太陽能輔助空氣源熱泵集中供熱水系統(tǒng)在大型企業(yè)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(tǒng)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(tǒng)受不同季節(jié)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(huán)保、節(jié)能的設備與太陽能系統(tǒng)聯(lián)用，能夠較好地彌補太陽能光照的不足，更好地體現(xiàn)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(yè)能耗。

1 太陽能熱水系統(tǒng)的優(yōu)缺點

太陽能熱水系統(tǒng)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(wěn)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(wěn)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(shù)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(yōu)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(jié)能的特點。據(jù)統(tǒng)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(tǒng)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(yōu)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(tǒng)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(tǒng)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(yè)能耗。

3 工程實例

某企業(yè)生產車間職工洗浴用熱水，設計參數(shù)為：使用人數(shù)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(huán)式空氣源熱泵熱水機組與太陽能聯(lián)合使用的熱水系統(tǒng)。

3.1 太陽能系統(tǒng)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(lián)連接，熱水儲存在熱水箱中。

該系統(tǒng)采用強制循環(huán)方式，循環(huán)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(huán)泵的揚程根據(jù)集熱系統(tǒng)循環(huán)管道的沿程與局部阻力損失hjx、循環(huán)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(huán)泵參數(shù)為：最大流量30 t/h、揚程28 m、管徑DN 50 mm。

本系統(tǒng)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(tǒng)設計

式中：Qg——熱泵設計小時供熱量（kJ/h）；

k1——安全系數(shù)，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(shù)（使用人數(shù)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(jié)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(jù)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(huán)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(shù)，取1.1。

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

4 系統(tǒng)控制原理及工況分析[1-8]

空氣源熱泵作為太陽能系統(tǒng)的輔助熱源，整套熱水系統(tǒng)優(yōu)先利用太陽能，在春夏秋三季，當太陽能系統(tǒng)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(tǒng)效率較低，無法滿足用戶的需求，此時太陽能系統(tǒng)充當預熱系統(tǒng)，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(tǒng)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(tǒng)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(huán)

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(tǒng)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(huán)泵P1自動開啟溫差循環(huán)，當T1－T2＜2 °C時，集熱循環(huán)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(tǒng)快速補水，避免系統(tǒng)斷水，當水箱上升至最小水位h2時，系統(tǒng)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(tǒng)停止加熱，以保證用戶供水溫度相對穩(wěn)定。

4.5 定時定溫管道循環(huán)

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(jù)企業(yè)規(guī)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(jù)管道溫度探頭T4采用溫控循環(huán)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(huán)

當系統(tǒng)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(huán)，因此需要進行防凍循環(huán)，為了避免將恒溫水箱內的溫度循環(huán)降低，該方案設計與集熱水箱進行循環(huán)。系統(tǒng)循環(huán)泵冬季每啟動2 min，停止工作60 min。

5 系統(tǒng)經濟性分析

太陽能輔助空氣源熱泵系統(tǒng)在夏季以及春秋晴好天氣完全可以依靠太陽能系統(tǒng)提供全部熱水，系統(tǒng)運行費用極低。而在春秋季陰雨天及冬季（約占全年天數(shù)的1/3）則主要依靠空氣源熱泵系統(tǒng)，主要耗電量為空氣源熱泵耗電量?，F(xiàn)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(tǒng)進行經濟分析對比，其效果見表1。

表1 不同熱水系統(tǒng)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(xiàn)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(huán)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(tǒng)滲漏水且較為經濟。

（c）整個太陽能集熱器循環(huán)管路要考慮系統(tǒng)排氣。自動排氣閥的位置一般設置在循環(huán)進水管、循環(huán)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(tǒng)與所安裝大樓的屋面防雷系統(tǒng)相連接。

（e）整個系統(tǒng)的保溫分為管路系統(tǒng)和熱水箱兩部分考慮。管路系統(tǒng)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(guī)范執(zhí)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(tǒng)負荷按照冬季最不利情況計算，為了運行能更靈活，機組數(shù)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(jié)能的角度考慮。但作為整套系統(tǒng)維護、保養(yǎng)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(tǒng)的年燃料費用大大的節(jié)約了，不僅能很快收回投資成本，從長遠的角度看，也為企業(yè)帶來不小的經濟效益。更重要的是從節(jié)能環(huán)保角度出發(fā)，其社會意義重大。

（a）在當前國家著力推行節(jié)能減排發(fā)展戰(zhàn)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(huán)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(yōu)缺點，但可以做到取長補短，只要系統(tǒng)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(tǒng)的自動化程度較高、穩(wěn)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(yè)的節(jié)能改造，這需要決策部門從經濟上予以支持，助力推廣。