以下为《太阳能热发电系统课程设计(1)》的无排版文字预览，完整格式请下载

下载前请仔细阅读文字预览以及下方图片预览。图片预览是什么样的，下载的文档就是什么样的。

物理科学与***

太阳能热发电系统工程

课程设计

题 目 龙口市某住宅区太阳能热水工程系统设计

专 业 新能源科学与工程

班 级 能工1902

学 生 路发达

学 号 ***2096

指导教师 刘某某 赵某某 时某某

二0二二年十一月二十二日摘 要

能源短缺称为当今社会中的热点问题。它直接制约着经济和社会的发展，随着化石能源的不断枯竭和因大量使用化石能源带来的环境污染问题愈发严重，可再生能源的利用就成了当今世界关注的焦点之一。开发和利用可再生能源成为当今能源利用与发展的热门话题，各国相继提出了开发太阳能的各项计划，自“六五”以来，我国政府也一直把研究开发太阳能和可再生能源技术列入国家科技攻关计划，大力推动了我国太阳能和可再生能源技术和产业的发展。

随着人类社会对能源需求的增加及常规能源的不可再生性，世界化石燃料的供应面临严重短缺的危机局面。而空气源热泵技术是基于逆卡诺循环原理建立起来的一种节能、环保制热技术。空气源热泵系统通过自然能（空气蓄热）获取低温热源，经系统高效集热整合后成为高温热源，用来取暖或供应热水，整个系统集热效率非常高。

本设计是在龙口市某住宅区的空置楼顶设计了一套空气源热泵热水系统。根据当地的地理环境，通过查阅气象数据，以居民区内热水用量为依据，结合相关专业信息对系统的热泵热水机组、储热水箱以及控制系统等进行了设计选型。并经过计算，将空气源热泵热水系统和燃油锅炉、燃气锅炉、电蓄热锅炉以及太阳能热水+辅助电加热系统进行对比，对成本进行了估算分析。

关键词：空气源热泵；逆卡诺循环；系统设计；成本分析；设备的选型

目 录

摘要………………………………………………………………..…….….…………….…I

1 设计任务…………….……………………………………………….….……………..1

2 现场信息……….…………………………………………………….….……………..2

2.1 地理信息....………………………………......................………….………….………..2

2.2 气象信息.......………………...................……….......…………….………….………..2

2.3 建筑物概况........……………..............…………………………….…....……..………2

3 系统设计.....................……..……..……..……...………………………….…....……….3

3.1 系统各部分组成及其作用.................…........….....…………….…..….………….3

3.1.1 蒸发器……………………….....………………..............…………………………..3

3.1.2 压缩机………………………........…........…….………………...………………..3

3.1.3 冷凝器………………………........…........…........…….…………………………...3

3.1.4 膨胀阀……………….....……..…............…….……..........…….………………...3

3.1.5 风机………………………............……............……….…………………………...3

3.1.6 制冷剂………………......................……………….…………………………...3

3.1.7 传感器及压力开关……..............……………………….…………………………...3

3.2 公寓负荷计算……….......….............…………………….…………………………...4

3.3 热泵机组设计………..….................……………………….…………………………...5

3.3.1 机组设计参数…….........................…………………….…………………………...5

3.3.2 机组选型………...……………………………………………...…………………...5

3.3.3 选型核算……....…...…………………………………………...…………………...6

3.4 保温水箱设计…..........................……………………….…………………………...8

3.5 控制系统设计…..........................……………………….…………………………...8

4 成本分析……......................................……………………….………………………….10

4.1 运行成本分析基础数据.....................…...........….....…………….…..….…………10

4.2 年运行费用分析........................................…........….....…………….…..….………10

结论......................………….…..……….……………………..….……...…..….………...13

参考文献......................…………….…………………..….…..……………….………….14

附录......................…………………..…….……...…..……...…………………….………15

1 设计任务

随着我国经济的快速发展，人们对生活水平的要求越来越高，对生活热水的使用需求量也随之增大。而传统的热水供应系统在建筑能耗中占比很大。随着资源与环境问题的日益突出，“节能减排”工作已成为我国的工作重点 ,可再生能源的开发和利用得到了前所未有的重视和发展。近年来，空气源热泵技术作为安全、节能、环保、高效的可再生能源利用技术已日趋成熟，空气源热泵热水机组的应用日趋广泛。本设计以龙口市某居民区热水系统工程为例，介绍空气源热泵热水系统的工程应用与设计，并对其运行成本进行对比分析 。

2 现场信息

2.1 地理信息

本系统是空气源热泵热水系统，安装地点在**_*，地理信息如下。

表2.1 系统安装地点地理信息

地点

山东龙口



 经度/°

120.4854



 纬度/°

37.6526



高度/m

47.8





2.2 气象信息

通过国际通用卫星数据库得到以下气象信息，作为系统设计的依据。

表2.2 系统安装地点气象信息

地点

山东济南



水平面上年平均太阳辐照量/（kWh/m2）

4.7853



日平均温度/℃

11.8



年日照时数/小时

24488.9





2.3 建筑物概况

该系统位于居民区楼顶，该居民区共30栋楼房，每栋楼房20户，共计六百户，户均人口3人，共计1800人。

3 系统设计

3.1 系统各部分组成及其作用

3.1.1 蒸发器

低温的冷凝液体通过蒸发器，与外界的空气进行热交换，气化吸热，达到制冷的效果。直接从空气中吸取热量，将节流后的制冷剂吸热气化达到预期效果的设备。空气源机组采用翅片蒸发器，水地源机组采用板式换热器。

3.1.2 压缩机

将低压气体提升为高压气体的一种流体机械，它从吸气管吸入低温低压的制冷剂气体，通过电机运转带动活塞对其进行压缩后，向排气管排出高温高压的制冷剂气体，为制冷循环提供动力。常见种类有旋转式、涡旋式和螺杆式，家用机组一般采用旋转式，商用机组一般采用涡旋式和螺杆式。

3.1.3 冷凝器

冷凝器就是将压缩机排出的高温高压气体释放出热量后冷凝成低温高压液体的换热设备。常见种类：壳管式换热器（常规热水机组），钛管式换热器（泳池机组），套管换热器（风冷模块机组）。

3.1.4 膨胀阀

换热后的高压液态冷媒通过膨胀阀减压，由于压力下降，冷媒回到了比外界环境温度低的低温低压的液态，又具有了再次吸收蒸发的能力，膨胀阀通过蒸发器末端的过热度变化来控制阀门流量，防止出现蒸发器面积利用不足和敲缸现象。

3.1.5 风机

风机主要是起加强气体流通量的作用，是依靠输入的机械能，提高气体压力并排送气体的设备。

3.1.6 制冷剂

制冷剂是热泵系统中的重要组成部分，常见种类有：R22，R410A，R407C，R134a。

3.1.7 传感器及压力开关

温度传感器：用物质各种物理性质随温度变化的规律把温度转换为电量，并将电信号传给控制面板，从而进行对机组的控制。

压力传感器：用物质各种物理性质随压力变化的规律把压力转换为电量，并将电信号传给控制面板，从而进行对机组的控制。

3.2 负荷计算

该居民区全日供应热水，空气源热泵机组安装在楼顶的平屋面。通过查阅相关资料以及结合居民区内住户的日常用水习惯，设计每天热水用水量人均80L，热水小时变化系数为3.5。设计的相关依据如下表3.1所示：

表3.1 热水用水定额及小时变化系数

类别

热水用水定额L/(人?d)

使用人数

小时变化系数Kh



别墅

70~110

"f100~"g6000

4.21~2.47



住宅

60~100

"f100~"g6000

4.80~2.75



宿舍

70~100

"f150~"g1200

4.80~3.20



宾馆

120~160

"f150~"g1200

3.33~2.60



养老院

50~70

"f50~"g1000

3.20~2.74



幼儿园

20~40

"f50~"g1000

4.80~3.20





本设计中，冷水温度10~15℃，机组出水温度55℃，Δt=45℃。相关耗热量计算公式如下：

（3.1）

（3.2）

（3.3）

m——总人数

Kh——小时变化系数

c——热水的比热容，J/(kg·℃)

ρ——热水密度，m/V3

Qr——最高日热水量，m3/d

Qd——最高日耗热量，kW

Qrh——设计小时耗热量，m3/h

经计算，得济南大学5号公寓楼最高日热水量为144m3/d，最高日耗热量为314.028kW，设计小时耗热量为16m3/h。

3.3 热泵机组设计

3.3.1 机组参数计算

当不设辅助热源时，空气源热泵热水机组的运行根据水箱水温的温降随时启动加热，运行时间应根据用水需求、气候条件和系统经济性等因素综合考虑确定。一般情况下机组运行时间在12~20小时之间，本设计中采用热泵热水机组每天运行时间为l7h。热泵机组随着环境温度的降低，制热量也随之降低，热泵机组必须按全年的环境温度最低工况点去选择，才能保证系统一年四季都能提供充足的热水。本设计中冷水进水温度取全年最冷平均冷水温度为10℃，出水温度为55℃计算。安全系数可取1.05~1.10，本设计中取1.05。温度和融霜综合修正系数取0.7，相关计算公式如下：

（3.4）

（3.5）

k ——温度和融霜综合修正系数

k1 ——安全系数

Qg——热泵机组制热量，kW

Qd——最高日耗热量，kW

T1——热泵机组设计工作时间，h

q ——热泵机组名义制热量，kW

经计算，得热泵机组的制热量为387.92kW，热泵机组的名义制热量为554.17kW。

3.3.2 机组选型

综合考虑，选用型号为LSQWRF(60)M/A(RSJ)的直热式热泵热水机组9台,热泵机组如图3.1所示，相关参数如表3.2所示：

表3.2 LSQWRF(60)M/A(RSJ)机组参数

机组型号

LSQWRF(60)M/A(RSJ)



制热量（kW）

64.0



额定功率（kW）

19.6



额定电流（A）

34



热水循环量（m3/h）

10.3



最大功率（kW）

23.6



最大电流（A）

40.8



电源规格

380V、三相、50Hz



制冷剂/充注量（kg）

R22/18.0



进出水管径（mm）

DN125



运行噪音[dB(A)]

"f60



/

图3.1 LSQWRF(60)M/A(RSJ)热泵机组

所选9台LSQWRF(60)M/A(RSJ)机组的名义制热量总共为576kW，大于554.17kW，所以机组的选型满足要求。

3.3.3 选型核算

机组运行时，实际产水量和制热能力都随着环境温度和冷水进水温度的变化而变化。通过查阅产品的相关资料，得到机组制热能力曲线如图3.2所示，机组产水量曲线如图3.3所示。从以下两图中可以看出，机组的制热能力随着冷水进水温度的降低而略有增加，但是变化不明显，随着环境温度的降低而显著降低。机组小时产水量随着冷水进水温度和环境温度的降低而降低，环境温度影响较大。

/

图3.2 机组LSQWRF(60)M/A(RSJ)制热能力曲线

/

图3.3 机组LSQWRF(60)M/A(RSJ)产水量曲线

所以在进行机组运行时间校核和保温水箱容积计算时，应根据实际环境温度确定机组制热能力和产水量。环境温度按冬季最低温度5℃计算，在5℃的环境温度下，机组能力衰减为30%（以**_*为例），则在5℃下机组的工作时间T为：

（3.6）

λ——衰减率

Qd——最高日耗热量，kW

q’——所选机组制热量，kW

由上面计算可知，在极恶劣的环境下，机组工作15.57h即可满足宿舍楼最大用水量的需求，小于20h，选型满足要求。3.4 保温水箱设计

根据热水机组的特点 ,机组产生的高温热水储存在保温水箱，在末端用水过程中，水箱水位下降后，机组又自动开启，向水箱中补充高温热水。学生使用热水的特点：白天基本不用热水，晚上某一时段集中用水，一般高峰用水时间为2~3小时，所以设计小时持续耗散时间取3h，有效贮热容积系数取0.9。相关计算公式如下：

（3.7）

（3.8）

（3.9）

（3.10）

Vr——水箱贮热容积，m3

Qrh——设计小时耗热量，m3/h

Qh——设计小时平均秒耗热量，m3/h

Qg——热泵机组制热量，kW

T ——设计小时持续耗散时间，h

η ——有效贮热容积系数

T2 ——蓄热时间，h

T0 ——贮热时间，h

ρr——热水密度，m/V3

经计算，得水箱贮热容积为27.66m3，蓄热时间为3.59h，贮热时间为1.73h，根据要求，贮热时间应在0.5h~2h之间，设计符合要求。因此，可选用28000L的双层不锈钢聚氨酯发泡保温水箱。

3.5 控制系统设计

向用户供水侧设计有压力传感器，当检查到管网压力低于设定时，压力传感器将信号传给变频控制器，由变频控制模块输出开启信号给供水水泵，供水水泵接变频器输出信号持续工作，保证管网中的压力处于恒压状态，末端即开即用。采用变频供水可以根据用水人数的多少自动调节水泵的转速，从而也能够更好的节省电耗，降低能耗，符合学校的总体节能需求。

回水侧设计有温度传感器，当机器检测到水位满足开机条件，水温也没达到设定温度时，机器启动，循环泵也启动，把水箱的水通过循环水泵抽进主机，水进过主机时，水温提升，然后放回水箱，如此不断的循环加热。

4 成本分析

空气源热泵热水机组运行成本分析主要与燃油锅炉、燃气锅炉、蓄热式电锅炉和太阳能热水系统进行比较。

4.1 运行成本分析基础数据

太阳能热水系统在日照充足条件下运行成本几乎为零，但是太阳能受季节、日照、天气的影响，太阳能热水供应系统应设辅助热源及其加热设施。而且因为太阳能热源的不稳定，太阳能集中热水系的辅助热源的负荷应按无太阳能时设计计算。在一般小型太阳能热水系统中大多以电为辅助能源。济南太阳能日照小时数每年2301h，年日照天数为255天，即全年约有30%的时间为阴雨天气，所以在年运行费用分析中，太阳能热水系统应考虑每年有30%的时间要利用电辅助加热。

蓄热式电锅炉是以电锅炉为热源，利用低谷廉价电力生产热水，储存在蓄热水箱中，在电网高峰时段关闭电锅炉，由储存热水供热，运行成本分析时取低谷电价。

本工程中所选用的空气源热泵热水机组能效比，按国家标准测得名义工况下（环境温度为20℃DB/15℃WB）的COP值为3.27，相关计算公式如公式（4.1）所示。

（4.1）

Q——机组制热量，kW

P——机组额定功率，kW

运行成本分析其他基础数据如下：

济南居民生活用电价格为0.55元/KW?h，低谷电价0.38元/KW?h，烧值860kcal/(KW?h)。轻柴油6元/kg，燃烧值10300kcal/kg。天然气2.8元/m3，燃烧值8000kcal/m3。电锅炉的热效率为0.95，燃油锅炉的热效率为0.85，燃气锅炉的热效率为0.8。

4.2 年运行费用分析

考虑学生假期，每年取280天计算年运行费用，则每年所需总热量为134400万kcal。对于太阳能热水系统辅助电加热每年所需总热量为40320万kcal。燃料年需求量等于年总热量与燃料燃烧值和热效率的比值，再根据燃料单价求出不同热水供应系统的年运行费用。不同热水系统年运行费用如表4.1所示。不同热水供应系统年运行费用柱状图如图4.1所示。

表4.1 不同热水供应系统年运行费用结果

热水供应系统

天然气锅炉

燃油锅炉

电蓄热锅炉

太阳能热水系统+辅助电加热

空气源热泵热水机组



年总热量/万kcal

134400

134400

134400

40320

134400



燃料燃烧值

8000

kcal/m3

10300

kcal/kg

860

kcal/(KW?h)

860

kcal/(KW 内容过长，仅展示头部和尾部部分文字预览，全文请查看图片预览。 2]陈少杰. 空气源热泵采暖技术在寒冷地区的应用研究[D]. 山东建筑大学,2017.

[3]何林,曾奕,肖彪,张世航,贺春辉. 空气源热泵在北方煤改电工程中的节能运行试验研究[J]. 制冷技术,2017,37(03):24-28.

[4]金洪文,孙妍,马U?吴宏伟,蒋娜. 超低温空气源热泵在严寒地区供暖应用研究[J]. *_**自然科学版),2017(06):728-731+743.

[5]马荣江,毛春柳,单明,杨旭东. 低环境温度空气源热泵热风机在北京农村地区的采暖应用研究[J]. 区域供热,2018(01):24-31.

[6]王宇,由世俊,孙颖楷,李志强. 夏热冬暖地区空气源热泵与太阳能复合热水系统试验研究[J]. 流体机械,2017,45(12):58-62.

[7]王天宁. 空气源热泵热水机组应用常见问题及对策探讨[J]. 江西建材,2018(03):212-215.

[8]韩星,马克华,董怡平,张蓓红. 采用空气源热泵的办公建筑空调系统运行检测和节能分析[J]. 暖通空调,2010,40(06):157-164.

附 录

系统设计图：

/

[文章尾部最后500字内容到此结束,中间部分内容请查看底下的图片预览]

以上为《太阳能热发电系统课程设计(1)》的无排版文字预览，完整格式请下载

下载前请仔细阅读上面文字预览以及下方图片预览。图片预览是什么样的，下载的文档就是什么样的。