太阳能热泵系统方案设计.docx

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太阳能热泵系统方案设计

*********太阳能系统

技

术

部

分

投标人：

山东鼎信石化新能源科技运营股份有限公司（盖公章）

法定代表人或其委托代理人（签字或盖章）：

日期：

2012年3月23日

潍坊市第二人民医院病房楼供水设备

投标文件

投标文件内容：

技术部分

投标人：

烟台荣和环保能源有限公司（盖公章）

法定代表人或其委托代理人：

（签字或盖章）

日期：

2012年3月2日

空气源辅助型太阳能热水系统设计方案

一、引言

空气源热泵热水系统是目前最安全、可靠、节能、环保的热水系统。

太阳能热水系统是传统的、绿色的、运行费用低廉的热水系统。

空气源热泵热水机组利用空气能，广义而论，其实也是太阳能利用的一种形式。

空气源热泵热水机组具有下列优点：

1）热水成本低，蓄能又节能；2）安全可靠，使用寿命长；3）符合环保减排要求；4）不需机房，基础投资少。

空气源热泵热水机组的制热性能会受天气影响，但随着低温空气源热泵的开发、除霜技术改进，空气源热泵机组几乎可以用于我国五大气候区的寒冷（北方）地区、夏热冬冷（长江中下游）地区、温和（云、贵、川）地区，以及夏热冬暖（华南，海南）地区等4个气候区。

空气源热泵的热源是空气，无处不有，来源方便。

它也不像水源热泵那样，需要有一大套复杂的取热、排热的设备和系统。

它除了有节能环保安全可靠的特点外，比起水源热泵来说，还有简约、占地少、使用灵活，因此也是一次投资低的特点。

太阳能热水供应，是最为传统的、比较经济的做法。

太阳向地球辐射的能量，某种意义上，是取之不尽、用之不竭的。

但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，也只有在日出和日落之间的白昼才能集热，夜晚便无法应用。

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、又能保证全年全日连续供热，是近年来中央热水系统热源设备发展的新动向。

太阳能与热泵的集成有两种考虑的模式，一是建筑允许放置太阳能集热板，有足够的面积，那么应以太阳能热水系统为主、以热泵加热为其辅助热源。

例如，阴天下雨时，单纯太阳能热水系统只有靠直接电加热，而采用热泵则可以节省2／3～3／4的耗电；夜间贮存热量不足时，可以开启热泵来补充。

第二种模式是以热泵供热为主，太阳能为辅。

为了使空气源热泵在低温环境下还能高效、稳定、可靠运行，用太阳能作为其辅助热源（助推作用），或直接加热水箱内的水，或预热上水。

据国外资料推断，太阳能与热泵结合的供热系统，可以节能85％（太阳能直接加热热水占80％的全部负荷，20％～40％由热泵承担，这部分的热负荷中，由于热泵COP为3，那么全年实际耗电7％一14％）。

当然在太阳能与热泵结合的供热系统中，热泵的类型可以是空气源的、水源的、或者土壤源的热泵。

二、概述

2.1、工程概况

本项目总建筑面积约8.3万平方米。

2.2、承接公司简介

山东鼎信石化新能源科技运营股份有限公司坐落于美丽的滨海城市——山东烟台，隶属于烟台鼎信实业总公司，为总公司拟上市骨干公司，注册资金2000万，是专业从事节能减排领域“四废”（废水、废气、废热、废渣）处理及资源化利用的科技型公司。

经营范围主要包括新能源开发和利用、油气田及石化行业、煤矿及煤化工行业、生态农业、城镇生活垃圾等行业的环保技术服务、工程设计、承包和投资运营等业务，全方位多领域的实践了现代社会发展所倡导的节能环保理念。

公司秉承“稳定、信诚、安全、高效”的经营理念，按照现代先进股份制企业模式进行运作，在优化组合现有资源、建立合理人才激励机制的同时，不断吸纳优秀的高科技研发人才和销售管理人才，争强团队凝聚力和战斗力，并结合最先进的创新营销模式，力求打造一支高品质的企业人力资源体系和经营管理体系。

目前，在“减量化、再循环、再利用”的3R原则的驱使下，公司不断引进国外先进的技术和设备，积极进取、开拓创新，并先后获得了多项国家发明专利和技术。

尤其是引进美国德瑞环能公司的PUS节能节配中心，可替代空调、地暖、热水器等，在实现夏季制冷、冬季供暖的同时，免费获得洗浴热水、满足游泳池水体恒温、保鲜房、蒸汽房等的冷热能需求，可谓是一机多能，一份投资，多份收益。

此外，由我公司自主研发的“废弃甲烷气”（LTG）液化技术（专利号：

201110060091.4）已达到世界先进水平。

该技术可缓解石化能源紧张问题，解决现有气体运输的诸多弊端，实现气体液化罐装，拥有高额的投资价值。

“同舟共济扬帆起，乘风破浪万里航”。

在21世纪的新形势下，在节能理念的倡导下，我们愿于社会各界人士真诚合作、共谋发展、共创辉煌！

三、设计原则及设计依据

3.1、设计原则

首先，考虑可再生能源的最大化利用，优先利用太阳能制热，用空气源热泵作为补充；其次，考虑尽量利用夜间低谷用电，使用热泵夜间加热热水；另外通过温度传感器控制水箱温度，当加热水箱温度达到55度时，系统自动停止运行，进入等待期；由于热水制作过程是连续运行的，故在热水使用的同时制热过程依然可以正常运行，这样可以相应减少部分储热水箱的容积。

3.2、设计依据

（1）GB/T18713-2002《太阳热水系统设计、安装及工程验收技术规范》

（2）GB50364-2005《民用建筑太阳能热水系统应用技术规范》

（3）GB/T20095-2006《太阳热水系统性能评定规范》

（4）GB50015-2003《建筑给水排水设计规范》

（5）GB/T17581-1998《真空管太阳集热器》

（6）GB/T17049-1997《全玻璃真空太阳集热管》

（7）GB/T25966-2010带电辅助能源的家用太阳能热水系统技术条件

（8）GB/T191包装储运图示标志（GB191-2000,egvISO780:

1997）

（9）GB/T4271平板型太阳集热器热性能试验方法

（10）GB/T4272设备及管道保温技术通则

（11）GB4706.1家用和类似用途电器的安全

第一部分:

通用要求（GB4706.1-1998,idtIEC335-1:

1976）

（12）GB4706.12家用和类似用途电器的安全贮水式电热水器的特殊要求（GB4706.12-1995,idtIEC335-2-21:

1989）

（13）GB/T6424平板型太阳集热器技术条件

（14）GB/T8175设备及管道保温设计导则

（15）GB/T8877家用电器的安装、使用、检修安全要求

（16）GB/T12936.1太阳能热利用术语第一部分

（17）GB/T12936.2太阳能热利用术语第二部分

（18）GB/T13384机电产品包装通用技术条件

（19）GB/T14536.1家用和类似用途电自动控制器第1部分:

（20）通用要求（GB/T14536.1-1998,idtIEC730-1:

1993）

（21）GB/T15513太阳热水器吸热体、连接管及其配件所用弹性材料的评价方法

（22）GB/T17049全玻璃真空太阳集热管

（23）GB/T17581真空管太阳集热器

（24）GB/T18708家用太阳热水系统热性能试验方法

（25）GB50057建筑物防雷设计规范

（26）NY/T513家用太阳热水器电辅助热源

（27）NY/T514家用太阳热水器储水箱

（28）用户要求

四、太阳能热水系统设计计算

4.1、基本参数

4.1.2用水定额

根据建筑给排水设计规范，每人每日最高日用水定额为100-200L,选取最低限量150L/人.d。

4.1.3用水时间

24h供应热水，水温为60℃。

4.2设计计算

4.2.1生活热水负荷

热水设计小时用水量计算

（1）全日供应热水的住宅、别墅、宾馆、医院、幼儿院、培训中心等建筑集中热水供应系统的设计小时热水量

Qh=mkhQr/24

Qh—设计小时热水量（L/h）

m—用水计量单位数（人数或床位数等）

Kh—热水小时变化系数（根据不同类型查附表2）

Qr—热水用水定额（在无客户要求的情况下，可根据不同建筑类型查附表1。

）

（2）定时供应热水的住宅、宾馆、医院、公共浴室、学校等建筑集中热水供应系统根据卫生器具的小时热水量计算

Qh=Σqhnb

Qh—设计小时热水量（L/h）

qh—卫生器具的小时热水量，（在无客户要求的情况下，可根据不同建筑类型查附表3，且应换算成同一热水温度下的热水用量。

）

n—同类型卫生器具数

b—卫生器具同时使用百分数（70%—100%）

4.2.2热水耗热量

（1）设计热水量计算

用水定额中设计温度为60℃，热泵热水机提供的热水为55℃

（2）设计小时耗热量计算

（3）设计日耗热量计算

根据热水用水量和被加热水的温升，按下式计算：

4.2.3热水机组的设计加热量

（1）当机组不配储水箱（罐）直接供热水时,或配半即热式水加热器间接供应热水时，机组的加热量按设计秒流量计算。

（2）当机组配储热时间不大于0.5h的热水箱（罐）或半容积式水加热器供应热水时，机组加热量按设计小时耗热量选配：

（3）当机组配储热时间大于0.5h的热水箱（罐）或容积式水加热器供应热水时,机组加热量。

（4）当热水系统配备较大热水箱（罐），机组加热量。

根据热水用水量和被加热水的温升，按下式计算：

按所得出的加热量选取热水机组的型号。

4.2.4全天供应热水系统的热水循环流量

式中:

----全日供应热水的循环流量（L/h）;

-----配水管道的热损失（W），取设计耗热量的5%；

-----配水管道的热水温度差，取5℃;

4.2.5管路直径、流速、及水力损失

根据水管的设计流量，取管路直径

=0.02m，流速取v=1m/s，则管路单位长度损失

Re=

25062<100000；

采用勃拉休斯（Blasius）公式

0.025；

单位长度的沿程阻力损失：

=

628.67Pa/m；

4.2.6太阳能集热面积确定

集热面积

式中：

Ac接系统太阳集热器的采光面积，m2；

Qw—日均用水量；

Cw—水的定压比热容，取4.186KJ/（kg·℃）；

tend水箱内水的终止温度，取60℃；

ti—水的初始温度，取4℃；

f——太阳能保证率。

取0.45；

JT—太阳辐照量。

ηcd—太阳集热器效率。

ηL——管路及贮水箱热损失。

考虑到贮水箱在室内，取0.2；

4.2.7集热器前后排之间的日照距离D的计算

五、设备选型

太阳能热水工程主要有集热器、储热水箱、辅助热源、循环管道、自动控制五部分组成。

5.1太阳集热器选型

目前国内使用的太阳集热器类型主要有平板型太阳集热器、真空管太阳集热器、热管真空管太阳集热器、U形管真空管太阳集热器。

平板型太阳集热器在春、夏、秋三季使用时效率高，且可以承压运行，但保温性能不如真空管太阳集热器，适合在春、夏、秋三季使用；冬季使用时，需作特殊设计。

真空管集热器在-30℃的低温条件下，仍可产生热水，可一年四季使用，冬季利用太阳能的效率最高，但本身不能承压，存在炸管泄漏问题；热管集热器可在零下50℃条件下使用，能够承压运行，但热管冷凝端（加热端）表面积仅是真空管的百分之一，易结水垢，换热效果不如真空管，且使用效果直接受到热管本身质量和寿命的影响，部分热管出现质量下降和衰减问题，不容易被发现，且成本高；U形管真空管太阳集热器是在真空管的内壁插入了一根U形的铜管，利用传热介质在U形铜管内流动将真空管吸收太阳热能带走，因而可封闭带压循环，不存在炸管泄漏问题，但由于U形管怕冻，因此必须采用防冻液介质循环，成本相对也高。

根据山东地区的气候条件和各种集热器的特点进行选择，选型原则：

安全性、系统经济性综合考虑。

我们认为：

应选择全玻璃真空管太阳集热器比较合适，热效率高，经济实用，是目前国内市场普遍使用的产品。

我公司生产的全玻璃真空管集热器的特点：

内胆：

304/2B食品级不锈钢

保温：

无氟聚氨酯发泡保温，保温性能好，绿色环保

外框：

抗腐蚀铝合金型材,无光污染,美观

真空管密集式排列，单位长度集热管数量多，吸热快，效率高

可拆卸式标准模块，运输方便，组装快捷

（样图，以实物为准）

5.1.1相关数据

（1）夏季冷水基础水温：

选取基础水稳为15℃

（2）全年太阳辐照情况

根据国家气象中心提供的2001年全国各地日均及年总辐射数据（单位MJ/㎡），据烟台站（北纬37030′度，东经121015′度，区站号54764）太阳辐照量情况如下：

月份

辐照量

1月

2月

3月

4月

5月

6月

7月

8月

9月

10月

11月

12月

日均

7.30

10.21

16.18

16.65

22.43

17.08

16.78

18.54

16.06

11.88

8.61

6.88

年总

5137.75

（3）3月份太阳辐照量（春分所在月）单位：

MJ/㎡

日期

1号

2号

3号

4号

5号

6号

7号

8号

9号

10号

辐照量

9.14

11.31

13.88

17.45

13.77

12.60

16.59

15.24

17.56

18.98

日期

11号

12号

13号

14号

15号

16号

17号

18号

19号

20号

辐照量

16.46

17.37

15.85

6.67

19.53

11.98

14.64

17.88

18.11

16.71

日期

21号

22号

23号

24号

25号

26号

27号

28号

29号

30号

辐照量

16.60

20.68

20.81

16.22

21.74

18.68

1.69

21.47

17.86

22.58

日期

31号

辐照量

21.64

5.1.2真空管集热器的采光面积计算

国家标准《太阳能热水系统设计、安装及工程验收技术规范》GBT18713—2002及《民用建筑太阳能热水系统应用技术规范》GB50364—2005第4.4.2条规定,直接系统集热器总面积可根据用户的每日用水量和用水温度确定,按国家标准计算采光面积，

一般按下式计算

AC=

QwCw（tend-ti）f

JTηcd（1-ηL）

（式——1）

Ac——直接系统集热器采光面积，m2；

Qw——日均用水量，Kg；

tend——储水箱内水的终止温度（用水温度），℃；

Cw——水的定压比热容，KJ/（Kg·℃）

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，此处选春分所在月9月份正常晴天的辐照量KJ/m2；

f——太阳能保证率，无量纲，按80%；

根据系统使用期内的太阳辐照、系统经济性及用户要求等因素综合考虑后确定；

ηcd——集热器全日集热效率，国标经验值取0.40~0.55；

ηL——管路及储水箱热损失率，无量纲，国标经验值取0.1-0.2；

本系统用水量按6吨水设计，已知：

Qw=8000Kg，tend=45℃，Cw=4.18KJ/（KG·℃）,ti=15℃，

JT=17000KJ/m2（3月辐照量），f=1，ηcd=0.55，ηL=0.1。

代入式中——1中，得出：

Ac=119m2，为使系统整体协调使用我公司φ58/1600/50支真空管集热模块工程共需18块，为使整体协调安装集热器20快，每块6.5m2，共计采光面积为130m2。

5.1.3系统智能控制器设计

系统智能控制器应实现以下功能：

太阳能系统自动产生热水/太阳能贮水箱满水后自动转入温差循环/自动优先利用太阳能加热热水，当太阳能不足时自动启动电加热管辅助加热/系统自动补水自动切换/系统自动防冻/水温水位等参数的中文显示/太阳能系统远程监控/自动手动转换/用户要求的其它功能等。

我公司研发的该类型智能控制器和控制程序属国内领先，采用工业级CPU可编程电脑控制器，实现太阳能系统的全自动化、智能化，确保控制系统的可靠性，实现自动化运行，并具有可以根据用户的实际需要，任意修改控制程序，使太阳能系统实现真正意义上的全自动控制和智能化管理。

该控制器已在上百个太阳能系统上使用多年，智能化程度高，升级方便，稳定可靠。

5.1.4其他安全问题

防风雪：

系统支架为整体结构，并与楼面预留的地墩固定。

承重基础做好防水。

防冻：

系统室外冷水和循环上水安装有自限温电伴热带，可保证冬季不冻。

防雷击：

系统如不在原建筑防雷设施防护区内，按相关标准做防雷设施。

防冰雹：

系统配置的真空管可抗击Φ2.5CM冰雹。

防漏电：

采用漏电开关和接地双重保护，确保用电安全。

防水垢：

采用控制温度及水循环的办法尽量减少水垢产生。

防渗漏：

严格按施工工艺要求做好防水防渗工序。

承重：

根据建筑结构情况，合理确定水箱承重方。

5.1.5对于关键问题的解决方案

1）水位问题：

本设计集热器高度可能比水箱高或同一水平，怎样防止缺水暴晒导致损坏集热器？

答：

本系统采用定温放水+温差循环。

集热器内温度达到设定温度，电磁阀打开，自来水将集热器内的热水打入储热水箱，如此反复，直至水箱水满。

水箱水满后，进入温差模式，集热器内热水温度和水箱温度差达到设定值，循环水泵启动，将水箱内的低温水和集热器内的水进行循环，如此反复。

也就是说，集热器内的水永远是满水位，何况我方投标用的集热器可以经受暴晒。

2）单根集热器损坏采用何种措施保障系统运行?

答：

施工时每组集热器上都安装有铜阀门，如果一旦集热器损坏，将阀门关闭，不影响使用。

3）水泵循环存在压力，如何解决集热管接头耐压和老化问题?

答：

系统虽配置有循环水泵，但集热器和水箱是通过管路连接起来，形成一个循环系统所以集热管接头存在压力较小，何况集热器管接头为耐高温硅胶管，并且使用寿命很长。

4）系统如何进行监控和管理，以便及时处理出现的问题?

答：

本系统控制柜为液晶触摸型，可以在值班室安装一个显示屏，准确了解太阳能各部分运行状况。

如出现状况，系统会自动报警，根据提示，便于及时处理，不影响使用。

5.2储热水箱的选择

考虑在最不利的情况下选择热泵机组。

即无太阳能供

热的情况下全由热泵机组供热给热水系统。

按规定一天供热时间不大于20小时,持续供热时间不大于12小时。

5.3热泵机组的选择

最不利情况下满足一天用热泵机组总功率为:

式中:

P—热泵机组总输出功率，Kw；

H—供热时间（按要求为20小时）。

5.4板式换热器面积选择

假定高温侧水温由55℃降低到50℃，低温侧水温由25.5℃升高到27.5℃，则板式换热器面积：

5.5电辅助加热器选型

为保证低温时机组能力下降保证热水水温的稳定，特别是在温度较低的区域配备电辅助加热器是非常必要的。

电辅助加热器的选型主要考虑：

冬季室外环境温度、做备用系统用容量的大小。

根据当地冬季平均最低温度、机组进水温度，通过机组的运行曲线的性能参数查出对应的能力值Q1，与机组修正后能力值Q相比，可以得出机组能力衰减值Q2：

Q2=Q-Q1；一般电辅助加热器的大小:

W=k*Q2=k*（Q-Q1）。

（其中k为裕量系数，取值范围1.0~1.5，北方地区k值应该取大一些，如在陕西、河南、湖北等地区可以取1.5）。

5.6冷水增压泵选型

增压水泵的扬程应为主机中冷媒-水路换热器水压降△P（约5KPa）、主机与水箱热水进水管高度差Z、管路沿程阻力损失和局部阻力损失四项之和的1.1~1.2倍。

沿程阻力损失和局部阻力损失应从水力计算求出，做估算时，局部阻力损失可取5m水柱，沿程损失可取每100m管长约5m水柱，若管路长为L，总结为经验公式为：

H=0.5m（5KPa）+Z+5m+0.05L-自来水进水压力

水泵的扬程至少保证主机的进水压力为0.15MPa；

水泵的流量约为主机进水流量的1.3倍。

5.7热水回水泵选型

为了保证系统中一直保存有热水，工程中常常需要增加回水泵，在设定回水泵时，常常运用两种方法，一种是将定时回水的方式，即设定回水时间，到某个时间开始回水；二是设定温度回水方式，即在水管中温度下降到某个值时，回水泵开始工作，保证用户随时有热水用。

热水回水泵的选用简单方法：

1、计算出水管系统中的水容量Q；

2、设定回水时间T，如10~30分钟；

3、计算出系统阻力值H1；

那么回水泵的参数Q回水=1.1~1.2Q/T，水泵扬程H=1.1~1.2H1。

5.8热水配水管选型

计算方法与空调水系统的计算方式相同，但对于流速的选择应注意以下两点：

1、在进行热水管道水力计算时，管道中的水流速不宜大于1.5m/s，当管道的管径小于25mm时，流速宜采用0.6~0.8m/s；

2、由于热水温度较高，其密度和运动粘滞系数比冷水小，且管道是容易结垢的，因此在进行水力计算时应考虑以上因素，参照设计手册上的管道水力计算表来确定管径和水头损失。

5.9管道循环系统

1.管道管件：

采用国标热镀锌钢管，铸铁，PPR或冲压管件。

2.管道保温：

50mm特制岩棉保温管，外缠防水布，化纤玻璃丝布，树脂胶涂刷包装；（或聚氨酯保温）同时加装电伴热带，预防冬季管道冻堵。

3.电磁阀：

采用名牌产品。

4.手动阀门：

采用铜体闸阀。

5.10自动控制系统

根据本工程系统功能的要求，此控制系统全部由我公司独立设计制作完成，实现自动化智能操作，确保最佳经济运行，水温水位、进水出水、循环系统、辅助加热等工作状态数码显示，直观可见，操作人员一目了然，管理使用十分方便。

系统安装控制柜1台，电加热驱动柜1台，同时具备手动强制启停功能，维修更方便，功能更齐全。

六、系统工作原理及运行方式

6.1系统组成

太阳能集热系统：

太阳能集热器、循环泵、储热水箱、换热器（水箱内置）、辅助电加热（水箱内置）；

辅助热源系统：

水侧换热器（水箱内置）、空气侧换热器（机组集成）、工质循环泵；

热泵机组系统：

压缩机、蒸发器、冷凝器等；

空调末端系统：

风机盘管、或风机盘管+地板辐射采暖；

运行控制系统。

6.2系统功能

夏季空调制冷；

冬季空调采暖；

全天候生活热水；

适用于别墅、中高档住宅和各种独立的小型建筑中央空调及生活热水供应；

6.3系统优势：

PUPS机组功能齐全，实现制冷、采暖、热水三联供，通过三种工作模式，由PLC可编程序化实现智能控制，自动根据系统相应位置的流量、水温、压力、频率在线调整，实现节能要求和功能匹配：

在全年全天候提供热水和游泳池水体恒温的基础上，可提供夏季制冷、可提供过渡季节空调热源、可与传统热源联网提供冬季供暖功能：

当夏季制冷时，多效节能机组的第一功能模式为制冷端输出的冷量，通过水力输送给水循环风机盘管送出冷风；同时，多效机组的第二功能模式为制热端输出热量，并通过帕普森智能换热机组，将热量在热水贮箱中储存，用于生活热水或游泳池恒温等。

在此过程中，无论制冷或制热过剩（反之，制热或制冷不足），机组自动启用第三功能模式，弥补制冷或制热不足，保证第一功能模式和第二功能模式的正常运行。

当冬季供暖时，多效机组的第一功能模式为