空氣源熱泵輔助的太陽能熱水系統(tǒng)在長沙地區(qū)學(xué)生公寓的應(yīng)用研究

冷建雄

湖南中大設(shè)計(jì)院有限公司

摘要：介紹了空氣源熱泵輔助的太陽能熱水系統(tǒng)的特點(diǎn)和設(shè)計(jì)思路。以長沙地區(qū)某學(xué)生公寓為對象，結(jié)合設(shè)計(jì)規(guī)范、使用單位的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)等，給出了熱水系統(tǒng)設(shè)備選型計(jì)算的合理取值，以及定時(shí)供應(yīng)熱水系統(tǒng)的控制策略，并對類似項(xiàng)目的設(shè)計(jì)提出了建議。

關(guān)鍵詞：空氣源熱泵;太陽能;熱水系統(tǒng)

空氣源熱泵是運(yùn)用逆卡諾循環(huán)原理，以消耗少量電能為代價(jià)，采用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，蒸汽壓縮制冷循環(huán)，將環(huán)境空氣中的低位熱能轉(zhuǎn)移到被加熱水用以制備熱水的設(shè)備[1]?？諝鉄崮芸蓮淖匀唤邕B續(xù)獲取，具有可再生能源的屬性[2]。太陽能是一種可再生的清潔能源，具有分布廣、儲量大的特點(diǎn)，同時(shí)具有很強(qiáng)的季節(jié)性和地域性，因而太陽能熱水系統(tǒng)波動(dòng)很大?？諝庠礋岜幂o助的太陽能熱水系統(tǒng)綜合運(yùn)用太陽能和空氣源熱泵的特點(diǎn)， 在合理的控制下，可以充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢持續(xù)穩(wěn)定供應(yīng)熱水，同時(shí)節(jié)省運(yùn)行能耗。但是作為輔助熱源的空氣源熱泵在長江流域的冬天其應(yīng)用也有局限性，主要是存在結(jié)霜現(xiàn)象，而除霜增加了系統(tǒng)能耗。相對酒店、醫(yī)院等熱水用水需求較高的建筑，學(xué)生公寓的熱水系統(tǒng)有其特殊性，極端最冷天氣學(xué)生放假無使用要求，供水時(shí)段一般為定時(shí)供水等，故空氣源熱泵的局限基本可忽略，可以帶來較好的使用體驗(yàn)。

一、以長沙地區(qū)某學(xué)生公寓為工程實(shí)例

（一）工程概況

該公寓樓總建筑面積10548.23m?，包括2棟公寓，通過二層連廊連接。其中5棟地上六層，床位578個(gè)，建筑高度為19.20m;新6舍為地上5層，床位474個(gè)，建筑高度為16.1m，均為平屋頂。

（二）熱水用水量

根據(jù)規(guī)范熱水用水定額和學(xué)校能源中心統(tǒng)計(jì)每天學(xué)生實(shí)際使用熱水?dāng)?shù)據(jù)，熱水定額取40L每人每天，熱水設(shè)計(jì)溫度55°C，新5舍最高日熱水量為24.0m?/d，新6舍最高日熱水量為19.0m?/d。

（三）空氣源熱泵熱水系統(tǒng)

空氣源熱泵熱水系統(tǒng)滿足陰雨天氣最高日用水量要求，系統(tǒng)按全日熱水量設(shè)計(jì)，并考慮溫度和融霜修正系數(shù)K=0.8，新5舍總制熱量為52.6KW，新6舍總制熱量為120.9KW ，兩棟分別選2臺直熱循環(huán)式熱泵機(jī)，單臺制熱量為82kw，制熱功率20.5kw。

（四）太陽能熱水系統(tǒng)

太陽能熱水系統(tǒng)考慮最高日用水量、屋頂面積和集熱器間的遮擋等綜合因素影響，新5舍、6舍分別設(shè)計(jì)了195m2、210m2集熱器。

（五）熱水系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

兩棟公寓設(shè)計(jì)兩套獨(dú)立的太陽能與空氣源熱泵聯(lián)用熱水供應(yīng)系統(tǒng)。熱水供應(yīng)系統(tǒng)由太陽能集熱器、空氣源熱泵、配水管網(wǎng)、回水管網(wǎng)、空氣源循環(huán)水泵、提升水泵、供熱水泵、儲熱水箱、太陽能加熱水箱、太陽能循環(huán)泵以及各種熱水配件組成，系統(tǒng)原理圖見（圖1）。

1.太陽能集熱器 2.空氣源熱泵 3.儲熱水箱 4.太陽能加熱水箱 5.供熱水泵 6.空氣源循環(huán)水泵 7.提升水泵 8.太陽能循環(huán)泵 9.電磁閥 10.電磁閥 11.溫度傳感器

圖1 空氣源熱泵與太陽能熱水系統(tǒng)示意圖

（六）系統(tǒng)控制設(shè)計(jì)

整個(gè)熱水系統(tǒng)的運(yùn)行設(shè)計(jì)采用自動(dòng)控制， 系統(tǒng)根據(jù)水溫控制太陽能循環(huán)泵、熱泵機(jī)組及熱泵機(jī)組循環(huán)泵的啟停，熱水供水泵定時(shí)啟動(dòng)。

1、熱水供水泵系統(tǒng)控制

（1）本熱水系統(tǒng)采用定時(shí)供水，即：17：00～22：00（可調(diào)）。

（2）供水泵5（P1）提前開啟，即：16：45～22：00（可調(diào)），非供水時(shí)段5、溫控閥關(guān)閉。在供水時(shí)段T4≥45℃（可調(diào)）時(shí)，溫控閥F1關(guān)閉;T4<38℃（可調(diào)）時(shí)，溫控閥F1開啟。

2、空氣源熱泵機(jī)組2及熱泵提升泵7

當(dāng)T2≥45℃（可調(diào)），9打開，10關(guān)閉，熱水自流入儲熱水箱;

當(dāng)T2<45℃（可調(diào)），10打開，9關(guān)閉，啟動(dòng)7與2，將水加熱至55℃，直到3達(dá)到S1（100%）即停。

3、儲熱水箱3與空氣源循環(huán)泵6

當(dāng)T3<45℃（可調(diào)），啟動(dòng)6與2，直到T3≥55℃時(shí)停止6與2。

4、太陽能系統(tǒng)控制

若T1-T2≥8℃時(shí)，8啟動(dòng); 若T1-T2≤3℃時(shí)，8關(guān)閉。若T1-T2≤3℃時(shí)，8關(guān)閉，打開泄水閥，將集熱器放空。

（六）供熱系統(tǒng)工作模式

本系統(tǒng)在太陽能充足時(shí)，可優(yōu)先利用太陽能;當(dāng)太陽能不足時(shí)，能盡可能的利用太陽能，提高空氣源熱泵的進(jìn)水初溫，從而提高空氣能的工作效率，進(jìn)而節(jié)約電能。

1、太陽能單獨(dú)運(yùn)行工作模式：在太陽輻射照度充足時(shí)，可先利用太陽能制備熱水，通過集熱器加熱的熱水進(jìn)入加熱水箱，再由加熱水箱中溫度傳感器選擇打開控制閥門，將加熱水箱中的熱水放至儲熱水箱。

2、太陽能與空氣源熱泵共同運(yùn)行模式：當(dāng)遇陰雨或多云天氣，太陽能輻射照度不足時(shí)，太陽能加熱水箱中溫度傳感器選擇打開熱泵進(jìn)水管控制閥門，太陽能作為空氣源熱泵的預(yù)熱系統(tǒng)，提高源熱泵的進(jìn)水初溫，提高熱泵運(yùn)行工況，節(jié)約熱泵機(jī)組的耗電量。

二、系統(tǒng)運(yùn)行情況

本熱水系統(tǒng)于2018年2月投入使用，系統(tǒng)運(yùn)行一直良好，水溫穩(wěn)定，耗電量明顯降低。

三、結(jié)語

（一） 熱水用水量受季節(jié)、收費(fèi)價(jià)格、刷卡方式、南北衛(wèi)生習(xí)慣等諸多因素影響，現(xiàn)在規(guī)范定額偏高，對開長沙地區(qū)，按40L/人.d足夠。

（二）因?qū)W生公寓為分時(shí)供水， 用水時(shí)間集中，故建議將熱水加熱到供水溫度再儲存，建議選用直接加熱式空氣源熱泵， 但應(yīng)復(fù)核供水壓力等條件能否滿足機(jī) 組運(yùn)行要求。

（三）太陽能熱水系統(tǒng)采用直接式系統(tǒng)，集熱器、管網(wǎng)易結(jié)垢，造成因受熱不均而爆管，影響太陽能熱水系統(tǒng)的使用壽命。故要保證進(jìn)水水質(zhì)，在進(jìn)水處設(shè)過濾器，對進(jìn)水硬度過高時(shí)，應(yīng)軟化處理。同時(shí)提高管材的質(zhì)量等級。

（四）因夏季曝曬，集熱器中溫度比較高，水中的氣體會(huì)不斷析出或發(fā)生氣化，影響集熱器的集熱效果。因此，在太陽能系統(tǒng)管道最高處設(shè)置排氣閥，及時(shí)將氣體排出，防止氣堵產(chǎn)生。

（五）控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，控制靈敏度要求較高，故自控是系統(tǒng)運(yùn)行的關(guān)鍵。

（六）系統(tǒng)的可靠運(yùn)行，離不開定期維檢，對存在安全隱患的集熱器要及時(shí)更換，防止影響整個(gè)太陽能系統(tǒng)的正常工作。

四、結(jié)語：

空氣源熱泵與太陽能組合熱水系統(tǒng)既能克服單純依靠太陽能的不可靠性，又能改善空氣源熱泵的低溫運(yùn)行工況，兩者結(jié)合能可靠地保證熱水的供應(yīng)，又管理方便、節(jié)約經(jīng)濟(jì)，符合節(jié)能環(huán)保的要求和綠色建筑的目標(biāo)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 《空氣源熱泵輔助的太陽能熱水系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》GB/T26973-2011

[2]? 空氣熱能納入可再生能源范疇的指導(dǎo)手冊

[3]《建筑給水排水設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50015-2003（2009年版）

[4]章霞芳，太陽能熱水系統(tǒng)與空氣源熱泵的組合設(shè)計(jì)[B]，公用工程設(shè)計(jì)，1007-9467（2012）09-0097-03