空氣源熱泵輔助加熱太陽能泳池系統設計

王桂林

隨著生活質量的提高,游泳運動作為健身和娛樂項目,受到人們越來越多的喜愛。一般情況下,受氣候條件限制,保持適宜游泳水溫十分困難,特別是在寒冷季節,為了延長游泳時間,必須對游泳池水進行加熱。鑒于世界能源的緊張和國家對于節能減排工作的重視,用太陽能系統來加熱游泳池水漸漸受到人們的青睞。太陽能在資源豐富的地區有一定的優勢,有時受天氣影響,不能全天候運行,需設置輔助熱源。空氣源熱泵作為一種高效節能裝置,其應用日益普及。將空氣源熱泵技術和太陽能熱水技術有機的結合起來,可彌補后者的不足,實現高效、全天候運行。

1 工程概況

該工程為某市住宅小區會所的游泳池,長25m,寬12m,設計水深為1.5m,池水溫度要求為26℃。游泳池位于1層,室內輔助設施包括更衣室等。根據業主要求,太陽能集熱器僅供游泳池加熱。

2 系統分析

游泳池設置在首層,游泳池水處理設備、加熱設備以及太陽能儲熱水箱置于地下1層,太陽能集熱器置于屋面。輔助熱源采用空氣源熱泵機組,同樣置于屋面。為了盡可能最大化利用太陽熱能,其太陽能加熱部分采用直接加熱方式,同時為保證游泳池水質安全,池水加熱采用間接加熱的方式。空氣源熱泵機組采用間接加熱方式。所有間接加熱換熱器均采用板式換熱器,既可以提高換熱效率,也能減少占地面積。空氣源熱泵輔助加熱太陽能泳池系統示意圖如圖1所示。該系統共有四個循環過程,分別為太陽能集熱循環、游泳池水加熱熱媒循環、游泳池池水加熱循環以及輔助熱源加熱循環過程。

3 基本計算

3.1 游泳池傳熱分析

根據國家現行游泳池的規范,游泳池的熱損失主要包括泳池表面蒸發損失的熱量,泳池水表面、池底、池壁、管道和設備等傳導損失的熱量,泳池補水加熱所需要的熱量等,綜合上述熱損失可得到游泳池的總熱損失,此數據是計算太陽能集熱板面積和輔助熱源設備選型的依據。本工程中游泳池的總耗熱量為136.4 kW,并由此可計算出太陽能集熱器的加熱面積。

3.2 太陽能集熱器面積計算及選型

根據當地太陽能輻射資料,理想狀態下采用直接式太陽能熱水系統時需要設置太陽能集熱板的面積為1000m2。實際上,由于建筑物屋面面積的限制,所設太陽能集熱總面積約為300m2,熱量不足部分由輔助熱源提供。

太陽能集熱器按形狀分為平板式和真空管式兩大類。其中真空管式又分為U形管式、直插式和熱管式。平板式成本低、承壓高但熱效率較低;而真空管式集熱器成本較高,但啟動快,保溫好,運行更加可靠。根據本工程的特點,選用真空管式集熱器。

3.3 輔助熱源的選擇與計算

根據當地的實際情況及與業主溝通,在無市政熱網且對燃煤、燃油、燃氣鍋爐的使用有一定限制的前提下,采用電能作為輔助熱源。空氣源熱泵機組采用的是熱泵技術,利用電能驅動把熱量從低溫熱源轉移到高溫熱源的一種裝置。根據逆卡諾循環原理,采用少量的電能驅動壓縮機運行,高壓的液態工質經過膨脹閥后在蒸發器內蒸發為氣態,并大量吸收空氣中的熱能,氣態的工質被壓縮機壓縮成高溫、高壓的液態,然后進入冷凝器放熱,把水加熱。在運行過程中,消耗1份的電能,同時從環境空氣吸收轉移了約3份～4份的能量(熱量)到水中,相對于常規電能,節約了3/4的能量。空氣源熱泵作為輔助熱源,更加節能環保,且安裝方便。

系統雖然設置了太陽能儲熱水箱,但考慮到太陽能系統在連續陰天等光照條件不足時,為保證游泳池加熱系統仍能正常運行,空氣源熱泵的選型依據仍按滿負荷考慮,經過計算選用3臺輸出功率為70kW的空氣源熱泵機組作為輔助熱源。

4 系統運行與控制

4.1 系統形式

如圖1所示,本系統采用溫差循環的供熱方式。系統設置低位儲熱水箱,用來儲存太陽輻射熱量,保持系統穩定運行。當太陽輻射低峰或夜晚,利用儲熱水箱內的熱量,通過板式換熱器和游泳池循環泵對池水進行加熱;當儲熱水箱的熱量不能滿足游泳池加熱需求時,則通過空氣源熱泵機組、板式換熱器和游泳池循環泵對池水進行加熱。

4.2 系統運行控制

本系統主要由太陽能集熱器、儲熱水箱、循環水泵、板式換熱器、空氣源熱泵機組以及多個水溫傳感器等組成,共包括四個循環過程。

1)太陽能集熱循環。太陽能熱水器進出口安裝溫差控制器T1,當集熱器出水溫度≥[熱水箱下部溫度+溫差參數(一般為5℃)]時,循環泵P1打開,直至集熱器出水口溫度≤[熱水箱下部溫度+溫差參數(一般為1℃～2℃)]時,循環泵P1關閉。

2)游泳池水加熱熱媒循環。太陽能儲熱水箱出水安裝溫差控制器T2,游泳池循環管道安裝溫控器T3,當池水溫度不大于設定溫度(一般為26℃～28℃)且太陽能儲熱水箱水溫高于35℃(可調節)時,循環泵P2,P4開啟,利用太陽能儲熱水箱對游泳池池水進行加熱。

3)池水加熱循環。游泳池安裝溫控器 T3,當池水溫度不大于設定溫度(一般為 26℃～28℃)時,循環泵 P2,P4打開,通過板式換熱器1對池水進行加熱,當池水溫度大于設定溫度(一般為26℃～28℃)時,循環泵P2,P4關閉。

4)輔助熱源加熱循環。該循環由溫控器T2和T3共同控制,當池水溫度不大于設定溫度(一般為26℃～28℃)且低位水箱水溫低于 35℃(可調節)時,循環泵 P2,P3打開,通過板式換熱器2對從板式換熱器1出來的太陽能儲熱水箱的水進行加熱。當池水溫度大于設定溫度或低位水箱水溫高于35℃(可調節)時,循環泵P3關閉。

5 結語

1)太陽能使用方便、經濟效益明顯,對環境不產生污染,是節能減排的一個重要措施和方法,也是未來“低碳”生活的一個組成部分。2)太陽能系統應進行經濟分析,以期在合理的初期投資下得到最大的經濟和環境效益。3)空氣源熱泵設計靈活,安裝方便,能效比高,與太陽能系統合用能夠起到較好的節能效果。

[1]GB 50015-2003,建筑給水排水設計規范[S].

[2]CECS 14∶2002,游泳池和水上游樂池給水排水設計[S].

[3]鄭瑞澄.民用建筑太陽能熱水系統工程技術手冊[M].北京:化學工業出版社,2006.

[4]羅會龍.空氣源熱泵輔助加熱太陽能熱水系統熱性能研究[J].建筑科學,2009,25(2):52-54.