太陽能輔助空氣源熱泵集中供熱水系統在大型企業職工浴室中的應用

上海城市交通設計院有限公司 上海 200025

太陽能是一種清潔、高效的能源，目前在我國已廣泛使用。太陽能熱水系統作為一種成熟的工藝普遍適用于新建、改建的各類建筑。但由于太陽能熱水系統受不同季節日照變化的影響，一般需要配置輔助加熱設備。其中以空氣源熱泵機組作為一種同樣環保、節能的設備與太陽能系統聯用，能夠較好地彌補太陽能光照的不足，更好地體現項目的經濟性，尤其適用于對一些建筑條件受限的項目進行改造設計，既能保證熱水的供應又能降低企業能耗。

1 太陽能熱水系統的優缺點

太陽能熱水系統是利用太陽能集熱器，收集太陽輻射能把水加熱的一種裝置，其技術成熟，在夏季日照充足的情況下運行穩定且成本極低。但由于太陽能集熱器“靠天吃飯”，必須露天放置，遇風吹、雨淋、陰天、雨雪，晚上等惡劣條件，陽光輻射強度較小或沒有，相對而言穩定性較差。其次是集熱器面積較大，受建筑屋面條件限制，尤其是改造項目的屋面常常只能設置一定數量的集熱器，還需配合其他輔助加熱設備。再者，太陽能集熱器目前采用較多的是玻璃真空管集熱器，熱效率雖高但容易損壞，維護費用較大。

2 空氣源熱泵熱水機組的優缺點

空氣源熱泵能把空氣中的低溫熱能吸收進來，經過壓縮機壓縮后轉化為高溫熱能，加熱水溫，具有高效節能的特點。據統計，制造相同的熱水量，空氣源熱泵消耗能源的成本僅為電熱水器的1/4，燃氣熱水器的1/3，比電輔助太陽能熱水器利用能效還高。此外，空氣源熱泵熱水系統還具有不受日夜變化影響、運行成本低、設備占地面積小、維護費用低等優點。而它的主要缺點是制熱速度慢、熱效率不是很高，容易結霜等問題。

可以看出，太陽能和空氣源熱泵熱水系統在運行條件、制熱效率、維護成本等方面能夠取長補短，采用空氣源熱泵機組輔助太陽能熱水系統能夠較為理想的提供熱水，滿足需求并且最大程度地減少企業能耗。

3 工程實例

某企業生產車間職工洗浴用熱水，設計參數為：使用人數300 人，熱水用水定額60 L/（人·d），定時供應熱水每天2 h，設計熱水日用水量Q為18 m3，最大時用水量10 m3/h，冷水計算溫度tl=5 °C，熱水計算溫度tr=60 °C，采用循環式空氣源熱泵熱水機組與太陽能聯合使用的熱水系統。

3.1 太陽能系統集熱器的設計

上海地處北緯31°10′，集熱器采光面年平均日太陽輻照量Jt為12 220 kJ/（m2·d），太陽能保證率f取0.55，集熱器采用真空管式集熱效率ηj取0.6，儲水箱和管路的熱損失率ηl取0.18（ηj、ηl取值均為廠家提供）。按照設計公式：計算得集熱面積Ajz為380 m2。以所選用的集熱器產品組成長方形矩陣，在屋面串聯連接，熱水儲存在熱水箱中。

該系統采用強制循環方式，循環泵流量qx=qgz·Aj，其中qgz為單位采光面積集熱器所對應的工質流量，Aj為集熱器總面積。本工程qgz由廠家提供，為0.02 L/（s·m2），qx=7.6 L/s。循環泵的揚程根據集熱系統循環管道的沿程與局部阻力損失hjx、循環流量流經集熱器的阻力損失hj、集熱器頂與貯熱水箱最低水位之間的幾何高差hz以及附加壓力hf幾項之和確定。本工程的太陽能集熱器與貯熱水箱分開放置，集熱器置于浴室旁的5 層辦公樓屋面，熱水箱置于浴室屋面，兩者高差近20 m。所選循環泵參數為：最大流量30 t/h、揚程28 m、管徑DN 50 mm。

本系統為定時供應熱水，貯熱水箱總容積應按照定時供應熱水總用水量來確定，即熱水箱總有效容積不小于18 m3。為此，本工程設置總容積15 m3的集熱水箱和總容積15 m3的恒溫水箱各一個。

3.2 空氣源熱泵系統設計

式中：Qg——熱泵設計小時供熱量（kJ/h）；

k1——安全系數，取1.05；

qr——熱水用水定額（本工程為60 L/人·d）；

m——用水計算單位數（使用人數300 人）；

tr——熱水溫度，60 °C；

tl——冷水溫度，取5 °C；

T1——熱泵機組設計工作時間（本工程取10 h/d）。

計算結果為Qg=121 kJ/h，選取TFS-SKR760（S）熱泵機組4臺，單臺制熱量31 kW，額定功率6.88 kW?？紤]在最極端溫度情況下（每年冬天1～2 個月的時間），空氣源熱泵機組制熱量為春秋季節標準工況的50%，因此每臺機組制熱量為15.5 kW，總制熱量62 kW，根據上式機組每天需工作19.5 h才能將冷水加熱至60 °C，可以滿足使用需求，無需設置電輔助加熱。

式中：qr——熱泵機組設計循環流量（m3/h）；

Qg——熱泵機組設計小時供熱量（kW）；

Δtj——熱泵機組進出口溫差（°C），取5 °C；

kr——安全系數，取1.1。

計算結果為qr=22.9 m3/h=6.4 L/s，循環泵揚程為熱泵機組循環管路的局部阻力和沿程阻力之和，取20 m。

4 系統控制原理及工況分析[1-8]

空氣源熱泵作為太陽能系統的輔助熱源，整套熱水系統優先利用太陽能，在春夏秋三季，當太陽能系統受天氣影響而無法滿足用戶需求時，啟動輔助熱源進行補充加熱；在冬季，太陽能熱水系統效率較低，無法滿足用戶的需求，此時太陽能系統充當預熱系統，提升冷水的初始溫度，再通過空氣源熱泵機組制備熱水，以供用戶端使用。整套熱水系統充分利用太陽能，最大限度地降低了運行費用。

4.1 定溫上水

當太陽能集熱水貯箱出口水溫T2達到設定值60 °C時，定溫上水電磁閥F1打開，系統自動將加入冷水進集熱水貯箱，當集熱器出口水溫T1降至55 °C時F1關閉，依次周而復始，不斷進行補水確保集熱水貯箱溫度恒定在需求范圍內。

4.2 溫差循環

當集熱器不斷產生熱水使集熱水貯箱達到最高水位h3后，定溫上水電磁閥F1不再開啟，系統自動比較集熱器出口水溫T1與熱水貯箱出口水溫T2，當T1－T2＞8 °C時，集熱循環泵P1自動開啟溫差循環，當T1－T2＜2 °C時，集熱循環泵P1停止。

4.3 快速補水

如果恒溫用水量較大，從集熱水貯箱進行補水，集熱水貯箱內的水位快速下降至最低警戒水位h1時，補水電磁閥F1打開，系統快速補水，避免系統斷水，當水箱上升至最小水位h2時，系統再次進入初始定溫補水過程。

4.4 自動輔助加熱

當恒溫水箱內T2高于用戶用水設定值時，輔助熱源不工作；當恒溫水箱水溫較低，T2低于50 °C時，空氣源熱泵自動啟動進行加熱，當T2升至60 °C時，空氣源熱泵機主關閉，系統停止加熱，以保證用戶供水溫度相對穩定。

4.5 定時定溫管道循環

用戶供熱管路設置供水增壓泵，并利用時間控制增壓泵啟停。一般可根據企業規定的開放時間提前3 min，增壓泵開始啟動并使管道內冷水回流至水箱中，直至用水時間結束時停止。這樣既可以起到增壓作用而且確保了即開即熱，還可根據管道溫度探頭T4采用溫控循環加熱，當T4低于55 °C時，啟動管道增壓泵，直至T4達到58 °C時關閉管道增壓泵。

4.6 防凍循環

當系統進入冬季夜間，為了防止太陽能集熱器結冰，影響次日白天的正常集熱循環，因此需要進行防凍循環，為了避免將恒溫水箱內的溫度循環降低，該方案設計與集熱水箱進行循環。系統循環泵冬季每啟動2 min，停止工作60 min。

5 系統經濟性分析

太陽能輔助空氣源熱泵系統在夏季以及春秋晴好天氣完全可以依靠太陽能系統提供全部熱水，系統運行費用極低。而在春秋季陰雨天及冬季（約占全年天數的1/3）則主要依靠空氣源熱泵系統，主要耗電量為空氣源熱泵耗電量。現以燃氣鍋爐、太陽能輔助電加熱、和太陽能輔助空氣源熱泵系統進行經濟分析對比，其效果見表1。

表1 不同熱水系統經濟分析

6 施工安裝設計要點

（a）太陽能集熱器的支架采用熱鍍鋅角鋼現場拼裝，外做防腐處理。管道支架采用國標熱鍍鋅角鋼加噴塑，螺栓采用不銹鋼材質。

（b）考慮到高溫水具有較大的腐蝕性，集熱器之間的連接均采用硅膠管，循環主管道一般也應采用耐腐蝕管材。本工程采用內襯塑鋼管，既耐腐蝕又有較好的承壓性，可有效減少系統滲漏水且較為經濟。

（c）整個太陽能集熱器循環管路要考慮系統排氣。自動排氣閥的位置一般設置在循環進水管、循環回水管與集熱器之間。

（d）屋面設備需考慮防雷設計。本工程采用等電位法，將熱水設備防雷系統與所安裝大樓的屋面防雷系統相連接。

（e）整個系統的保溫分為管路系統和熱水箱兩部分考慮。管路系統外保溫采用黑色橡塑管殼，熱水箱外保溫采用巖棉制品，厚度均按照國家有關規范執行。

（f）由于是改造工程，本工程屋面設備的擺放位置還需參考該棟建筑原結構梁布置，盡可能使主要荷載落在主、次梁上或承重墻上，以避免荷載集中于無支撐屋面板上。

7 結語

本工程空氣源熱泵系統負荷按照冬季最不利情況計算，為了運行能更靈活，機組數量按4 臺布置，沒有把電加熱作為輔助熱源，這主要還是從節能的角度考慮。但作為整套系統維護、保養的備用，筆者建議仍可以適當考慮采用電輔助熱水箱，以確保熱用水不中斷。

從實踐效果來看，與燃氣鍋爐和用電為主的加熱方式相比較，太陽能輔助空氣源熱泵系統的年燃料費用大大的節約了，不僅能很快收回投資成本，從長遠的角度看，也為企業帶來不小的經濟效益。更重要的是從節能環保角度出發，其社會意義重大。

（a）在當前國家著力推行節能減排發展戰略的契機下，太陽能和空氣能作為一種取之不盡、用之不竭的自然資源應該善加利用，是一種逐步取代高能耗、減少環境污染的產能方式。

（b）太陽能和空氣源熱泵的制熱原理不同，適用條件也不同，雖各有優缺點，但可以做到取長補短，只要系統設計合理，基本能滿足全年運行需求。

（c）太陽能輔助空氣源熱泵系統的自動化程度較高、穩定性好、使用安全可靠。但由于一次性投資仍較高，在一定程度上可能阻礙某些中小企業的節能改造，這需要決策部門從經濟上予以支持，助力推廣。