空氣源熱泵輔助加熱太陽能泳池系統(tǒng)設計

王桂林

隨著生活質(zhì)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(jié),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(jié)能減排工作的重視,用太陽能系統(tǒng)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(qū)有一定的優(yōu)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(jié)能裝置,其應用日益普及。將空氣源熱泵技術(shù)和太陽能熱水技術(shù)有機的結(jié)合起來,可彌補后者的不足,實現(xiàn)高效、全天候運行。

1 工程概況

該工程為某市住宅小區(qū)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(nèi)輔助設施包括更衣室等。根據(jù)業(yè)主要求,太陽能集熱器僅供游泳池加熱。

2 系統(tǒng)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(zhì)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(tǒng)示意圖如圖1所示。該系統(tǒng)共有四個循環(huán)過程,分別為太陽能集熱循環(huán)、游泳池水加熱熱媒循環(huán)、游泳池池水加熱循環(huán)以及輔助熱源加熱循環(huán)過程。

3 基本計算

3.1 游泳池傳熱分析

根據(jù)國家現(xiàn)行游泳池的規(guī)范,游泳池的熱損失主要包括泳池表面蒸發(fā)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(shù)據(jù)是計算太陽能集熱板面積和輔助熱源設備選型的依據(jù)。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(jù)當?shù)靥柲茌椛滟Y料,理想狀態(tài)下采用直接式太陽能熱水系統(tǒng)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(jù)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(jù)當?shù)氐膶嶋H情況及與業(yè)主溝通,在無市政熱網(wǎng)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(shù),利用電能驅(qū)動把熱量從低溫熱源轉(zhuǎn)移到高溫熱源的一種裝置。根據(jù)逆卡諾循環(huán)原理,采用少量的電能驅(qū)動壓縮機運行,高壓的液態(tài)工質(zhì)經(jīng)過膨脹閥后在蒸發(fā)器內(nèi)蒸發(fā)為氣態(tài),并大量吸收空氣中的熱能,氣態(tài)的工質(zhì)被壓縮機壓縮成高溫、高壓的液態(tài),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(huán)境空氣吸收轉(zhuǎn)移了約3份～4份的能量(熱量)到水中,相對于常規(guī)電能,節(jié)約了3/4的能量。空氣源熱泵作為輔助熱源,更加節(jié)能環(huán)保,且安裝方便。

系統(tǒng)雖然設置了太陽能儲熱水箱,但考慮到太陽能系統(tǒng)在連續(xù)陰天等光照條件不足時,為保證游泳池加熱系統(tǒng)仍能正常運行,空氣源熱泵的選型依據(jù)仍按滿負荷考慮,經(jīng)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(tǒng)運行與控制

4.1 系統(tǒng)形式

如圖1所示,本系統(tǒng)采用溫差循環(huán)的供熱方式。系統(tǒng)設置低位儲熱水箱,用來儲存太陽輻射熱量,保持系統(tǒng)穩(wěn)定運行。當太陽輻射低峰或夜晚,利用儲熱水箱內(nèi)的熱量,通過板式換熱器和游泳池循環(huán)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(huán)泵對池水進行加熱。

4.2 系統(tǒng)運行控制

本系統(tǒng)主要由太陽能集熱器、儲熱水箱、循環(huán)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(huán)過程。

1)太陽能集熱循環(huán)。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(shù)(一般為5℃)]時,循環(huán)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(shù)(一般為1℃～2℃)]時,循環(huán)泵P1關閉。

2)游泳池水加熱熱媒循環(huán)。太陽能儲熱水箱出水安裝溫差控制器T2,游泳池循環(huán)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(diào)節(jié))時,循環(huán)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(huán)。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(huán)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(huán)泵P2,P4關閉。

4)輔助熱源加熱循環(huán)。該循環(huán)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(diào)節(jié))時,循環(huán)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(diào)節(jié))時,循環(huán)泵P3關閉。

5 結(jié)語

1)太陽能使用方便、經(jīng)濟效益明顯,對環(huán)境不產(chǎn)生污染,是節(jié)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(tǒng)應進行經(jīng)濟分析,以期在合理的初期投資下得到最大的經(jīng)濟和環(huán)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(tǒng)合用能夠起到較好的節(jié)能效果。

[1]GB 50015-2003,建筑給水排水設計規(guī)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(tǒng)工程技術(shù)手冊[M].北京:化學工業(yè)出版社,2006.

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