太陽能和空氣源熱泵聯合供熱系統合用儲熱水箱容積的探討

【摘要】通過攀西地區的工程實例，對太陽能加熱系統和空氣源熱泵聯合制熱系統合用儲熱水箱有效容積的設置進行了探討，并得出結論。

【關鍵詞】太陽能空氣源熱泵儲熱水箱

1.1太陽能和空氣源熱泵聯合制熱系統

為響應國家節能減排，發展清潔能源的號召，減少霧霾的產生，當在太陽能資源比較豐富的地方應設置太陽能熱水系統。攀西（攀枝花和西昌）地區貼近云南，日照充足，晴天居多，屬于冬暖夏熱的區域，非常適合太陽能和空氣源熱泵的設置。

《建筑給水排水規范》GB50015-2003(以下簡稱建水規范) [3]對于太陽能加熱系統和空氣源熱泵熱水供應系統儲熱水箱有效容積都有特定公式可查。但對于某些中小型建筑，為節省投資，太陽能和空氣源熱泵通常合用一個儲熱水箱。建水規范對于這種合用水箱的容積沒有一個特定標準。下面以一個工程實例對此進行分析。

2.1工程實例

某賓館位于西昌市，設計床位m=350人，時變化系數內插法計算得Kh=3.2，熱水定額取qr=140L/人#8226;日。用水時間T=24小時，采用太陽能和空氣源熱泵系統聯合供熱。

賓館設計熱水日用水量： =49m3/d

賓館設計熱水最大小時用水量 =6.53m3/h

2.1.1通過太陽能系統計算儲熱水箱：

公式1

式中：Ajz——直接加熱集熱器總面積(m2)；

qrd——設計日用熱水量（L/d），以140L/人#8226;日計

C——水的比熱容，C=4.187（kJ/kg. ℃）；

ρr——熱水的密度，取ρr=0.9832kg/L；

tr——熱水溫度（℃），tr=60℃；

t1——冷水溫度（℃），四川地區t1=7℃；

Jt——集熱器采光面上年平均日太陽輻照量(kJ/m2.d)，

參照昆明地區Jt=15551kJ/m2.d；

f——太陽能保證率，取f =50%；

ηj——集熱器年平均集熱效率，取ηj =50% ；

η1——貯水箱和管路的熱損失率，取η1 =20%；

代入數據可得，Ajz為859.3m2，

太陽能水箱集熱系統儲熱水箱有效容積

公式2

式中Vr——儲熱水箱容積（L）

qrjd——單位采光面積平均日的產熱水量（L/m2.d），直接供水系統qrjd=40～100 L/m2.d，根據我國太陽能資源分區及分區特征，攀西地區屬于太陽能條件資源一般地區，取60 L/m2.d。

代入數據可得Vr全=51.56m2.跟本工程最高日用水量比較可知，在屋頂面積足夠大的時候，太陽能熱水器儲熱水箱容積可以滿足最高日用水量，但此時屋面荷載也會相應增加。然后根據太陽能板的布置間距要求，結合賓館屋面實際狀況，在屋面進行布置太陽能集熱板，最終共布置了200塊平板型太陽能集熱板。每塊太陽能板的采光面積為1.83m2，故Ajz=200*1.83=366m2，代入公式2，可得儲熱水箱容積為 =21.96m3。

2.1.2通過空氣源熱泵計算儲熱水箱容積:

1.全日制設計小時耗熱量

公式3，

式中Qh——設計小時耗熱量（KJ/h）

Kh——小時變化系統，根據用水定額和使用人數多少取值

m——用水計算單位數(人數或床位數)

qr——設計日用熱水量（L/d），以140L/人#8226;日計

C——水的比熱容，C=4.187（kJ/kg. ℃）；

ρr——熱水的密度，取ρr=0.9832kg/L；

tr——熱水溫度（℃），tr=60℃；

t1——冷水溫度（℃），四川地區t1=7℃；

T——每日使用時間(h)

2.空氣源熱泵設計小時供熱量

公式4，

式中Qg——設計小時供熱量（KJ/h）

K1——安全系數，取 1.05～1.10

m——用水計算單位數(人數或床位數)

qr——設計日用熱水量（L/d），以140L/人#8226;日計

C——水的比熱容，C=4.187（kJ/kg. ℃）；

ρr——熱水的密度，取ρr=0.9832kg/L；

tr——熱水溫度（℃），tr=60℃；

t1——冷水溫度（℃），四川地區t1=7℃；

T1——熱泵機組設計工作時間，12h～16h

3.空氣源熱泵儲熱水箱計算公式

其中：其中Qh——設計小時耗熱量（KJ/h）

Qg——設計小時供熱量（KJ/h）

Vr——儲熱水箱總容積（L）

K2——安全系數，取值1.10.

m——用水計算單位數(人數或床位數)

qr——設計日用熱水量（L/d），以140L/人#8226;日計

C——水的比熱容，C=4.187（kJ/kg. ℃）；

ρr——熱水的密度，取ρr=0.9832kg/L；

tr——熱水溫度（℃），tr=60℃；

t1——冷水溫度（℃），四川地區t1=7℃；

Th——設計小時耗熱量持續時間（h），Th=2h~4h

——有效儲熱容積系數，儲熱水箱，臥式儲熱水罐取0.80～0.85，立式儲熱水罐取0.85～0.90

將公式3和公式4代入公式5， 可得

公式6，

其中Kh——小時變化系數，根據用水定額和使用人數多少取值，用內插法可得Kh=3.2，

K2——安全系數，1.10～1.20，取1.20，

T——每日使用時間，取24h

K1——安全系統，1.05～1.10，取1.05

T1——熱泵機組設計工作時間，12h～16h，取12h

Th——設計小時耗熱量持續時間，取4h

——有效儲熱容積系數，取0.85

代入數據可得Vr熱泵=12.65m3

從公式6可以看出，空氣源熱泵儲熱水箱即是熱水最大時用水量與熱泵機組最大時供水量差值，再乘以設計小時耗熱量持續時間(2~4h).如果想要減小熱泵機組裝機容量，在總用水量不變的情況下，要么增加機組工作時間T1，要么增大儲熱水箱容積，即增加儲熱時間。

就本工程而言，熱泵計算的儲熱水箱容積Vr熱泵=12.65m3小于通過太陽能計算的儲熱水箱容積Vr熱泵=21.96m3，屋頂熱水箱有效容積≥21.96m3即可。將此結果代入公式5，可以返推出一個減小的熱泵設計小時供熱量，從而減小機組選型。若由熱泵計算的水箱值大于通過太陽能計算的水箱值， 相當于在太陽能系統不能正常使用時，將由熱泵機組完全供熱，則屋面熱水箱有效容積應按熱泵系統的日產熱水量來取。

在某些太陽能和熱泵聯合供熱的實際工程中，設計者為了減少熱泵的初次投資，直接將熱水最高日用水量作為屋頂熱水箱的有效容積。筆者認為是不可取的.這樣一方面增加了機組的運行時間，達不到節能的目的，另一方面太陽能和熱泵加熱功率不夠，致使儲熱水箱的溫度滿足不到日常熱水水溫需求。

3.結語

攀西地區通常選用太陽能作為熱水系統的第一熱源。在熱水系統的設計中常遇到屋面面積不夠，單獨的太陽能集熱系統不能滿足熱水用量。對于中小型建筑太陽能加熱系統和空氣源熱泵聯合制熱系統，在合用儲熱水箱的設計應通過計算比較后確定，以在初次投資和以后的運行支出找到平衡點。

【參考文獻】

1王曉紅. 太陽能_空氣源熱泵熱水系統在浙大紫金港餐飲中心的應用.給水排水[J].2013，39（7）：65-68

2歐云峰. 太陽能和空氣源熱泵組合熱水系統應用與分析.給水排水[J].2009，35（9）：82-84

3 《建筑給水排水規范》(2009版) GB50015-2003.[J].2010