双节能热水系统的应用

上海石洞口煤气制气有限公司 姚良琮 姚丽婕

随着经济全球化的飞速进展，人们获得的物质收益越来丰富，但忽视环境保护的经济发展所带来的“温室效应”和“厄尔尼诺”等现象也越来越严峻。大力推广普及使用清洁能源，已成为全球都积极追逐的热点。

太阳能热水系统是利用太阳能集热器，收集太阳辐射能把水加热的一种装置。它是一种绿色的、运行费用低廉的热水供应系统，相对于使用燃料制造热水，能减少对环境的污染及二氧化碳的产生。太阳能是属于每个人的能源，只要有场地与设备，任何人都可免费使用它。它不像使用煤气有爆炸或中毒的危险，或使用燃料油锅炉有爆炸的顾虑，或使用电力会有漏电的可能。但是由于太阳能集热器的工作受气候条件和昼夜变化影响太大，在雨雪天和阴天太阳能集热器便无法工作；而一天之内，也只有白天才能集热，夜晚便无法应用。所以有时需要辅助加热。空气源热泵热水机是根据逆卡诺循环原理，以少量的电能为驱动力，以制冷剂为载体，吸收空气中的热能，生产生活热水。空气源热泵热水机组制效率高，占地面积小。

将太阳能和热泵两者结合起来，扬长补短，优势互补，既达到节能减排，又能全年全日连续供热，是一种经济环保安全可靠的热水供应解决方案。

1 石煤公司原热水供应系统概况

原浴室使用蒸汽热交换器生产热水。每天开放5 h，满足250人次的洗浴需求，每天消耗洗浴水约为42 t。系统采用蒸汽热交换器加热水至高温，送入浴室使用后直接排放，所用蒸汽向邻近电厂采购。此套系统使用年限较长，加热效率较低；且近年来外供蒸汽价格持续上涨(2011年蒸汽单价为200元/t)，间歇式使用蒸汽的方式非常不经济，企业成本上升，管理不便的矛盾日益突出。为此，石煤公司于2011年7月起陆续对原浴室热水供应系统及相关辅助设施进行了改造，其中浴室热水供应系统改造投资 47.5万元，相关辅助设施改造投资26.65万元。石煤公司在采用太阳能和热泵双节能热水系统后，取得了较好的节能效果。

2 系统改造设想

2.1 改造要求

利用太阳能热水系统进行预热，并用空气能热泵热水系统补充加热(在极端低温的天气情况下手动启动备用电加热系统)。利用太阳能的光照热量和热泵辅助加热，能够保证每天提供55±5℃以上的热水，供应量不低于22 t。

2.2 改造方案的理论依据

(1)日用水量计算：

式中：Qd—日用水量，L/d；

m—用水计算单位，人；qr—热水用水定额，L/人。

取洗浴人数：280人，每人用水定额为80 L，代入上式，

即：总用水量取22 t。

(2)太阳能集热系统：

直接系统集热器采光面积可根据用户的每日用水量和用水温度确定，按(2)式估算：

其中：Ac—直接系统集热器采光面积，m2；

Qw—日均用水量，kg；

Cw—水的定压比热容，kJ/kg·℃；

tend—储水箱内水的终止温度，℃；ti—水的初始温度，℃；

Jt—当地春分或秋分所在月集热器受热面上月均日辐量，kJ/m2；

f —太阳能保证率，实取0.5；

ηcd—集热器全日集热效率，根据经验值取0.4～0.55(实取0.55)；

ηL—管路及储水箱热损失率，根据经验值取0.2～0.25(实取0.2)。

现取：日均用水量Qw=22 000 kg

水的定压比热容Cw=4.18 kJ/kg·℃

储水箱内水的终止温度tend=50 ℃

水的初始温度ti=15 ℃

月均日辐量Jt=16 420 kJ/m2

太阳能保证率f=0.5

集热器全日集热效率ηcd= 0.55

管路及储水箱热损失率ηL=0.2

代入(2)式得：集热器采光面积Ac= 222.7 m2

(3)热泵部分：

日用热负荷：

式中：Pd—日用热负荷，kWh；

Qd—日用水量，L；

T2—热水温度，机组额定工况为55 ℃；

T1—冷水温度，取15 ℃；

η1—热泵机组本体热损失后的效率为0.95。

取Qd=22 000 L，代入(3)式：

热泵热水机组选型

式中：N—机组台数；

Pd— 日用热负荷，kWh；

Pe—机组额定工况下的制热功率；

T—机组日工作小时。

现取：Pd=1 077 kWh

Pe=45(见热泵机组参数表)

T=8

代入(4)式：N=1 077/(45*8)≈ 3

3 改造后热水供应系统情况

3.1 系统简介

3.1.1 系统简介

本供热系统由太阳能加热系统与空气能热泵机组加热系统及备用的电加热装置组成。首先利用太阳能加热系统对供热水箱进行预加热，其次通过空气热泵进行辅助加热，以便达到浴室热水的供应要求。在极端最低气温(环境温度在-3 ℃以下)时，热泵无法有效运转的情况下，可采用电加热方式。

3.1.2 系统组成

本供热系统主要由：太阳能集热器、储热水箱、供热水箱、冷水箱、空气源热泵机组、控制系统、水泵(增压泵、循环泵)、电磁阀、压力传感器、温度传感器、液位控制器、电加热管、管路系统、阀门、电线等组成。

3.1.3 主要设备设施

表1 主要设备设施

3.2 系统工作原理

3.2.1 工艺原理

在太阳能集热器、储热水箱、供热水箱中分别放有温度控制器，来测试当前容积内的温度(假设分别为T1、T2、T3)。

当T1- T2≥8 ℃时，太阳能循环泵启动，水箱与集热器之间循环，使水箱中的温度升高。

当T1- T2≤4 ℃时，循环泵停止。

当T3小于设定值时，热泵机组启动，进行补充加热致使温度达到设定值停止。当储热水箱的水位小于设定值时，上水电磁阀启动，上水达到设定值停止备用手动电加热装置，在极端低温的天气情况下手动启动备用电加热辅助加热，当达到设定温度时，会自动关闭，从而保证供热水箱内的水温达到设计要求。

3.2.2 工艺流程

图1 双节能热水系统工艺流程

3.2.3 工艺参数

供水指标：

(1)日供水能力22 t；

(2)供水时间：多时段；

(3)供水温度：55℃±5℃；

(4)用水人次：280人次；

(5)供水压力：0.15～0.2 MPa。

3.3 系统优势

3.3.1 高温保护

系统中设有水箱高温保护功能，为避免水箱温度过高，当储热水箱内水的温度达到最大默认值90℃时(该温度可调节)，循环水泵自动停止工作，在储热水箱内水未达到最高水位时，系统会自动上水，使水温降低。

3.3.2 水位控制

(1)定时上水：系统可根据用水时间定时定量上水，保证储热水箱内有充足的水位；

(2)低水位自动上水：当储热水箱内的水位低于设定的安全水位时，上水电磁阀自动打开，将冷水注入到储热水箱中；

(3)高温自动上水：当储热水箱内水的温度达到默认的设定值90℃(该温度可调节)，系统会自动向水箱内注入冷水，以降低水箱内水的温度，防止热水烫人。

3.3.3 用水端管路的回水控制

按照设定的时间(温度)，自动启动用水端管路循环泵，将用水端管路里的冷水自动抽到供热水箱中，并将供热水箱中的热水送入到管路中，做到一打开笼头，就有热水。

3.3.4 防冻系统

冬季当集热器温度低于防冻保护设定值时(2～15 ℃)，循环泵开启。当集热器温度高于防冻保护关闭温度时，关闭循环泵退出防冻保护。

3.3.5 自动计量刷卡系统

浴室系统加装了洗浴热水自动计量刷卡系统，用水量稳定，为太阳能热水系统稳定运行提供了保障，同时大量的节约了用水。

3.3.6 整个系统全自动运行

系统采用智能化控制，通过软件设置可实现多种功能，实现程序化运行、故障自检，系统各测控点的状态通过 LCD显示屏显示，一目了然。通过面板还可以很方便地设定和改变相关数据，整个控制系统性能可靠稳定、通用性强、易于替换维修。

4 改造前后数据对比

表2是系统安装前8个月期间的能源消耗情况

表2 改造前系统能耗数据

表3是系统安装后8个月期间的能源消耗情况

表3 改造后系统能耗数据

5 结论

根据上述记录可以得出结论：启用双节能热水系统前，8个月实际用水10 122 t、电129 760 kWh、蒸汽2 518 t，按水价格3.5元/t，电价格3.5元/kWh，蒸汽价格200元/t计算，系统综合费用61.69万元。双节能热水系统使用后8个月，实际用水6 058 t、电239 750 kWh，水价、电价同上计算，系统综合费用为16.51万元。

由此可看出，系统改造运行8个月来，除用电量上升外，其节能效果明显，改造后系统综合费用仅为原系统的26.8%，节约费用约减少45.18万元，预计2年内即可收回投资。

公司对浴室供热系统进行了改造，利用太阳能、空气能等清洁能源综合利用技术建立新型节能环保功能系统，替代原来效率低下的蒸汽热交换器，取得了良好的节能效应。因此，双节能热水系统值得推广。