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    太阳能热水工程-关于太阳能和空气能结合的双能源热水器探讨

本文通过对双能源热水器的系统组成、运行原理、设备选型等详细阐述,以及同目前市场上常规热水器的经济及环保效益分析,从而探讨清洁能源在家用热水器领域当中的应用。通过对比分析阐明了双能源热水器不仅能够产生巨大的经济效益,而且还能为节能减排做出重要贡献。 关键词双能源空气能太阳能经济环保 0前言 随着社会经济的飞速发展,热水器的种类在不断推陈出新。伴随着人们对热水生活需求的提高,不同类型的家用热水器产品纷纷在市场上出现。从初的电、燃热水器到现在的太阳能、空气能热水器,家用热水器的发展可谓突飞猛进。 经济的飞速发展伴随的是常规能源的日益消耗,从1997年的《京都议定书》到2009年《联合国气候变化框架公约》,充分说明了常规能源的肆意消耗给全球气候带来的严重影响。伴随着能源危机的日益加剧,电、燃热水器的不足之处逐渐显露出来。 “低碳环保”、“节能减排”逐渐成为人们选择家电的标准,因此,更加环保更加节能的热水方案应运而生。 1双能源热水器的组成和工作原理 本文所提到的双能源热水器是指太阳能与空气能两种清洁能源通过合理化结合、优势互补,实现经济节能低碳环保的新型家用热水器产品。双能源热水器主要由太阳能集热器、太阳能泵站、空气源热泵、智能控制器、保温储水箱以及循环管路等设备构成。 太阳能集热器作为系统的主要集热元件将吸收的太阳能转化为热能并通过换热管路传递给水箱中的水,热量的运输主要靠太阳能泵站的启动和关闭来实现。由于储水箱中不安装电加热,故使用空气能热泵作为系统的辅助能源,即在连续阴雨天或太阳能辐照量不足以满足用户热水需求时,启动空气源热泵进行辅助加热。空气源热泵的加入,大大减少了电能的损耗,达到了节能减排的目的。系统可以根据用户的需求智能化运行,无需看护、热水全天候。 双能源热水器的工作原理如图1所示。

图1双能源系统运行原理图 1—太阳能集热器;2—太阳能集热器温度传感器;3—排气阀;4—空气源热泵;5—储热水箱;6—换热盘管;7—太阳能循环泵;8—水箱温度传感器;9—换热盘管。
系统运行原理说明: 1.集热循环:当T1~T2≥设定温度时,太阳能循环泵启动,将太阳能集热器吸收的热量通过换热盘管置换至储水箱中的水,使水箱中的水升温;当储水箱温度T2达到用户设定的用水温度时,太阳能循环泵停止,集热循环完成。 2.预约加热循环:在设定的时间点,测得水箱水温T2低于设定温度时,空气源热泵启动进行加热,热量通过换热盘管置换至储水箱中的水,使水箱中的水升温,达到设定温度时停止。 3.智能加热循环:在设定时间段内检测水箱水温T2,低于设定温度时空气源热泵启动,达到设定温度时停止。 4.储水箱为承压水箱,用水采用顶水的方式运行,水压等同于自来水或用水增压泵的压力。 太阳能作为主要的加热能源,空气源作为辅助。它的大优势在于不仅克服了单纯太阳能加热受天气辐照的影响,而且真正意义上实现了全天候供热水,低碳环保。 双能源热水器不仅是一套产品,它更是一整套热水方案。作为一个系统,太阳能和空气能优势互补,大程度上实现了绿色环保,经济节能。 2系统选型依据 2.1太阳能集热器部分选型依据 目前市场上常见的太阳能集热器有两种,分别是全玻璃真空管太阳能集热器(非U型管)和平板太阳能集热器。从适用范围上,真空管太阳能集热器常用于非承压开式系统,平板太阳能集热器则多用于承压闭式系统。从换热方式上讲,真空管太阳能集热器直接加热水而平板太阳能集热器需要通过换热器(盘管或者板式换热器)将热量间接置换给水,所以针对不同的系统,在集热面积确定上也有不同的计算方法,以下是常用的太阳能集热面积的计算公式: 太阳能集热器过少会导致系统集热面积不足,用水温度不能满足用户的需求,而太阳能集热器数量过多,一方面对安装场地有更高的要求,需要有更多的空间进行布置,另一方面也会导致系统过热,在系统长期停滞的状态下产生过热隐患。因此,合理的太阳能集热器配比不仅能节省设备的初期投资,还可以保证系统安全高效的运行。根据表3-1可计算出加热300L水所需能源的有效热值: 表2各种热水器的运行费用对比

类别

双能源
热水器

太阳能
热水器

燃气
热水器

电热水器

使用
能源

电能

光能、
电能

天燃气

电能

能源消耗/kW•h

3.92

16.52

1.41

16.52

单位能源费用/

0.6kW•h

0.6kW•h

2.2元/m³

0.6元/kW•h

年运行费用/元

300.8

1395.32

1131.5

3354.35
1.电热水器全年的运行费用: 9.19元/d×365d=3354.35元 2.燃气热水器全年的运行费用: 3.1元/d×365d=1131.5元 3.太阳能热水器的全年运行费用: 太阳能热水器的耗电量可依据不同省份的年阴雨天总数进行计算,以青岛为例,青岛的年平均阴雨天总数约为128d,即全部需要电加热辅助的天数。 太阳能热水系统集热系统设计循环泵总功率≤500W,白天工作时工作6h,其他时间基本循环泵不工作,循环泵靠温差工作,当温差超过8kW•h时工作,一般平均每小时工作2次,每次工作10分钟,能源费用0.6元/kW•h,所以日工作费用为(2×10×6÷60)×0.5×0.6=0.6元,合计年费用为219.00元。 所以,太阳能热水器的全年运行总费用为: 9.19元/天×128天+219元=1395.32元 4.双能源热水器的全年运行费用: 以青岛地区为例,平均年阴雨天数为128d,即全部需要热泵提供加热辅助的天数。故热泵太阳能热水器的全年运行费用: 2.35元/天×128天=300.8元 其余晴好天气全部由太阳能进行加热。 通过以上对比,不难发现,双能源热水器大大降低了产品的运行费用,在晴好天气时太阳能作为主要能源为系统提供热量,不需要任何常规能源的辅助,在阴雨天时启动热泵机组进行辅助加热,同样做到了节能。 4环保效益分析 各种发电方式中,只有火力发电厂是燃烧化石能源的,才会产生二氧化碳,而我国是以火力发电为主的国家(据统计,2006年全国发电总量火电占83.2%),而火力发电厂使用的燃料基本上都是煤炭,全国煤炭消费总量的49%用于发电。以燃烧煤炭的火力发电为参考,讨论节电的减排效益。 根据专家统计,每节约1kW•h电,就相应节约了0.4kg标准煤,同时减少污染排放0.997kg二氧化碳、0.03Kg二氧化硫、0.015Kg氮氧化物、0.272Kg碳粉尘。因为排放系数与火电厂的发电煤耗息息相关,发电煤耗降低、排放系数自然也有所降低。近些年通过节能减排措施的执行,煤耗也大幅下降。目前发电煤耗平均值为0.35kg标准煤左右。重新换算: 每节约1kW•h电,就相应节约了0.35kg标准煤,同时减少污染排放0.872kg二氧化碳(CO2)、0.0263Kg二氧化硫(SO2)、0.0131kg氮氧化物(NOX)、0.238kg碳粉尘。 由此可根据不同热水器的耗电量推算出相应的污染物排放量。以300L容量的热水器为例,结合表2,各类热水器全年的排放物排量如表3所示: 表3各类型热水器年排量统计

热水器类型

全年CO2排量/kg

全年SO2排量/kg

全年NOX排量/kg

全年碳粉尘排量/kg

电热水器

5257.99

158.58

78.99

1435.09

燃气热水器

448.77

13.54

6.74

122.49

太阳能热水器

1843.9

55.61

27.7

503.27

双能源热水器

437.53

13.2

6.57

119.42
由表3可以看出,双能源热水器的年排放量指标低。 5总结 双能源热水器的出现顺应了热水器时代的发展潮流,逐步脱离了电、燃气等常规能源的束缚,大大降低了二氧化碳、粉尘等污染物的排放。 能源消耗的减少意味着能为用户带来更多的经济效益,作为节能环保的新型热水器产品,必将成为更多用户的首选。 参考文献 《06SS127热泵热水系统选用与安装》;《06SS128太阳能集中热水系统选用与安装》; 《GB50015-2009建筑给水排水设计规范》;《GBT23137-2008家用和类似用途热泵热水器》

 
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