養老院太陽能集中熱水系統設計探討

賴婷華

1.項目概況

廈門海滄區第二社會福利院總建筑面積28844.24 m2，主要服務對象為老年人。有2 棟養護樓及1 個地下室。1#養護樓建筑高度37.2m，共有 288 個床位；2#養護樓建筑高度22.5m，有150 個床位、日間照料中心、餐廳、洗衣房，地下室為車庫、人防及設備機房。因屋面面積充足，可滿足太陽能集熱所需。為保證建筑外立面呈現的效果，集熱器設于屋面，不考慮放置于側墻及陽臺，集熱器設于屋面應注意女兒墻高度，避開日照不足區域。

2.氣象條件

本項目位于廈門市海滄區，年平均溫度為20.9℃，最熱月平均溫度27.8℃，最冷月平均溫度12.6℃。為太陽能資源三類地區，年平均日照時長約2233.6h，水平面年太陽輻射總量為5062MJ/m2·a。利用太陽能產熱制備熱水幾乎不耗能，僅熱水循環泵及供水泵需耗能。從節能的角度看是一種極好的清潔能源，應優先考慮太陽能制熱，但太陽能在陰雨天氣及夜晚無法制熱屬于不穩定熱源，因此需考慮輔助熱源。空氣源熱泵是以空氣為低溫熱源的熱泵，室外溫度在-10℃～50℃范圍內可以全天候制熱。室外最冷月氣溫在10℃以上有很好的節能效果，因此在陰雨天氣等極端氣候的情況下，空氣源熱泵可以很好地為太陽能熱水系統提供輔助熱能。

3.系統設計

3.1 系統設計原理

在光照充足時，當太陽能集熱器內溫度傳感器所探測到的溫度值與集熱水箱底部溫度傳感器所探測溫度值之差△T大于設定值時（一般為5℃～8℃），系統將向太陽能循環水泵發出啟泵信號，太陽能循環水泵啟動，將水箱底部較低溫度的水打入太陽能集熱器，當溫差值△T 達到下限3℃左右，太陽能循環水泵停泵，如此反復把集熱水箱中的水加熱。當集熱水箱底部溫度傳感器溫度大于等于60℃時，太陽能循環水泵停泵。供熱水箱補水由集熱水箱通過轉輸水泵供給，當供熱水箱內水位降低到補水下限水位時轉輸泵打開補水，當供熱水箱水位上升至最高水位時，轉輸泵關閉。當供熱水箱中水溫低于設定的下限溫度值50℃時，熱泵自動啟動，熱泵加熱系統開始對供熱水箱內的水加熱，當探測到供熱水箱內的水溫達到上限設定溫度55℃時，溫控儀自動控制熱泵循環加熱系統停止運行。

3.2 太陽能集熱器比選

將太陽的輻射能轉換為熱能是太陽能利用的關鍵，集熱器的選擇對太陽熱水系統起著至關重要的作用。太陽熱水系統集熱器主要有三種類型：全玻璃真空管太陽能集熱器、平板型太陽能集熱器、熱管真空管太陽能集熱器，各類型集熱器性能對比如表1。經對比本項目采用熱管式真空管集熱器。

表1 各類集熱器性能

3.3 系統冷熱水壓力平衡問題

本項目熱水系統僅設一個分區，節能要求充分利用市政供水管網壓力供水。太陽能熱水系統采用開式系統供熱水箱和熱水供水泵聯合供水，若低層冷水由市政直供，市政壓力波動會導致市政供水管網直供的樓層熱水用水點冷熱水壓力不平衡。為解決此問題，所有熱水用水點的冷水均采用恒壓變頻供水泵供水，熱水供水泵揚程應與相應供水范圍的給水泵壓力協調，保證系統冷熱水壓力平衡。低層非熱水用水點如沖廁，拖把池等采用市政直供。另外，在用水終端浴室淋浴器配備定溫混合閥，既可防止老年人燙傷又可保證出水冷熱水壓力平衡。

4.工程案例分析

本工程采用雙水箱強制循環直接加熱系統，系統原理如圖1。太陽能熱水系統分棟設置，取1 號養護樓為一個完整的系統來分析。廈門市自來水水質硬度在32.3～75.5 之間，無需對原水進行水質軟化處理。熱水出水口設置銀離子消毒器消毒。熱水管網采用同程供水，上行下給（見圖1）。

圖1 空氣源熱泵輔助太陽能集中熱水系統原理圖

4.1 熱水用水定額

表2 熱水用水定額

設計熱水平均日用水量：

其中m為用水計算單位數；qr為熱水用水定額（L/人·天），計算太陽能熱水時應按平均日定額計算。平均日耗熱量：

設計小時耗熱量：

4.2 集熱器面積計算

式中：cA—系統集熱器總面積（m2）；qrd—設計日用熱水量（L/d）；C— 水的定壓比熱容；C=4.187[kJ/（kg·℃）]；te—貯水箱內水的設計溫度，60℃；tl—水的初始溫度，15℃；f —太陽能保證率（%）；取50%。JT—傾角等于當地緯度時，傾斜表面平均日太陽總輻照量（MJ/m2·d）；取13.8MJ/m2·d。η — 集熱器的年平均集熱效率（%）；取70%。ηL—貯水箱和管路的熱損失率（%）；取10%。

經計算得集熱器面積為：337m2。集熱器安裝傾角取25°，安裝方位角為南偏西14°。集熱器面積補償比為100%。故實際集熱器面積不變仍為337m2。

集熱水箱有效容積按設計熱水平均日用水量20.16m3。

4.3 太陽能循環泵選型

4.4 空氣源熱泵選型

輔助熱源空氣源熱泵設計應按系統最不利情況考慮，如最冷月份及陰雨天。全天熱水均由空氣源熱泵提供。廈門最冷月平均氣溫為12.6℃。

熱水系統最高日熱水量：

其中熱水定額qr按最高日用水定額取值。

集中熱水供應系統設計小時熱水量Qrh=Qrkh/24=31.68×2.4/24=3.168m3/h。其中kh為小時變化系數，取2.4。

（1）熱泵機組的制熱量計算：

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（h）；取20h。K1—安全系數；取1.05。熱泵機組的制熱量Qg 為76.1KW。

供熱水箱有效容積：

式中：貯熱時間0T取2h。

（2）空氣源熱泵的名義制熱量：

式中：q—名義制熱量（kW）；Qg—機組設計小時平均秒供熱量（kW）；k2—使用地區室外計算溫度的修正系數；k3—融霜修正系數，每小時融霜一 次取0.9，兩次取0.8。q=76.1/0.7=108.7KW；

需3 臺制熱量37KW/臺空氣源熱泵。

（3）空氣源熱泵循環泵流量：

式中：qrx—設計循環流量（m3/h）；Qg—設計小時平均秒供熱量（kW）；Δtj—進出口溫差（℃），取5℃；k4—安全系數，可取k4=1.10。

選用3 臺供水泵，每臺空氣源熱泵配一臺循環水泵，循環水泵不備用（單泵流量5m3/h，揚程10m）。一臺循環泵檢修其他2 臺泵對應的熱泵機組仍可運行。

5.節能效益分析

太陽能保證率f 按0.5 取值，則全年有一半的熱水需要通過空氣源熱泵制熱。廈門市年平均室外氣溫 20.9℃，查得熱泵機組COP 約4.0，與電輔助加熱相比，可節約（1 -0.25）×100%=75%的電能。而太陽能制備熱水不耗能，僅循環泵組少量耗能。則整個方案的能耗相比于全部電加熱的情況節能87.5%。全年1#樓熱水系統耗熱量為340311.8 kW·h/ a。節約能耗297772 kW·h/ a，由此帶來的二氧化碳減排量268噸/年。同時屋面設置的太陽能板在夏季吸收太陽能，阻擋太陽直射屋面，降低頂樓室內氣溫。減少了空調制冷的能耗，達到雙重節能效果。