太陽能在泳池加熱系統(tǒng)中的應(yīng)用研究和測試分析

毛 凱，丁 毅，費(fèi) 淞，操 愷

（江蘇省產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)研究院，江蘇南京 210000）

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的增長，能源緊張與環(huán)境污染日益突出，為了人類社會的可持續(xù)發(fā)展，世界各國目前都將目光轉(zhuǎn)向可再生能源的開發(fā)與利用。太陽能加熱以其良好的節(jié)能環(huán)保性能，在大型熱水系統(tǒng)中得到越來越多的應(yīng)用。

太陽能是一種清潔無污染的可再生能源。我國在太陽能熱水器方面已經(jīng)做了很多研究，目前在技術(shù)上已達(dá)到較高的水平，產(chǎn)品的性能可靠、質(zhì)量高。但隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和建筑設(shè)計(jì)的問題，其安裝和使用對城市景觀美化、建筑維護(hù)等都帶來一定的影響。因此，太陽能和建筑一體化這項(xiàng)新的課題引起了各界各地的關(guān)注。“太陽能與建筑一體化”就是把太陽能產(chǎn)品作為建筑部件安裝，使其與建筑有機(jī)結(jié)合起來，既符合建筑美學(xué)要求，又能盡可能地利用太陽能等新能源替代常規(guī)能源以減少建筑能耗對常規(guī)能源的依賴，以降低建筑能耗占我國總能耗的比例。

熱泵技術(shù)是一種很好的節(jié)能制冷供熱技術(shù)，它利用少量高品位的電能作為驅(qū)動(dòng)能源，從低溫?zé)嵩锤咝〉推肺粺崮埽⑵鋫鬏斀o高溫?zé)嵩矗瑥亩D(zhuǎn)能質(zhì)系數(shù)低的能源為能質(zhì)系數(shù)高的能源（節(jié)約高品位能源），是一種提高能量品位的技術(shù)。使用熱泵技術(shù)，利用空氣或水中所蘊(yùn)藏的趨于無限的能量，一年四季都可以將空氣或水中的熱量取出來制造熱水，實(shí)現(xiàn)全天候供熱［1-2］。

太陽能與空氣源熱泵結(jié)合使用，形式多樣、布置靈活、一機(jī)多用、應(yīng)用范圍廣，不僅能克服空氣源熱泵的不足，而且能較好地滿足“太陽能與建筑一體化”的要求。同時(shí)，由于太陽能具有低密度、間歇性和不穩(wěn)定等缺點(diǎn)，常規(guī)的太陽能供熱系統(tǒng)很難滿足“全天候”的要求。為滿足“全天候”的要求，常規(guī)方法是采用電加熱或燃?xì)饧訜釣檩o助熱源，但這樣容易引發(fā)安全問題，且消耗了大量優(yōu)質(zhì)能源。而太陽能與空氣源熱泵系統(tǒng)聯(lián)合使用就能較好地解決“全天候”這一問題。

1 工程概況

本工程案例的游泳池大小為 50×25×2m（長×寬×深），池水溫度保持在27±1℃；淋浴水溫度保持在55±1℃；室內(nèi)有空調(diào)，溫度保持在28±1℃。本系統(tǒng)采用空氣源熱泵和太陽能集熱系統(tǒng)相結(jié)合的方式，共同加熱游泳池水和淋浴用熱水。太陽能和空氣源熱泵互為輔助能源，解決了陰雨天氣、太陽能資源不足時(shí)的供熱，做到全天候供熱。

游泳池是大型的水體系統(tǒng)，在自然條件下，特別是在冬季，為延長游泳池的使用時(shí)間并保持適宜的池水溫度，需要對池水進(jìn)行加熱，這需要消耗大量的能量。游泳池的熱損失一般包括：a.水面蒸發(fā)散熱 Q1；b.水面?zhèn)鲗?dǎo)散熱 Q2；c.池底，池壁傳導(dǎo)散熱Q3；d.設(shè)備及管道散熱 Q4；e.補(bǔ)水加熱量 Q5；f.游泳館淋浴水用熱Q6［3］。各項(xiàng)熱損的計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 游泳池水的各種熱損

可見，泳池開放時(shí)所需的保溫負(fù)荷為：285.5+0+16.2+45.3+133.3≈480.3kW。

2 系統(tǒng)的組成

本系統(tǒng)采用“空氣源熱泵+太陽能”的節(jié)能系統(tǒng)，由太陽能集熱器陣列和空氣源熱泵聯(lián)合加熱游泳池水和淋浴用熱水，并保證全天候的熱水供應(yīng)。游泳池初次加熱時(shí)由空氣源熱泵和太陽能集熱系統(tǒng)聯(lián)合供熱，整個(gè)加熱系統(tǒng)優(yōu)先使用太陽能，太陽能供熱不足時(shí)由空氣源熱泵補(bǔ)充。系統(tǒng)主要由空氣源熱泵主機(jī)、太陽能集熱器陣列、板式熱交換器、儲熱水箱、泵與管路系統(tǒng)及控制系統(tǒng)組成。

2.1 空氣源熱泵

空氣源熱泵的工作原理是根據(jù)逆卡諾循環(huán)原理，采用極少的電能驅(qū)動(dòng)，通過吸熱工質(zhì)把空氣中的熱源傳遞到空氣發(fā)生器中，將空氣交換器內(nèi)的冷媒受熱升溫汽化產(chǎn)生的熱量釋放到水中，使水溫升高［4］。熱泵主機(jī)的選型根據(jù)游泳池開放時(shí)所需的熱量來確定。游泳池開放所需的熱負(fù)荷功率為：928.1kW，其中池水加熱所需功率480.3kW，淋浴用熱水加熱功率447.8kW。

2.2 太陽能集熱器

太陽能集熱器是太陽能熱利用中最重要的組成部分。本工程的建筑屋面為角度很小的斜屋面，要真正實(shí)現(xiàn)太陽能與建筑的有機(jī)結(jié)合，必須是集熱器平鋪在屋面上，而真空熱管式太陽能集熱器和真空管式太陽能集熱器一般都有聯(lián)箱，無法完全平鋪在屋面上，因此本工程選擇平板型太陽能集熱器。

平板型太陽能集熱器是當(dāng)今世界上應(yīng)用最廣泛的太陽能集熱產(chǎn)品，具有集熱效率高、耐空曬、免維護(hù)、可承壓、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)，而且其中超過90%的部件均采用金屬材料，因此特別適合用于大型商用太陽能熱水工程及太陽能與建筑一體化等領(lǐng)域。并且平板型太陽能集熱器的價(jià)格相對其他太陽能集熱器產(chǎn)品來說較低，具有很高的性價(jià)比［5］。

2.3 板式熱交換器

板式熱交換器的型號由熱交換負(fù)荷、兩側(cè)進(jìn)出水溫度確定。本系統(tǒng)初步設(shè)計(jì)游泳池水加熱系統(tǒng)板式換熱器的功率為690kW（一用一備），淋浴水加熱系統(tǒng)板式換熱器功率為350kW。游泳池初次加熱時(shí)啟動(dòng)2臺板式換熱器，保溫時(shí)啟動(dòng)1臺，另1臺作為淋浴熱水的備用熱源，在太陽能不足時(shí)使用。

2.4 淋浴水箱

按60個(gè)淋浴頭設(shè)計(jì)，每個(gè)龍頭平均每小時(shí)的流量為164L，最大淋浴熱水用量為9.84t/h。因此設(shè)計(jì)一個(gè)10t的儲熱水箱和一個(gè)10t的恒溫水箱，以保證全天淋浴熱水的供水量與供水溫度。

3 系統(tǒng)的控制

熱泵主機(jī)的開啟根據(jù)熱泵主機(jī)進(jìn)出口水溫來控制，同時(shí)，熱泵主機(jī)、循環(huán)泵和電磁閥進(jìn)行電氣連鎖控制，任一電磁閥開啟時(shí)，循環(huán)泵和熱泵主機(jī)開啟。電磁閥全部關(guān)閉時(shí)，循環(huán)泵和熱泵主機(jī)停機(jī)。

游泳池水加熱系統(tǒng)根據(jù)游泳池回水溫度來控制池水加熱換熱器的冷側(cè)循環(huán)泵與熱側(cè)電磁閥。

太陽能集熱系統(tǒng)采用溫差強(qiáng)制循環(huán)控制，根據(jù)集熱溫度與儲熱水箱內(nèi)溫度之差來控制集熱循環(huán)泵。

儲熱水箱的控制采用恒定水位控制。恒溫水箱的控制采用恒定水位和恒定溫度控制，溫度達(dá)不到要求時(shí)，由空氣源熱泵輔助加熱。

4 系統(tǒng)的節(jié)能效益分析

太陽能是清潔無污染的可再生能源，空氣源熱泵是一種能效比很高的節(jié)能設(shè)備。所以，二者的結(jié)合可非常有效地節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用。在游泳池水初次加熱時(shí)，由空氣源熱泵和太陽能集熱系統(tǒng)共同加熱游泳池水，以進(jìn)一步減少對電能的消耗。其中太陽能集熱系統(tǒng)提供的能量占總能量的25.36%。為了說明本系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性，下面對本系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)行分析，并分別針對燃?xì)忮仩t、燃油鍋爐進(jìn)行運(yùn)行費(fèi)用的比較。其中電的價(jià)格為0.52元/kWh，柴油熱值為9000kcal/L，價(jià)格為4.86元/L；天然氣熱值為8200kcal/m3，價(jià)格為2.35元/m3。

4.1 初次加熱

根據(jù)建筑給水排水設(shè)計(jì)手冊，可計(jì)算出初次加熱時(shí)所需要的熱負(fù)荷為230285MJ，則太陽能集熱系統(tǒng)與空氣源熱泵系統(tǒng)分別提供的熱量為58400MJ、171885MJ，系統(tǒng)的運(yùn)行總費(fèi)用為6769元。

a.在晴好天氣下，泳池開放時(shí)所需的熱負(fù)荷由空氣源熱泵提供，淋浴水加熱負(fù)荷由太陽能集熱系統(tǒng)提供。在晴好天氣下太陽能集熱系統(tǒng)平均每天可提供的能量計(jì)算得Q=4637MJ/天。

淋浴水加熱所需負(fù)荷為2094MJ/h，按每天用水時(shí)間為4h設(shè)計(jì)。泳池保溫負(fù)荷為13830MJ，所以空氣源熱泵提供的加熱負(fù)荷為17569MJ，則系統(tǒng)總花費(fèi)691.95元/天。

b.在陰雨天氣下，整個(gè)系統(tǒng)的熱負(fù)荷全由空氣源熱泵提供，整個(gè)系統(tǒng)的每天運(yùn)行費(fèi)用為874.59元。

4.2 該系統(tǒng)與傳統(tǒng)加熱方式的比較

表2 本系統(tǒng)與傳統(tǒng)加熱方式運(yùn)行費(fèi)用的比較

由表2可見：相對于燃?xì)忮仩t和燃油鍋爐加熱系統(tǒng)來說，本系統(tǒng)具有顯著的節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用的效果。

5 系統(tǒng)性能測試

系統(tǒng)調(diào)試完畢后，根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 20095《太陽熱水系統(tǒng)性能評定規(guī)范》和DGJ32/TJ90-2009《江蘇省工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)》的要求，利用自行研制的基于現(xiàn)場的太陽能熱水工程檢測設(shè)備，對系統(tǒng)的熱性能項(xiàng)目進(jìn)行了測試。

太陽能熱水系統(tǒng)檢測設(shè)備可測量日有用的熱量、升溫性能及水箱保溫性能等項(xiàng)目。硬件設(shè)備由以下幾部分組成：

①數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)：包含溫度、風(fēng)速、太陽輻照等采集模塊；

②氣象監(jiān)測系統(tǒng)：包含百葉箱、環(huán)境溫度測量探頭、風(fēng)速儀、輻照表和支架等部件；

③數(shù)據(jù)測量系統(tǒng)：包含Pt100介質(zhì)溫度探頭、流量計(jì)等。設(shè)備的構(gòu)成原理如下：

①外部環(huán)境需要實(shí)時(shí)監(jiān)控，尤其是太陽輻照需要累加輻照量，因此環(huán)境溫度，風(fēng)速、太陽輻照都是單獨(dú)占用1個(gè)采集通道。介質(zhì)的測試溫度，我們采用切換方式獲得，公用4路采集通道；

②溫度探頭采用Pt100鉑電阻溫度探頭，溫度采集模塊配備了研華的ADAM4015+，共有6路采集通道，可采集3線制Pt100探頭信號；

③輻照表的輸出信號是電壓信號，風(fēng)速儀的輸出信號是電流信號，因此配備了研華ADAM4118電流電壓采集模塊，共有8路采集通道；

以上采集模塊均采用RS485通訊端口、Modbus RTU通訊協(xié)議，可通過485接口連接編制的檢測軟件更改每個(gè)通道采集的信號類型和范圍。

為了配合檢測設(shè)備的使用，自行研制開發(fā)了一套測試軟件，可以滿足國標(biāo)GB/T 20095-2006《太陽熱水系統(tǒng)性能評定規(guī)范》和地標(biāo)DGJ32/TJ90-2009《江蘇省工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)》的太陽能工程熱性能測試要求。軟件可實(shí)時(shí)監(jiān)控保存環(huán)境溫度、介質(zhì)溫度、太陽輻照、風(fēng)速等技術(shù)參數(shù)，設(shè)定完畢后可自動(dòng)完成數(shù)據(jù)采集，不需要人員在現(xiàn)場操作，檢測數(shù)據(jù)保存在設(shè)備自帶的存儲卡里，方便隨時(shí)調(diào)用。同時(shí)，軟件預(yù)留了接口，可以進(jìn)行進(jìn)一步升級和改造。

通過測試，系統(tǒng)的日有用的熱量、升溫性能和水箱的保溫性能均符合國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 20095-2006和江蘇省地方標(biāo)準(zhǔn)DGJ32/TJ90-2009的要求。

6 結(jié)語

太陽能是無窮無盡無公害的清潔能源，也是21世紀(jì)人類最有希望加以利用的能源。太陽能與空氣源熱泵技術(shù)結(jié)合相應(yīng)用，具有節(jié)能環(huán)保、形式多樣、布置靈活、一機(jī)多用等優(yōu)點(diǎn)，能較好地解決“太陽能與建筑一體化”和“全天候”的問題,具有廣闊的市場應(yīng)用前景。

［1］姚楊，馬最良.空氣源熱泵冷熱水機(jī)組結(jié)霜工況研究現(xiàn)狀與進(jìn)展［J］.哈爾濱建筑大學(xué)學(xué)報(bào)，2002（5）:66-69，.

［2］錢付平，范樹華，張吉光.空氣源熱泵空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能分析［J］.能源研究與信息，2004（1）:23-28.

［3］陳耀宗.建筑給水排水設(shè)計(jì)手冊［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2001.

［4］柴沁虎，馬國遠(yuǎn).空氣源熱泵低溫適應(yīng)性研究的現(xiàn)狀及進(jìn)展［J］.能源工程，2002（5）：25-31.

［5］畢文峰，王侃宏，喬華，崔堅(jiān).平板集熱器冬季工況集熱性能分析［J］.煤礦現(xiàn)代化，2005（1）：57-59.