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澳门网址空气源热泵热水系统工程实例分析

发布时间:2020-07-14 11:35

  空气源热泵热水系统工程实例分析_能源/化工_工程科技_专业资料。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

  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 台热泵组机加上出冷气的风道,并在夏季把冷气引入 宾馆的食堂和洗衣房加以利用。 通过对上述工程实例分析, 我们可以看出空气源热泵热水机组是一种新型 的高效、环保、安全的节能产品,空气源热泵热水系统逐步替代电、燃气、燃油 热水系统是 必然趋势。该产品可以有效地解决目前国内有关部门对节约能源、 环保、安全等各方面较棘手的问题,利国利民,值得大力推广和应用。