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空气源热泵辅助加热太阳能泳池系统设计

发表时间:2022-12-16 08:21



1.工程概况


该工程为太原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.设计依据


(1)GB50736-2012《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》;

(2)GBT22069-2008《燃气发动机驱动空调(热泵)机组》;

(3)GB50015-2003(2009年版)《建筑给水排水设计规范》;

(4)CJJ122-2017《泳池给水排水工程技术规程》;

(4)《实用制冷与空调工程手册》;

(5)《空气调节用制冷技术》(第四版);

(6)《小型制冷装置设计指导》;

(7)根据用户所提要求。


4.基本计算


4.1 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136.4kW,并由此可计算出太阳能集热器的加热面积。

(1)泳池水表面蒸发损失的热量计算:

Qz=αγA(0.0174Vf+0.0229)(Pb-Pq)(760/B)

式中:

Qz——泳池表面蒸发损失的热量,kJ/h;

α——热量换算系数,α=4.1868kJ/kcal;

γ——与泳池水温相等的饱和蒸汽的蒸发汽化潜热,kcal/kg;

A——泳池的水表面面积,m2

Vf ——泳池水面上的风速;一般按下列规定采用:室内水池Vf =0.2~0.5m/s;露天水池Vf=2~3m/s;

Pb——与泳池水温相等(26℃)的饱和空气的水蒸汽分压力,mmHg;

Pq——与泳池的环境空气温度相等的水蒸汽分压力,mmHg;

B——当地的大气压力,mmHg.

查相关参数表计算可得:

Qz=4.1868×582.5×300×(0.0174×0.2+0.0229)×(25.2-17)(760/700)=171831.82kJ/h

(2)泳池的水表面、池底、池壁、管道和设备等传导所损失的热量计算:

按泳池表面蒸发损失热量的20%计算:

Qc=0.2Qz=0.2×171831.82=34366.36kJ/h

(3)泳池补水加热所需的热量计算:

Qbqbρ(tr-tb)/t

式中:

α——热量换算系数,α=4.1868kJ/kcal;

qb——游泳池每日的补充水量;按泳池水量的7%确定,L;

ρ——水的密度,ρ=1kg/L;

tr——游泳池水的温度,℃;

tb——游泳池补充水水温,℃;

t——加热时间,h

春秋季183天,平均环境温度20℃,平均水温15℃;夏季92天,平均环境温度28℃,平均水温20℃;冬季90天,平均环境温度13℃,平均水温10℃。查相关参数表计算可得:

图片


(4)泳池恒温总耗热量计算:

Q=Qz+Qc+Qb

即不同季节泳池恒温总耗热量如下:

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(5)泳池初次加热耗热量计算:

考虑水池传导蒸发热损失,取补偿温度1℃。从冷水10℃加热到使用温度26℃,若考虑首次加热时间为24个小时,则每小时加热量为:

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式中:

c——水的定压比热容,4.18kJ/(kg·℃);

m——热水量,kg;

t2——热水加热温度,取26℃;

t1——冷水温度,取10℃。

h——运行时间,h

代入数据得:Qh=370.72kW。


4.2 太阳能集热器面积计算及选型

本项目每天设计产水量为45t/d,所需集热器面积为:

Ac=Qw×Cw(tend-tif/[Jrηcd(1-ηL)]

式中:

Qw——日均用水量,45000kg;

ηcd——集热器全日集热效率50%~60%,取55%;

Ac——直接系统集热器采光面积,m2

Jr——所在地集热器总面积的月平均日太阳辐照量,MJ/m2

f——太阳能保证率0.4~0.8,取0.55;

tend——储水箱内水终止温度,26℃;

Cw——水的定压比热容,4.18kJ/(kg·℃);

ti——水的初始温度,取10℃;

ηL——管道及储水箱热损失率0.20~0.30,取0.20。

其中Jr为所在地集热器受热面上月均辐照量,根据全国主要城市太阳辐照量,可得太原地区Jr=16.89MJ/m2,太计算得阳能集热器面积Ac=223m2

由于建筑物屋面面积的限制,所设太阳能集热总面积为223m2,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。本系统集热器选用横式方柱型集热器,每台集热器的集热面积为7.7m2,总计使用29组太阳能集热器,每组使用50支真空管,直径58mm、长1.8m。

因露面造型和设备问题导致安装太阳能使用面积有限,设置辅助热源时,辅助热源的供热量:

QF=Qh-Qg

式中:

QF——辅助热源供热量,kW;

Qh——设计小时供热量,kW。

式中适用于空气源燃气机热泵作为主热源、其他热源作为辅助热源的情况。太阳能集热系统作为主热源、其他热源作为辅助热源时,计算辅助热源供热量的方法同。


4.3 辅助热源的配置方案与选型

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、燃油锅炉的使用有一定限制的前提下,采用空气源热泵作为辅助热源。空气源热泵机组采用的是热泵技术,是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,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。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。

方案一:空气源电热泵。空气源电热泵中的压缩机做功,将空气中的热能转移到水中,并将热水送至水箱。系统组成为空气源电热泵、热水循环泵、换热器。

采用30P电空气源热泵,单台制热量72kW。根据计算所得该改造项目最大热负荷为371kW,故设备选择如下:

371÷72=5.15,取6台。

因此选择6台型号为30P的空气源电热泵可满足要求。

方案二:空气源燃气机热泵[蓝焰高科(天津)燃气技术有限公司]。空气源燃气机热泵由燃气发动机带动压缩机做功,将空气中的热能转移到水中,并将热水送至水箱。系统组成为空气源燃气机热泵、热水循环泵、换热器。

由上面可知满足热水供应需求的空气源燃气机热泵供热量为371kW

采用空气源燃气机热泵机组GEHP-KXLY-195,单台额定制热量195kW,设备选择如下:

371÷195=1.90,取2台。

因此选择2台型号为GEHP-KXLY-195kW的空气源燃气热泵可满足要求。


5.费用分析


5.1 主设备配置及初投资

2种方案主设备配置及初投资情况如表1所示。

表 1 方案设备配置及初投资价格

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5.2 运行成本分析

运行费用分析采用的数据为:商用天然气价格为3.0元/m3;电费为1.0元/kWh。

泳池恒温小时耗热量:春秋季91kW,夏季76kW,冬季107kW。

环境温度20℃时,空气源电热泵机组COP值5.19。环境温度28℃时,热泵机组COP值6.69。环境温度13℃时,热泵机组COP值4.22。

环境温度20℃时,空气源燃气热泵机组PER值2.06。环境温度28℃时,热泵机组PER值2.51。环境温度13℃时,热泵机组PER值1.77。

全年热水太阳能预热量为:223.3×16.89×365×0.55÷0.55×(1-0.2)=1101GJ;热泵系统按照每天20小时工作时间计算,各方案运行费用如下:

(1)方案一:

采用30P空气源电热泵全年运行费用:

春秋季:1.0×(91×3600×20×183-1101×106÷365×183)÷3600÷5.19≈34629;

夏季:1.0×(76×3600×20×92-1101×106÷365×92)÷3600÷6.69≈9380元;

冬季:1.0×(107×3600×20×90-1101×106÷365×90)÷3600÷4.22≈26513元。

总费用:34629+9380+26513=70522元,

(2)方案二:

采用GEHP-KXLY-195kW[蓝焰高科-空气源燃气机热泵]全年生活热水空气源燃气机热泵全年运行费用:

春秋季:3.0×(91×3600×20×183-1101×106÷365×183)÷3600÷2.06÷10≈26173元;

夏季:3.0×(76×3600×20×92-1101×106÷365×92)÷3600÷2.51÷10≈7500元;

冬季:3.0×(107×3600×20×90-1101×106÷365×90)÷3600÷1.77÷10≈19863元。

总费用:26173+7500+19863=53536元。


5.3 结果与讨论

分析2个方案初投资及运行费用,结果如表2所示

表2 方案初投资及运行费用情况

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综合考虑,我们采用方案二[选用蓝焰高科(天津)燃气技术有限公司生产的空气源燃气机热泵]作为此项目最终方案,虽然空气源燃气热泵作为辅助热源初投资较空气源电热泵高,但运行费用低,而且空气源燃气机热泵不仅仅能供热水使用,同时还可满足供冷供热的需求。冬季供热可利用发动机排热,供热能力大,不受外界环境温度影响,特别适用于冬季寒冷地区,无需辅助热源,可快速除霜,也特别适合夏季炎热冬季湿冷地区。综合考虑,推荐考虑空气源燃气机热泵作为太阳能辅助热源。



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