作为一种高效节能装置,其应用日益普及。将空气源热泵技术和太阳能热水技术有机的结合起来,可弥补后者的不足,实现高效、全天候运行。

1 工程概况

该工程为某市住宅小区会所的游泳池,长25m,宽12m,设计水深为1.5m,池水温度要求为26℃。游泳池位于1层,室内辅助设施包括更衣室等。根据业主要求,太阳能集热器仅供游泳池加热。

2 系统分析

游泳池设置在首层,游泳池水处理设备、加热设备以及太阳能储热水箱置于地下1层,太阳能集热器置于屋面。辅助热源采用空气源热泵机组,同样置于屋面。为了尽可能最大化利用太阳热能,其太阳能加热部分采用直接加热方式,同时为保证游泳池水质安全,池水加热采用间接加热的方式。空气源热泵机组采用间接加热方式。所有间接加热换热器均采用板式换热器,既可以提高换热效率,也能减少占地面积。空气源热泵辅助加热太阳能泳池系统示意图如图1所示。该系统共有四个循环过程,分别为太阳能集热循环、游泳池水加热热媒循环、游泳池池水加热循环以及辅助热源加热循环过程。

3 基本计算

3.1 游泳池传热分析

根据国家现行游泳池的规范,游泳池的热损失主要包括泳池表面蒸发损失的热量,泳池水表面、池底、池壁、管道和设备等传导损失的热量,泳池补水加热所需要的热量等,综合上述热损失可得到游泳池的总热损失,此数据是计算太阳能集热板面积和辅助热源设备选型的依据。本工程中游泳池的总耗热量为136.4 kW,并由此可计算出太阳能集热器的加热面积。

3.2 太阳能集热器面积计算及选型

根据当地太阳能辐射资料,理想状态下采用直接式太阳能热水系统时需要设置太阳能集热板的面积为1000m2。实际上,由于建筑物屋面面积的限制,所设太阳能集热总面积约为300m2,热量不足部分由辅助热源提供。

太阳能集热器按形状分为平板式和真空管式两大类。其中真空管式又分为U形管式、直插式和热管式。平板式成本低、承压高但热效率较低;而真空管式集热器成本较高,但启动快,保温好,运行更加可靠。根据本工程的特点,选用真空管式集热器。

3.3 辅助热源的选择与计算

根据当地的实际情况及与业主沟通,在无市政热网且对燃煤、燃油、燃气锅炉的使用有一定限制的前提下,采用电能作为辅助热源。空气源热泵机组采用的是热泵技术,利用电能驱动把热量从低温热源转移到高温热源的一种装置。根据逆卡诺循环原理,采用少量的电能驱动压缩机运行,高压的液态工质经过膨胀阀后在蒸发器内蒸发为气态,并大量吸收空气中的热能,气态的工质被压缩机压缩成高温、高压的液态,然后进入冷凝器放热,把水加热。在运行过程中,消耗1份的电能,同时从环境空气吸收转移了约3份～4份的能量(热量)到水中,相对于常规电能,节约了3/4的能量。空气源热泵作为辅助热源,更加节能环保,且安装方便。

系统虽然设置了太阳能储热水箱,但考虑到太阳能系统在连续阴天等光照条件不足时,为保证游泳池加热系统仍能正常运行,空气源热泵的选型依据仍按满负荷考虑,经过计算选用3台输出功率为70kW的空气源热泵机组作为辅助热源。

4 系统运行与控制

4.1 系统形式

如图1所示,本系统采用温差循环的供热方式。系统设置低位储热水箱,用来储存太阳辐射热量,保持系统稳定运行。当太阳辐射低峰或夜晚,利用储热水箱内的热量,通过板式换热器和游泳池循环泵对池水进行加热;当储热水箱的热量不能满足游泳池加热需求时,则通过空气源热泵机组、板式换热器和游泳池循环泵对池水进行加热。

4.2 系统运行控制

本系统主要由太阳能集热器、储热水箱、循环水泵、板式换热器、空气源热泵机组以及多个水温传感器等组成,共包括四个循环过程。

1)太阳能集热循环。太阳能热水器进出口安装温差控制器T1,当集热器出水温度≥[热水箱下部温度+温差参数(一般为5℃)]时,循环泵P1打开,直至集热器出水口温度≤[热水箱下部温度+温差参数(一般为1℃～2℃)]时,循环泵P1关闭。

2)游泳池水加热热媒循环。太阳能储热水箱出水安装温差控制器T2,游泳池循环管道安装温控器T3,当池水温度不大于设定温度(一般为26℃～28℃)且太阳能储热水箱水温高于35℃(可调节)时,循环泵P2,P4开启,利用太阳能储热水箱对游泳池池水进行加热。

3)池水加热循环。游泳池安装温控器 T3,当池水温度不大于设定温度(一般为 26℃～28℃)时,循环泵 P2,P4打开,通过板式换热器1对池水进行加热,当池水温度大于设定温度(一般为26℃～28℃)时,循环泵P2,P4关闭。

4)辅助热源加热循环。该循环由温控器T2和T3共同控制,当池水温度不大于设定温度(一般为26℃～28℃)且低位水箱水温低于 35℃(可调节)时,循环泵 P2,P3打开,通过板式换热器2对从板式换热器1出来的太阳能储热水箱的水进行加热。当池水温度大于设定温度或低位水箱水温高于35℃(可调节)时,循环泵P3关闭。

5 结语

1)太阳能使用方便、经济效益明显,对环境不产生污染,是节能减排的一个重要措施和方法,也是未来“低碳”生活的一个组成部分。2)太阳能系统应进行经济分析,以期在合理的初期投资下得到最大的经济和环境效益。3)空气源热泵设计灵活,安装方便,能效比高,与太阳能系统合用能够起到较好的节能效果。

[1]GB 50015-2003,建筑给水排水设计规范[S].

[2]CECS 14∶2002,游泳池和水上游乐池给水排水设计[S].

[3]郑瑞澄.民用建筑太阳能热水系统工程技术手册[M].北京:化学工业出版社,2006.

[4]罗会龙.空气源热泵辅助加热太阳能热水系统热性能研究[J].建筑科学,2009,25(2):52-54.