太陽能空氣源熱泵熱水系統(tǒng)畢業(yè)論文

1、<p>　　太陽能+空氣源熱泵熱水系統(tǒng)</p><p>　　的控制系統(tǒng)與經(jīng)濟(jì)效益分析</p><p>　　【摘要】太陽能的加入，一方面，可以改變低溫時(shí)空氣源熱泵COP不高的弱點(diǎn)；另一方面熱泵跟太陽能的結(jié)合，又能彌補(bǔ)太陽能熱水器不能在陰雨天氣、夜晚、太陽強(qiáng)度不大時(shí)不能正常運(yùn)行的缺點(diǎn)。因此，太陽能+空氣源熱泵熱水系統(tǒng)可提高太陽能集熱器效率和熱泵系統(tǒng)性能，同時(shí)解決全天候供熱問題，具有良

2、好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，必定擁有廣闊的市場(chǎng)前景。本課題對(duì)模擬設(shè)計(jì)的一套太陽能+空氣源熱泵熱水系統(tǒng)進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)效益比較，結(jié)果表明在產(chǎn)水量相當(dāng)情況下，采用太陽能+熱泵熱水系統(tǒng)節(jié)能效果顯著。</p><p>　　【關(guān)鍵詞】太陽能； 空氣源熱泵； 熱水；經(jīng)濟(jì)效益分析</p><p>　　Engineering Design of Solar Energy and Air Source Heat Pump

3、 hot water system </p><p>　　【Abstract】On the one hand, the addition of solar energy can improve the COP of air source heat pump, especially when the environment temperature is low. On the other hand, the com

4、bination of heat pump with solar energy also can make up the shortcomings of that the solar water heater can not normally operate at the rainy weather, on the night and on the days of low solar intensity. Therefore, air

5、source heat pump with solar energy water system can improve the efficiency of solar collectors and th</p><p>　　【Key words】Solar energy；Air source heat pump；Economical analysis</p><p><b>　　

6、第1章 緒論</b></p><p>　　1.1 太陽能+空氣源熱泵熱水系統(tǒng)的概述</p><p>　　隨著科技的進(jìn)步、經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和人們生活水平的不斷提高，人們對(duì)生活用熱水的需求越來越大，要求越來越高。太陽能是一種取之不盡又安全無污染的可再生資源，所以很好地利用太陽能提供生活熱水可以減少建筑能耗、緩解能源與環(huán)境危機(jī)。</p><p>　　然而太陽能受

7、季節(jié)和天氣影響較大，而且熱流密度低，導(dǎo)致太陽能在很多應(yīng)用上都受到一定的限制。現(xiàn)在大部分的太陽能熱水器在陰雨天氣、夜晚、太陽強(qiáng)度不大時(shí)不能正常運(yùn)行。這些不足，給另外一種節(jié)能的熱泵技術(shù)的發(fā)展帶來了契機(jī)。熱泵技術(shù)利用少量的電能，從低溫?zé)嵩次妆队陔娔艿臒崮?，并將其傳遞給高溫?zé)嵩础?lt;/p><p>　　因此，將太陽能利用技術(shù)與熱泵技術(shù)結(jié)合起來，使兩者的優(yōu)點(diǎn)在使用時(shí)相輔相成，將有更好的表現(xiàn)。將太陽能-空氣源熱泵熱水器結(jié)合

8、供應(yīng)生活熱水，主要是以太陽能直接加熱為主，以空氣源熱泵為輔，解決太陽能供熱的連續(xù)性問題。</p><p>　　一方面，太陽能的加入，可以改變低溫時(shí)空氣源熱泵COP不高的弱點(diǎn)；另一方面太陽能跟熱泵的結(jié)合，又能彌補(bǔ)太陽能熱水器不能在陰雨天氣、夜晚、太陽強(qiáng)度不大時(shí)不能正常運(yùn)行的缺點(diǎn)。因此，太陽能-空氣源熱泵熱水器結(jié)合的產(chǎn)品具有良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，必定擁有廣闊的市場(chǎng)前景。</p><p>　　1

9、.2 太陽能+空氣源熱泵熱水系統(tǒng)的工作原理</p><p>　　1.2.1太陽能熱水器的工作原理</p><p>　　1．強(qiáng)制循環(huán)工作原理：利用冷水比熱水密度大，冷水下沉，熱水上升，形成自然對(duì)流循環(huán)、使水箱中的水逐漸變熱，達(dá)到設(shè)定的水溫為止。當(dāng)太陽強(qiáng)度不足以滿足循環(huán)需要的時(shí)候，可以在水循環(huán)閉路加一水泵，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)制循環(huán)，如圖1-1所示。</p><p>　　圖1-1 太

10、陽能熱水器強(qiáng)制循環(huán)</p><p>　　2．集熱器吸熱原理：太陽能熱水器的集熱器表面，有一特殊的涂層，此涂層對(duì)太陽能可見光范圍具有很大的吸收率，吸收為熱以后，集熱器的散熱熱輻射波長(zhǎng)在長(zhǎng)波范圍，該涂層對(duì)長(zhǎng)波的發(fā)射率很低，這樣就有效的“滯留”了太陽能的熱量。</p><p>　　1.2.2空氣源熱泵熱水器的工作原理</p><p>　　空氣源熱泵熱水器內(nèi)專置一種吸熱介質(zhì)

11、——冷媒，它在液化的狀態(tài)下低于零下20℃，與外界溫度存在著溫差，因此，冷媒可吸收外界的熱能，在蒸發(fā)器內(nèi)部蒸發(fā)汽化，通過空氣源熱泵熱水器中壓縮機(jī)的工作提高冷媒的溫度，再通過冷凝器使冷媒從汽化狀態(tài)轉(zhuǎn)化為液化狀態(tài)，在轉(zhuǎn)化過程中，釋放出大量的熱量，傳遞給水箱中的儲(chǔ)備水，使水溫升高，達(dá)到制熱水的目的，如圖1-2所示。</p><p>　　圖1-2 空氣源熱泵熱水器工作原理圖</p><p>　　1.

12、2.3太陽能+空氣源熱泵熱水系統(tǒng)的運(yùn)行原理</p><p>　　這套安全可靠、經(jīng)濟(jì)高效、水量調(diào)節(jié)范圍大的太陽能-空氣源熱泵輔助加熱供熱水系統(tǒng)，將太陽能加熱系統(tǒng)與熱泵加熱系統(tǒng)串、并聯(lián)配置的方式，即將太陽能加熱作為前級(jí)加熱設(shè)備，熱泵機(jī)組作為次級(jí)加熱設(shè)備：結(jié)合太陽能加熱的特點(diǎn)，冷水定時(shí)定量的補(bǔ)充到系統(tǒng)水箱內(nèi)并經(jīng)過所配太陽能強(qiáng)制循環(huán)加熱。在陰雨天或日照較弱的季節(jié)，經(jīng)過系統(tǒng)水箱溫度控制器控制熱泵運(yùn)行，循環(huán)水泵將系統(tǒng)水箱內(nèi)的

13、水通過熱泵循環(huán)加熱，在達(dá)到使用溫度后，熱泵停止運(yùn)行。在日照良好的季節(jié)，由于太陽能加熱一定的時(shí)間后，此時(shí)系統(tǒng)水箱內(nèi)儲(chǔ)存水可以達(dá)到使用溫度，無須啟動(dòng)熱泵機(jī)組加熱（此過程由系統(tǒng)水箱內(nèi)的水溫自動(dòng)控制），從而保證充分的利用太陽能的加熱，同時(shí)減少熱泵機(jī)組輔助加熱的能耗，以達(dá)到節(jié)能降耗之目的，如圖1-3所示。</p><p>　　圖1-3太陽能+空氣源熱泵熱水系統(tǒng)工作原理圖</p><p>　　1.3

14、太陽能+空氣源熱泵熱水系統(tǒng)的特點(diǎn)</p><p><b>　　1．運(yùn)行可靠</b></p><p>　　作為太陽能熱泵熱水機(jī)組的主要組成部分，太陽能和空氣源熱泵都是技術(shù)成熟的節(jié)能環(huán)保產(chǎn)品。太陽能在生活熱水系統(tǒng)中的規(guī)模化利用已有20余年的歷史，空氣源熱泵的大量應(yīng)用也有數(shù)十年的歷史，太陽能熱泵中央熱水系統(tǒng)將太陽能與空氣源熱泵技術(shù)有機(jī)結(jié)合，在不影響二者原有運(yùn)行功能的條件下，

15、使其運(yùn)行效率顯著提高，從而能夠保證系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運(yùn)行，節(jié)約熱水系統(tǒng)常規(guī)能源消耗。</p><p><b>　　2．節(jié)能環(huán)保</b></p><p>　　熱水系統(tǒng)由太陽能熱水器加空氣源熱泵熱水器組成，只使用太陽能及少量的電能，對(duì)環(huán)境沒有任何的污染。在運(yùn)行過程中，無任何有害氣體、液體、和燃燒廢棄物產(chǎn)生和排放，是一種低能耗的環(huán)保產(chǎn)品，投入產(chǎn)出比高，回報(bào)快，具有良好的社會(huì)效益和

16、經(jīng)濟(jì)效益。</p><p><b>　　3．全天候供水</b></p><p>　　系統(tǒng)主要由太陽能熱水器提供生活熱水，夜晚、陰雨天氣及冬季環(huán)境溫度較低太陽能資源不足時(shí)熱水由空氣源熱泵熱水器供應(yīng)，做到全年、全天候供應(yīng)熱水。</p><p>　　第2章 工程設(shè)計(jì)說明</p><p>　　2.1 工程設(shè)計(jì)要求</p&

17、gt;<p>　　1、樓房結(jié)構(gòu)：廣州某中學(xué)學(xué)生宿舍樓共6層，一～六層為學(xué)生宿舍，每層9間學(xué)生宿舍，每間房住8個(gè)人，1個(gè)管理房；</p><p>　　2、熱水供給方式：定時(shí)供應(yīng)熱水，熱水接到每間宿舍的陽臺(tái)處，桶提用熱水；</p><p>　　3、冷水計(jì)算溫度：15℃；</p><p>　　4、熱水計(jì)算溫度：55℃；</p><p>

18、;　　5、用熱水總?cè)藬?shù)：按440人計(jì)；</p><p>　　6、人均日用熱水量：50kg（55℃）；</p><p>　　7、日用熱水總量：440人×50kg/（人.日）=22000kg/日；</p><p>　　2.2 太陽能集熱器與空氣源熱泵熱水機(jī)組技術(shù)參數(shù)</p><p>　　1、太陽能集熱器技術(shù)參數(shù)</p>&

19、lt;p>　　2m2平板型太陽能集熱器技術(shù)參數(shù)見表2-1。</p><p>　　表2-1 2m2平板型太陽能集熱器技術(shù)參數(shù)</p><p>　　2、空氣源熱泵熱水機(jī)組技術(shù)參數(shù)</p><p>　　空氣源熱泵熱水機(jī)組技術(shù)參數(shù)見表2-2。</p><p>　　表3-2空氣源熱泵熱水機(jī)組技術(shù)參數(shù)</p><p>　　

20、2.3 系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)說明</p><p>　　按照設(shè)計(jì)要求，同時(shí)結(jié)合供熱水的要求及宿舍樓天面的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，為學(xué)生宿舍樓設(shè)計(jì)了一套安全可靠、經(jīng)濟(jì)高效、水量調(diào)節(jié)范圍大的太陽能-空氣源熱泵輔助加熱供熱水系統(tǒng)，在未用水前，儲(chǔ)熱水箱應(yīng)滿水。宿舍樓安裝312m2太陽能集熱器（見圖2-1），系統(tǒng)采用強(qiáng)制循環(huán)，冷水由系統(tǒng)控制定量向太陽能水箱中補(bǔ)充。</p><p>　　圖2-1 九恒2m2平板型太陽能集

21、熱器</p><p>　　學(xué)生宿舍樓還配置空氣源熱泵熱水機(jī)組輔助加熱系統(tǒng),以彌補(bǔ)陰雨天、日照強(qiáng)度不夠和少量時(shí)候用水量過大而引起的用水溫過低。3臺(tái)由廣州九恒新能源有限公司生產(chǎn)的9H-SKR-100循環(huán)式空氣源熱泵熱水機(jī)（見圖2-2）組對(duì)儲(chǔ)熱水箱未達(dá)到使用溫度的水進(jìn)行加熱，當(dāng)太陽能水箱內(nèi)水溫達(dá)到設(shè)定的使用溫度時(shí)，循環(huán)加熱式熱泵停止工作。</p><p>　　圖2-2 九恒9H-SKR-100循

22、環(huán)式空氣源熱泵熱水機(jī)</p><p>　　第3章 系統(tǒng)的控制說明</p><p>　　3.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理</p><p>　　將太陽能加熱系統(tǒng)與熱泵加熱系統(tǒng)串、并聯(lián)配置的方式，即將太陽能加熱作為前級(jí)加熱設(shè)備，熱泵機(jī)組作為次級(jí)加熱設(shè)備：結(jié)合太陽能加熱的特點(diǎn)，冷水定時(shí)定量的補(bǔ)充到系統(tǒng)水箱內(nèi)并經(jīng)過所配太陽能強(qiáng)制循環(huán)加熱；在陰雨天或日照較弱的季節(jié)，經(jīng)過系統(tǒng)水箱溫度控制器控

23、制熱泵運(yùn)行，循環(huán)水泵將系統(tǒng)水箱內(nèi)的水通過熱泵循環(huán)加熱，在達(dá)到使用溫度后，熱泵停止運(yùn)行。在日照良好的季節(jié)，由于太陽能加熱一定的時(shí)間后，此時(shí)系統(tǒng)水箱內(nèi)儲(chǔ)存水可以達(dá)到使用溫度，無須啟動(dòng)熱泵機(jī)組加熱（此過程由系統(tǒng)水箱內(nèi)的水溫自動(dòng)控制），從而保證充分的利用太陽能的加熱，同時(shí)減少熱泵機(jī)組輔助加熱的能耗，以達(dá)到節(jié)能降耗之目的。</p><p>　　3.2 補(bǔ)冷水系統(tǒng)的控制</p><p>　　在正常情況

24、下，太陽能熱水系統(tǒng)的產(chǎn)水量完全可以滿足每天的用熱水需求，考慮宿舍樓熱水用水量變化的實(shí)際情況，太陽能系統(tǒng)的冷水由水位控制補(bǔ)水。</p><p>　　水箱中有高、中、低水位探頭，當(dāng)水位低于低水位探頭時(shí)，控制系統(tǒng)打開補(bǔ)水電磁閥補(bǔ)水；當(dāng)水位處于中水位時(shí)，電磁閥保持原狀態(tài)；當(dāng)水位高于高水位探頭時(shí)，關(guān)閉電磁閥。</p><p>　　3.3 太陽能系統(tǒng)的控制</p><p>　　

25、太陽能系統(tǒng)采用小溫差循環(huán)，即通過設(shè)在集熱器陣列末端出口與系統(tǒng)水箱下部?jī)蓚€(gè)測(cè)溫點(diǎn)之間的溫差控制循環(huán)泵的工作與否：當(dāng)溫差較大時(shí)（△T=3℃～6℃），溫差控制器發(fā)出指令，循環(huán)泵工作，水在集熱器內(nèi)循環(huán)加熱；當(dāng)溫差較小時(shí)（△T=1℃～2℃），循環(huán)泵停止工作，如此反復(fù)。在日照正常情況下，系統(tǒng)水箱內(nèi)的水溫到晚上使用時(shí)可達(dá)到設(shè)定的使用溫度，此時(shí)無須進(jìn)行輔助加熱，供熱水時(shí)熱水直接由系統(tǒng)水箱供出。</p><p>　　第4章 經(jīng)濟(jì)效

26、益比較</p><p>　　對(duì)該棟宿舍樓分別采用太陽能+熱泵和太陽能+電加熱、單獨(dú)熱泵三種熱水系統(tǒng)情況作經(jīng)濟(jì)效益比較。</p><p><b>　　4.1 基本數(shù)據(jù)</b></p><p>　　1、用熱水總?cè)藬?shù)：按440人計(jì)；</p><p>　　2、人均日用熱水量：50kg（55℃）；</p><p

27、>　　3、每棟日用熱水總量合計(jì)：440人×50kg/（人.日）=22000kg/日；</p><p>　　4、冷水計(jì)算溫度：15℃；</p><p>　　5、熱水計(jì)算溫度：55℃；</p><p>　　6、市場(chǎng)電價(jià)：0.75元/度；</p><p>　　7、直接電加熱效率：0.96, 每度電可產(chǎn)生熱量： 860kcal/度；&

28、lt;/p><p>　　8、空氣源熱泵機(jī)組能效比全年平均值：3.8；</p><p><b>　　4.2 計(jì)算方法</b></p><p>　　整個(gè)太陽能-熱泵熱水系統(tǒng)全年累計(jì)運(yùn)行時(shí)間按360天計(jì)：其中太陽能系統(tǒng)全年累計(jì)運(yùn)行時(shí)間按270天計(jì)，而熱泵熱水機(jī)組全年累計(jì)運(yùn)行時(shí)間按90天計(jì)；</p><p>　　4.2.1 太陽能+

29、熱泵熱水系統(tǒng)</p><p>　　熱泵熱水機(jī)組全年累計(jì)運(yùn)行時(shí)間按90天計(jì)，在此期間，每天使用的熱水完全由熱泵熱水機(jī)組進(jìn)行加熱，則每日需要消耗的能耗為（即熱泵輸出的總有效能耗）：</p><p>　　22000kg/d×（55℃-15℃）×1kcal/（℃·kg）=880000kcal/d</p><p>　　每日需要消耗的能耗折合用電量

30、為：</p><p>　　880000kcal/d÷860kcal/度＝1023.26度/d</p><p>　　每日熱泵機(jī)組需要消耗的總電量為：</p><p>　　1023.26度/d÷3.8＝269.28度/d</p><p>　　每年熱泵機(jī)組需要消耗的總電量為：</p><p>　　269.

31、28度/d×90d＝24235.0度</p><p>　　每年熱泵機(jī)組需要消耗的總電量折合用電費(fèi)用共計(jì)：</p><p>　　124235.0度×0.75元/度＝18176.3元</p><p>　　4.2.2 太陽能+電加熱系統(tǒng)</p><p>　　電加熱器全年累計(jì)運(yùn)行時(shí)間按90天計(jì)，在此期間，每天使用的熱水完全由電加熱

32、器進(jìn)行加熱，則每日需要消耗的能耗為（即電加熱器輸出的總有效能耗）：</p><p>　　22000kg/d×（55℃-15℃）×1kcal/（℃·kg）=880000kcal/d</p><p>　　每日需要消耗的能耗折合用電量為：</p><p>　　880000kcal/d÷860kcal/度＝1023.26度/d<

33、/p><p>　　如果每日直接利用電加熱，則需要消耗的電能為：</p><p>　　1023.26度/d÷0.96＝1065.89度/d</p><p>　　電加熱器每日需要消耗的總用電量費(fèi)用為: </p><p>　　1065.89度/d×0.75元/度=799.42元/d</p><p>　　太陽能

34、+電加熱系統(tǒng)電加熱器全年總用電量費(fèi)用為: </p><p>　　799.42元/d×90d=71947.6元</p><p>　　4.2.3 空氣源熱泵系統(tǒng)</p><p>　　空氣源熱泵熱水機(jī)組全年累計(jì)運(yùn)行時(shí)間按360天計(jì)，在此期間，每天使用的熱水完全由空氣源熱泵熱水機(jī)組進(jìn)行加熱，則每日需要消耗的能耗為（即熱泵機(jī)組輸出的總有效能耗）：</p>

35、<p>　　22000kg/d×（55℃-15℃）×1kcal/（℃·kg）=880000kcal/d</p><p>　　每日需要消耗的能耗折合用電量為：</p><p>　　880000kcal/d÷860kcal/度＝1023.26度/d</p><p>　　每日熱泵機(jī)組需要消耗的總電量為：</p&g

36、t;<p>　　1023.26度/d÷3.8＝269.28度/d</p><p>　　每年熱泵機(jī)組需要消耗的總電量為：</p><p>　　269.28度/d×360d＝96940.4度</p><p>　　每年熱泵機(jī)組需要消耗的總電量折合用電費(fèi)用共計(jì)：</p><p>　　96940.4度×0.7

37、5元/度=72705.3元</p><p><b>　　4.3 效益比較</b></p><p>　　采用三種熱水系統(tǒng)情況作比較，太陽能+熱泵耗能年費(fèi)用：18176.3元；太陽能+電加熱耗能年費(fèi)用：71947.6元；熱泵耗能年費(fèi)用：72705.3元，結(jié)果表明，在產(chǎn)水量相當(dāng)情況下，采用太陽能+熱泵熱水系統(tǒng)節(jié)能效果顯著。結(jié)論</p><p>　　太

38、陽能+空氣源熱泵熱水系統(tǒng)是一種性能可靠，環(huán)保節(jié)能的熱水系統(tǒng)形式，該系統(tǒng)只使用太陽能及少量的電能，對(duì)環(huán)境沒有任何的污染。在白天最低溫度-15℃以上、太陽輻照良好的我國(guó)大部分地區(qū)都可推廣應(yīng)用。</p><p>　　隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，熱水系統(tǒng)方面也不斷地發(fā)展，新的領(lǐng)域不斷出現(xiàn)，新的技術(shù)、設(shè)備、材料不斷地開發(fā)完善。這也意味著我們要與時(shí)俱進(jìn)，通過所學(xué)的基本理論、基本知識(shí)和基本技能，分析和解決實(shí)際工程問題，不斷地學(xué)習(xí)掌

39、握新事物、新知識(shí)。</p><p>　　通過這次模擬的畢業(yè)設(shè)計(jì)，使我們熟悉掌握熱水系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)程序、方法和技術(shù)規(guī)范，提高對(duì)熱水系統(tǒng)工程的計(jì)算、圖標(biāo)繪制、計(jì)算說明的編寫；樹立正確的設(shè)計(jì)思想，培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)肅認(rèn)真的科學(xué)態(tài)度和嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的科學(xué)作風(fēng)，能守紀(jì)律，善于與他人溝通、合作；樹立正確的工程觀點(diǎn)、設(shè)計(jì)觀點(diǎn)、經(jīng)濟(jì)觀點(diǎn)和全局觀點(diǎn)。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b><

40、;/p><p>　　1. 陳禮《流體力學(xué)及泵與風(fēng)機(jī)》北京：清華大學(xué)出版社. 2005.7</p><p>　　2. 廣州九恒新能源有限公司內(nèi)部資料</p><p>　　3. 張志梅《太陽能熱水器的設(shè)計(jì)與安裝》</p><p>　　4. 劉耀斌《空氣源熱泵熱水器機(jī)組設(shè)計(jì)要點(diǎn)》</p><p>　　5. 蘇生《空氣源熱泵熱水器