養(yǎng)老院太陽(yáng)能集中熱水系統(tǒng)設(shè)計(jì)探討

賴婷華

1.項(xiàng)目概況

廈門海滄區(qū)第二社會(huì)福利院總建筑面積28844.24 m2，主要服務(wù)對(duì)象為老年人。有2 棟養(yǎng)護(hù)樓及1 個(gè)地下室。1#養(yǎng)護(hù)樓建筑高度37.2m，共有 288 個(gè)床位；2#養(yǎng)護(hù)樓建筑高度22.5m，有150 個(gè)床位、日間照料中心、餐廳、洗衣房，地下室為車庫(kù)、人防及設(shè)備機(jī)房。因屋面面積充足，可滿足太陽(yáng)能集熱所需。為保證建筑外立面呈現(xiàn)的效果，集熱器設(shè)于屋面，不考慮放置于側(cè)墻及陽(yáng)臺(tái)，集熱器設(shè)于屋面應(yīng)注意女兒墻高度，避開日照不足區(qū)域。

2.氣象條件

本項(xiàng)目位于廈門市海滄區(qū)，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(yáng)能資源三類地區(qū)，年平均日照時(shí)長(zhǎng)約2233.6h，水平面年太陽(yáng)輻射總量為5062MJ/m2·a。利用太陽(yáng)能產(chǎn)熱制備熱水幾乎不耗能，僅熱水循環(huán)泵及供水泵需耗能。從節(jié)能的角度看是一種極好的清潔能源，應(yīng)優(yōu)先考慮太陽(yáng)能制熱，但太陽(yáng)能在陰雨天氣及夜晚無法制熱屬于不穩(wěn)定熱源，因此需考慮輔助熱源?？諝庠礋岜檬且钥諝鉃榈蜏?zé)嵩吹臒岜茫彝鉁囟仍?10℃～50℃范圍內(nèi)可以全天候制熱。室外最冷月氣溫在10℃以上有很好的節(jié)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(yáng)能熱水系統(tǒng)提供輔助熱能。

3.系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

在光照充足時(shí)，當(dāng)太陽(yáng)能集熱器內(nèi)溫度傳感器所探測(cè)到的溫度值與集熱水箱底部溫度傳感器所探測(cè)溫度值之差△T大于設(shè)定值時(shí)（一般為5℃～8℃），系統(tǒng)將向太陽(yáng)能循環(huán)水泵發(fā)出啟泵信號(hào)，太陽(yáng)能循環(huán)水泵啟動(dòng)，將水箱底部較低溫度的水打入太陽(yáng)能集熱器，當(dāng)溫差值△T 達(dá)到下限3℃左右，太陽(yáng)能循環(huán)水泵停泵，如此反復(fù)把集熱水箱中的水加熱。當(dāng)集熱水箱底部溫度傳感器溫度大于等于60℃時(shí)，太陽(yáng)能循環(huán)水泵停泵。供熱水箱補(bǔ)水由集熱水箱通過轉(zhuǎn)輸水泵供給，當(dāng)供熱水箱內(nèi)水位降低到補(bǔ)水下限水位時(shí)轉(zhuǎn)輸泵打開補(bǔ)水，當(dāng)供熱水箱水位上升至最高水位時(shí)，轉(zhuǎn)輸泵關(guān)閉。當(dāng)供熱水箱中水溫低于設(shè)定的下限溫度值50℃時(shí)，熱泵自動(dòng)啟動(dòng)，熱泵加熱系統(tǒng)開始對(duì)供熱水箱內(nèi)的水加熱，當(dāng)探測(cè)到供熱水箱內(nèi)的水溫達(dá)到上限設(shè)定溫度55℃時(shí)，溫控儀自動(dòng)控制熱泵循環(huán)加熱系統(tǒng)停止運(yùn)行。

3.2 太陽(yáng)能集熱器比選

將太陽(yáng)的輻射能轉(zhuǎn)換為熱能是太陽(yáng)能利用的關(guān)鍵，集熱器的選擇對(duì)太陽(yáng)熱水系統(tǒng)起著至關(guān)重要的作用。太陽(yáng)熱水系統(tǒng)集熱器主要有三種類型：全玻璃真空管太陽(yáng)能集熱器、平板型太陽(yáng)能集熱器、熱管真空管太陽(yáng)能集熱器，各類型集熱器性能對(duì)比如表1。經(jīng)對(duì)比本項(xiàng)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(tǒng)冷熱水壓力平衡問題

本項(xiàng)目熱水系統(tǒng)僅設(shè)一個(gè)分區(qū)，節(jié)能要求充分利用市政供水管網(wǎng)壓力供水。太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)采用開式系統(tǒng)供熱水箱和熱水供水泵聯(lián)合供水，若低層冷水由市政直供，市政壓力波動(dòng)會(huì)導(dǎo)致市政供水管網(wǎng)直供的樓層熱水用水點(diǎn)冷熱水壓力不平衡。為解決此問題，所有熱水用水點(diǎn)的冷水均采用恒壓變頻供水泵供水，熱水供水泵揚(yáng)程應(yīng)與相應(yīng)供水范圍的給水泵壓力協(xié)調(diào)，保證系統(tǒng)冷熱水壓力平衡。低層非熱水用水點(diǎn)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(qiáng)制循環(huán)直接加熱系統(tǒng)，系統(tǒng)原理如圖1。太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)分棟設(shè)置，取1 號(hào)養(yǎng)護(hù)樓為一個(gè)完整的系統(tǒng)來分析。廈門市自來水水質(zhì)硬度在32.3～75.5 之間，無需對(duì)原水進(jìn)行水質(zhì)軟化處理。熱水出水口設(shè)置銀離子消毒器消毒。熱水管網(wǎng)采用同程供水，上行下給（見圖1）。

圖1 空氣源熱泵輔助太陽(yáng)能集中熱水系統(tǒng)原理圖

4.1 熱水用水定額

表2 熱水用水定額

設(shè)計(jì)熱水平均日用水量：

其中m為用水計(jì)算單位數(shù)；qr為熱水用水定額（L/人·天），計(jì)算太陽(yáng)能熱水時(shí)應(yīng)按平均日定額計(jì)算。平均日耗熱量：

設(shè)計(jì)小時(shí)耗熱量：

4.2 集熱器面積計(jì)算

式中：cA—系統(tǒng)集熱器總面積（m2）；qrd—設(shè)計(jì)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(nèi)水的設(shè)計(jì)溫度，60℃；tl—水的初始溫度，15℃；f —太陽(yáng)能保證率（%）；取50%。JT—傾角等于當(dāng)?shù)鼐暥葧r(shí)，傾斜表面平均日太陽(yáng)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(jīng)計(jì)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(bǔ)償比為100%。故實(shí)際集熱器面積不變?nèi)詾?37m2。

集熱水箱有效容積按設(shè)計(jì)熱水平均日用水量20.16m3。

4.3 太陽(yáng)能循環(huán)泵選型

4.4 空氣源熱泵選型

輔助熱源空氣源熱泵設(shè)計(jì)應(yīng)按系統(tǒng)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(tǒng)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(yīng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)小時(shí)熱水量Qrh=Qrkh/24=31.68×2.4/24=3.168m3/h。其中kh為小時(shí)變化系數(shù)，取2.4。

（1）熱泵機(jī)組的制熱量計(jì)算：

式中：Qg—熱泵機(jī)組設(shè)計(jì)小時(shí)平均秒供熱量（kW）；T1—熱泵機(jī)組設(shè)計(jì)工作時(shí)間（h）；取20h。K1—安全系數(shù)；取1.05。熱泵機(jī)組的制熱量Qg 為76.1KW。

供熱水箱有效容積：

式中：貯熱時(shí)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(jī)組設(shè)計(jì)小時(shí)平均秒供熱量（kW）；k2—使用地區(qū)室外計(jì)算溫度的修正系數(shù)；k3—融霜修正系數(shù)，每小時(shí)融霜一 次取0.9，兩次取0.8。q=76.1/0.7=108.7KW；

需3 臺(tái)制熱量37KW/臺(tái)空氣源熱泵。

（3）空氣源熱泵循環(huán)泵流量：

式中：qrx—設(shè)計(jì)循環(huán)流量（m3/h）；Qg—設(shè)計(jì)小時(shí)平均秒供熱量（kW）；Δtj—進(jìn)出口溫差（℃），取5℃；k4—安全系數(shù)，可取k4=1.10。

選用3 臺(tái)供水泵，每臺(tái)空氣源熱泵配一臺(tái)循環(huán)水泵，循環(huán)水泵不備用（單泵流量5m3/h，揚(yáng)程10m）。一臺(tái)循環(huán)泵檢修其他2 臺(tái)泵對(duì)應(yīng)的熱泵機(jī)組仍可運(yùn)行。

5.節(jié)能效益分析

太陽(yáng)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(jī)組COP 約4.0，與電輔助加熱相比，可節(jié)約（1 -0.25）×100%=75%的電能。而太陽(yáng)能制備熱水不耗能，僅循環(huán)泵組少量耗能。則整個(gè)方案的能耗相比于全部電加熱的情況節(jié)能87.5%。全年1#樓熱水系統(tǒng)耗熱量為340311.8 kW·h/ a。節(jié)約能耗297772 kW·h/ a，由此帶來的二氧化碳減排量268噸/年。同時(shí)屋面設(shè)置的太陽(yáng)能板在夏季吸收太陽(yáng)能，阻擋太陽(yáng)直射屋面，降低頂樓室內(nèi)氣溫。減少了空調(diào)制冷的能耗，達(dá)到雙重節(jié)能效果。