淺析太陽能—空氣源熱泵并聯熱水系統的設計

甘云

（廣東省建筑設計研究院有限公司，廣東廣州 510010）

0 引言

太陽能熱水系統分為直接加熱系統與間接加熱系統，項目采用直接加熱系統，系統由儲熱水箱、循環設備及控制設備組成，利用太陽能集熱器，在陽光的照射下使光能轉化為熱能，進而將熱能轉移到水中。空氣源熱泵為一種利用空氣作為低溫熱源來制取生活熱水的設備，系統由空氣源熱泵、循環系統和蓄水箱組成，空氣源熱泵熱水器通過消耗部分電能，把空氣中的熱量轉移到水中[3]。三亞地處我國南部，太陽能和空氣能都十分充足，通過兩個系統并聯設置，充分利用低成本清潔熱源，實現經濟、節能、環保的要求。

1 項目概況

該項目位于海南省海口市，地上12 層，地下1 層，建筑1～3層為功能性用房，建筑層高3.0m，4～12 層為客房區域，客房區域層高3.8m，生活冷水泵房設置在負一層地下室，標準層客房為25間。由于建筑屋面造型、布局等原因，導致屋面可以設置太陽能板的面積有限，故該工程以太陽能為輔熱，空氣能熱泵為主要熱源，當太陽能充足時，直接利用太陽能將熱水加熱至所需溫度，當太陽能不足時，利用熱泵將熱水加熱至所需溫度。

2 工程設計

2.1 水量計算機系統分區

酒店區域位于建筑4～12 層，總的客房數為209 間，單間客房人數按2 人計算，得出客房區總人數為418 人。根據《建筑給水排水設計規范（GB 5015—2003）》（2009 年版）（以下簡稱《建水規》）5.1.1 條，設計熱水用水量取150L/床位·d，計算得出客房區域熱水用水量如表1 所示。

根據計算，酒店區域最高日熱水用水量為68.97m3/d，最大時用水量為8.62m3/h。

熱水系統豎向分成兩個分區，低區為4～8 層，高區為9 層至12 層，根據《建水規》5.3.1.2，設計小時耗熱量計算公式如下：

式中：Qh-設計小時耗熱量，kJ/h；M-用水計算人數；qr-熱水用水定額，L/床·d；C-熱水比熱，C=4.187kJ/kg·℃；tr-熱水溫度，tr=60℃；t1-冷水溫度，t1=15℃；ρr-熱水密度，kg/L；T-每日使用時間，T=24h；Kh-小時變化系數，Kh=3。

計算得出低區設計小時耗熱量為806689.8kJ/h，高區設計小時耗熱量為645351.8kJ/h。

表1 熱水用水量計算

2.2 太陽能熱水系統

本工程高區設計熱水用水量為30.65m3/d，低區設計熱水量為38.32m3/d，由于屋面造型限制，能夠布置太陽能集熱板的屋面面積約468m2，選用的太陽能集熱板規格為2m×1m，海口地區緯度為20°02′，經計算，集熱器安裝間距為0.249m，考慮一定的檢修空間，本工程安裝間距取0.30m，經布置，該建筑屋面可以設置的集熱器總面積為240m2。根據《建水規》5.4.2A.1，直接加熱供水系統集熱器總面可按下式計算：

式中：Ajz-直接加熱集熱器總面積，m2；f-太陽能保證率，取0.5；Jt-集熱器采光面上年平均太陽能輻照量，kJ/（m2·d）；ηj-太陽能集熱效率，取0.45；η1-儲水箱和管路的熱損失率，取0.25。得出高區所需的集熱面積為570.36m2，低區所需的集熱面積為713.09m2，由于屋面條件限制本工程可以設置集熱器的面積約為240m2，考慮系統設置的經濟性及合理性，僅在高區設置太陽能熱水系統。太陽能集熱系統儲熱水箱計算公式如下：

式中：Vrx-儲熱水箱有效容積，L；Aj-集熱器總面積，m2；qrjd-集熱器單位面積平均每日產熱水量，L/m2·d，取60L/m2·d。計算得出太陽能熱水系統所需的儲熱容積為14.4m3。

集熱器循環流量計算公式：

式中：qx-集熱系統循環流量，L/s；qgz-單位采光面積集熱器對應的工質流量，L/s·m2，取0.017L/s·m2；計算得集熱器循環流量16m3/h，揚程為14m（揚程計算從略）。

2.3 空氣源熱泵熱水系統

對于空氣源熱泵熱水系統，根據《建水規》及國標圖集06SS127，最高日平均秒耗熱量的計算如下式：

式中：Qd-最高日平均秒耗熱量，kW；Qr-最高日熱水量，m3/d。

經計算高區最高日平均秒耗熱量為59.75kW，低區最高日平均秒耗熱量為74.69kW。

設計小時平均秒耗熱量計算公式如下：

式中：Qrh-設計小時平均秒耗熱量，kW。經計算高區設計小時平均秒耗熱量為179.09kW，低區設計小時平均秒耗熱量為224.38kW。

熱泵機組的制熱量計算公式為：

式中：Qg-熱泵機組設計小時平均秒供熱量，kW；T1-熱泵機組設計工作時間，取15h；K1-安全系數，取1.10。計算得出高區熱泵熱水機組設計小時平均秒供熱量為105.17kW，低區熱泵熱水機組設計小時平均秒供熱量為131.46kW。

熱泵熱水系統中儲熱容積計算公式為：

式中：Vr-儲熱總容積，m3；η-有效儲熱容積系數，本工程采用臥式儲熱水罐上出水水箱，該值取0.8。經計算，高區儲熱容積為5.39m3，低區儲熱容積為6.77m3，結合儲熱水罐產品參數及太陽能熱水系統儲熱容積需求，高區儲熱容積取16m3，設置兩個熱水灌，單個熱水灌容積8m3。結合儲熱罐產品參數，低區儲熱容積取10m3，設置兩個熱水灌，單個熱水灌容積取5m3。

熱泵機組設計循環流量計算公式為：

式中：qrx-熱泵機組設計循環流量，m3/h；Qg-熱泵機組的設計小時平均秒供熱量，kW；Δtj-熱水機組進出口溫差，取5℃；K4-安全系數，取1.1。得出低區熱泵循環流量為25m3/h，揚程為15m，高區熱泵循環流量為20m3/h，揚程為10m（揚程計算從略）。

2.4 系統控制

對第一循環系統，低區僅為空氣源熱泵熱水系統，當檢測到儲熱水箱溫度T1不大于45℃時，空氣源熱泵啟動循環加熱模式，當檢測到儲熱水箱溫度T1不小于55℃時，空氣源熱泵停止加熱，系統處于待機狀態。高區為太陽能熱水系統與空氣源熱泵熱水系統并聯設置，系統檢測儲熱水箱溫度T1和太陽能集熱器溫度T2，當T2-T1不小于5℃時，啟動太陽能循環泵強制循環，當T2-T1不大于2℃時，關閉太陽能循環泵，對空氣源熱泵，當水箱溫度T1小于45℃時，啟動空氣源熱泵機組進入加熱模式，當水箱溫度T1不小于55℃時，空氣源熱泵熱水系統停止加熱。當水箱溫度不小于65℃時，需停止加熱避免發生燙傷，在太陽能集熱器水溫達到75℃時，啟動空氣冷卻器進行降溫。

對第二循環系統，檢測熱水回水管道溫度T3，當T3不大于45℃，且T1-T3不小于5℃時，回水泵開啟，當T3不小于50℃時，回水泵關閉，以保證用水末端得到適宜溫度的熱水。

3 結語

該項目地處海南省海口市，太陽能和空氣能都十分充足，設計中充分利用當地的自然條件，選擇太陽能—空氣源熱泵并聯的熱水系統。在系統的設計時，需要結合兩系統各自的特點，對于儲熱設備，分別計算兩系統所需儲熱容積后取大值，對加熱設備規格、循環流量、揚程分別計算選取，控制系統需要合理設置控制節點，使系統節能、高效、穩定運行。