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太阳能+空气能,双能合璧的系统设计和控制方法


  

空气能和太阳能产品吸引客户的共同卖点都是节能、环保,在特定的产品价值方面二者处于竞争和相互代替的关系,同时在安装、渠道开发、市场推广等方面,都有着很大的交叉和共性。如果太阳能热水器与空气能热水器能够实现有效融合,真正双剑合璧,将会比单打独斗更有力量。

尤其是很多省市,因为太阳能属于可再生能源,而空气能热泵暂时未能纳入可再生能源范畴,政府更有积极性去推动太阳能的应用,相应的就有财政补贴和优惠。很多甲方、开放商,为了能够拿到这个补贴,也倾向于采用“太阳能+空气能”的双能工程。那么,两者的配比比例、管道连接、水箱配置、系统控制等问题成了重点。

双能合璧的系统构成 

空气能和太阳能双能源组合系统它主要由太阳能集热器、空气能主机、供热水箱、水泵、电磁阀等组成。在晴天,由太阳能真空管集热器吸收太阳辐射能直接加热水箱内的冷水,当自动控制装置探测到水箱内的温度达不到设定值时,热泵开始工作,从而达到能源互补,节能效果显著。

    空气能取代电辅热与太阳能结合,所结合的部分依然是水路,实现了水电分离。对于阴雨天多的地区,用空气能要比用电辅热节能,对于日照充足的地区,而相对用水量大的客户,空气能的辅助制热,缩短了提供热水的时间,满足客户快速需要热水的条件。

    太阳能和空气能的配比需要根据场地、当地气候特点和用户用水量来确定,比如在阳光充足、光照时间长的云南或西藏地区,太阳能配比则可以偏大一些,而在江南或一些山区,则可以相对提高空气能的配比。笔者有个朋友在湖南永州,一个4吨水项目,他采用6台36只管的太阳能,空气能主机为6P,配置一个4吨的水箱。

系统连接和控制
1. 单水箱系统 

太阳能与空气能结合的单水箱系统又分为两种,一种是目前很多厂家都在生产所谓的家用太空能产品,供热水箱就是太阳能水箱。

家用太空能热水器单水箱系统的连接方式有四种,一是将空气能的上循环(热水)出水口与太阳能的冷水补水口接在一起,并在结合点后面安装一个单向阀,保证热水只流向太阳能水箱,下循环口(冷水)与溢流口连接。

二是将空气能的上循环口(热水)与用户的热水出口相接,下循环口(冷水)与太阳能的溢流口相接,这种连接方法,当用户没有用水时,空气能对太阳能水箱加热,当用户用水时,空气能的热水随太阳能水箱的热水一起供给用户。

三是将空气能的上循环口(热水)通过一个三通与太阳能的预留口连接,下循环口(冷水)与溢流口连接。如果将以上的连接方式反过来连接,有可能导致水泵空载运行,(当用水量很大时,补水很慢导致预留口处没有水)。

四是将空气能的上循环出水口(热水)与太阳能的溢流口接在一起,下循环口与冷水补水口连在一起,并在结合点后面安装一个单向阀,防止停水,导致太阳能水箱的水不经过空气能主机而直接从冷水补水管回流。

空气能电源线连接在太阳能仪表电加热的接线端,空气能仪表不需改变,系统控制的原则,通过太阳能水位温度传感器给一个信号,该信号主要是供给太阳能仪表上电加热(本系统中已经变为空气能主机电源)是否启动即通电工作。

  工作条件的设置,需要通过太阳能仪表设置启动电加热(本系统中已经变为空气能主机电源)的温度值,建议设置60℃,再设置一个时间点,比如下午三点,满足以上条件空气能主机通电,再通过空气能主机检测决定机组是否启动 

主机与水箱之间的连接通过在太阳能进水口加一个三通,连接到空气能主机进水口,在太阳能和主机进水前安装电磁阀进行补水,注意加装止回阀防止停水后水箱里面的水倒流,空气能水箱温度探头放置方法是取出太阳能电加热,拧开外丝顶端的外壳,在里面找到放置探头的那个管口,然后取出里面探头将空气能主机探头放进去即可(此系统电辅热不再使用),太阳能仪表水位传感器按正常位置放置。

  另外一种单水箱系统则大多为商用热水工程,单独使用一个供热水箱,有太阳能和空气能两种热源来加热。

当集热器上循环末端出水口温度和太阳能水箱的温度的温差到达设定值时(如5℃),太阳能循环泵启动,通过循环加热太阳能水箱内的水,当温差低于设定温度时(如2℃),太阳能循环泵停止,集热系统停止循环。通过定时补水控制,在设定的时间段(可设定每天用水结束后)检测水箱的水位,当水箱中的水位未满时,开启补水电磁阀,补水至水箱水满时关闭补冷水电磁阀。

空气源热泵机组作为辅助加热,加热的时间段可以根据实际情况来设定,比如在每天上午检测水箱的水温,如果水温低于设定温度20℃时,控制系统开启空气源热泵机组,对水箱进行加热,加热至设定温度时停止;下午检测水箱的水温T3,如果水温低于设定温度35℃时,控制系统开启空气源热泵机组,对水箱中的水进行加热,加热至设定温度时停止等。

供、回水控制方法是在供热水管上安装加压回水泵和供水电动蝶阀,受管网压力、温度、供水时间段控制,当管网有用水并达到供热水时间时,启动加压泵供应热水。在管网末端设定温度回水电磁阀,管网末端温度低于40℃时电磁阀开启,高于45℃时回水电磁阀关闭。

一般而言,商用单水箱系统较为简单,对降低工程造价有一定的帮助。但是集热器和辅助能源对同一水箱中的水加热,系统整体控制复杂程度增加,集热器和辅助能源的工作的时间上存在着交叉,降低对集热器利用率。

例如当供热水箱水中的温度达到45℃时,而集热系统是靠温差来循环的,只有温差达到一定的范围才能将集热器中的热水带到水箱中,假设集热器中的热水已达到42℃,但温差没达到要求,那42℃的热水就不能进入到供热水箱中,如果刚好此时供热水箱在这一时段水位没达到一定的水位,补水电磁阀又开启补充冷水到供热水箱中,辅助能源这时启动消耗电能将水加热,这样就造成了能源的浪费。 

2、 带过渡泵的双水箱系统

带过渡泵的双水箱系统相比单水箱系统,解决了集热器和辅助能源工作上的交叉,有利于发挥各自的功能,辅助能源的控制也变得很简单,只受供热水箱水温控制。

再者,系统在供水方式的形式上可根据学校的具体要求选择定时供水或是全天候供水,主要归功于供热水箱中的水温波动较小。

实际运行过程中,有时由于供热水箱中的的水位探头位置没有调节好,造成过渡泵不启动,过渡水箱中的热水无法被输送到供热水水箱中,造成太阳能资源的浪费。

当过渡水箱满水位时,为温差强制循环模式,集热器上循环末端出水口温度和过渡水箱底部温度的温差大于5℃(可调)时,太阳能循环泵启动,通过循环加热过渡水箱内的水,温差小于2℃(可调)时,太阳能循环泵停止。

当过渡水箱未达到满水位时,为定温放水模式,集热器上循环末端出水温度大于55℃时(可调),定温补水泵启动,将集热器中的高温水顶入到过渡水箱中,温度小于45℃或过渡水箱满水位时,定温补水泵停止。当系统检测到过渡水箱水温大于50℃(可调)且供热水水箱水位未满水时,过渡泵启动,将过渡水箱中的热水抽到供热水水箱中,当供热水水箱满水位或过渡水箱处于下限水位时,过渡泵停止。

空气源热泵机组通过电磁阀控制,可以在不同的时间段进行辅助加热,例如在每天上午检测供热水箱的水位,如果水位低于设定30%时,打开补水电磁阀进行补水,直至水位达到30%为止,热泵机组启动,对供热水箱加热,加热至设定温度时停止;在每天中午检测供热水箱的水位,如果水位低于设定50%时,打开补水电磁阀补水,直至水位达到50%为止,热泵机组启动,对供热水箱加热,加热至设定温度时停止;

在每天下午检测供热水箱的水位,如果水位低于设定75%时,打开补水电磁阀进行补水,直至水位达到75%为止,热泵机组启动,对供热水箱加热,加热至设定温度时停止;

在每天下午检测供热水箱的水位,如果水位低于设定100%时,打开补水电磁阀进行补水,直至水位达到100%为止,热泵机组启动,对供热水箱加热,加热至设定温度时停止。

系统控控制上,在供热水管上安装加压回水泵和供水电动蝶阀,受管网压力、温度、供水时间段控制,当管网有用水并达到供热水时间时,启动加压泵供应热水。

在管网末端设定温度回水电磁阀,管网末端温度低于40℃时电磁阀开启,高于45℃时回水电磁阀关闭。

定温补水泵的选型也应注意其扬程及流量,应避免其频繁地启动,尽量让其每一次运行的时间稍长点,形成冷水顶入集热器时,在流动的过程就可以缓缓升温被加热为热水,所以定温补水泵的流量可以适当的选小点。

3、无过渡泵双水箱系统

无过渡泵的双水箱系统是总结了前面两个系统的经验而设计出来的,以双水箱之间高位连通管来代替过渡泵,从而降低了系统控制的复杂性。设计时必须合理的分配双水箱容积的比例,以及确定高位连通管的开孔位置,高位连通管的管径也尽量选大点,增加其过流能力,大致是比补冷水管管径大上两个规格。

当集热器上循环末端出水口温度和过渡水箱底部温度的温差大于5℃(可调)时,太阳能循环泵启动,通过循环加热过渡水箱内的水,当温差小于或等于2℃(可调)时,太阳能循环泵停止。当过渡水箱平均水温大于55℃时(可调),补水电磁阀开启,将过渡水箱中的热水顶入到供热水水箱中,直至小于40℃时(可调)或供热水水箱满水位时,补水电磁阀关闭。

空气源热泵机组通过电磁阀控制,控制原理的方式与带过渡泵的双水箱系统一样。系统控制上,在供热水管上安装加压回水泵和供水电动蝶阀,受管网压力、温度、供水时间段控制,当管网有用水并达到供热水时间时,启动加压泵供应热水。在管网末端设定温度回水电磁阀,管网末端温度低于40℃时电磁阀开启,高于45℃时回水电磁阀关闭.

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