太陽能與空氣源熱泵復(fù)合生活熱水系統(tǒng)在酒店中的應(yīng)用探討

柳紅軍

（北京東方華脈工程設(shè)計(jì)有限公司，北京 100089）

0 引言

為加快我國節(jié)能減排的步伐，落實(shí)建設(shè)節(jié)約型社會和可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，傳統(tǒng)的燃煤、燃油鍋爐越來越受到挑戰(zhàn)，可再生能源的應(yīng)用成為備受鼓勵和支持的應(yīng)對措施之一。

太陽能作為一種可再生的綠色能源，是以太陽能作為加熱能源對水資源進(jìn)行加熱的一種供水系統(tǒng)，目前已經(jīng)成為建筑生活熱水系統(tǒng)中的一個重要選擇?？諝庠礋岜米鳛橐环N新興的可再生能源已廣泛應(yīng)用于我國長江中下游的夏熱冬冷地區(qū)，隨著熱泵技術(shù)的發(fā)展，其應(yīng)用范圍已逐漸擴(kuò)大到了寒冷地區(qū)，而且出現(xiàn)了專門制備生活熱水的低環(huán)境溫度用空氣源熱泵冷水機(jī)組。風(fēng)景名勝區(qū)開發(fā)五星級酒店周邊一般無穩(wěn)定、可靠的余熱、廢熱、地?zé)?，且多?shù)風(fēng)景名勝區(qū)遠(yuǎn)離市區(qū)，也無市政熱力管網(wǎng)及區(qū)域性鍋爐房。其生活熱源的選擇局限于太陽能、空氣源熱泵、地源熱泵、燃油、燃?xì)鉄崴畽C(jī)組等。鑒于太陽能、空氣源熱泵都有各自的特點(diǎn)和適用條件，單獨(dú)使用時不能獲得良好的效果，現(xiàn)在越來越多的科研工作者、廠家工程師、建筑給排水設(shè)計(jì)師傾向于將兩者結(jié)合使用。

1 太陽能+空氣源熱泵+電輔助加熱集中熱水系統(tǒng)構(gòu)成、工作原理及控制模式設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)構(gòu)成

太陽能+空氣源熱泵+電輔助加熱集中熱水系統(tǒng)包括太陽能換熱子系統(tǒng)和空氣源熱泵換熱子系統(tǒng)，集中式生活熱水供熱系統(tǒng)由太陽能換熱子系統(tǒng)、空氣源熱泵換熱子系統(tǒng)與電子恒溫混合閥組串接而成。其中太陽能換熱子系統(tǒng)主要由太陽能集熱板、熱媒循環(huán)泵、風(fēng)冷散熱器、半容積式換熱器及膨脹罐等設(shè)備組成?？諝庠礋岜脫Q熱子系統(tǒng)主要由空氣源熱泵機(jī)組、熱媒循環(huán)泵、半容積式換熱器及膨脹罐等設(shè)備組成。系統(tǒng)組成見圖1。

1.2 系統(tǒng)工作原理

生活熱水集中供熱系統(tǒng)由太陽能+空氣源熱泵+電輔助加熱單元組成，當(dāng)太陽輻射較強(qiáng)時由太陽能換熱子系統(tǒng)對生活熱水的冷水補(bǔ)水進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱后的生活熱水進(jìn)入串聯(lián)的空氣源熱泵換熱子系統(tǒng)，當(dāng)進(jìn)入的預(yù)熱水溫度不超過50℃（可設(shè)定）時，自動啟動空氣源熱泵，由空氣源熱泵加熱管道內(nèi)的熱媒進(jìn)行換熱，當(dāng)容積式換熱器內(nèi)的溫度達(dá)到50℃后，由于熱媒與熱水的溫差較小，熱泵換熱的效率很低，則空氣源熱泵自動停止加熱，熱水由后續(xù)的電輔助加熱裝置將水溫提升至設(shè)定的出水溫度，由于熱水溫度探測靈敏度不高及控制的延遲性，在半容積式熱水器出水管后串接一套電子恒溫混合閥組，以保持出水溫度的恒定。整套熱水系統(tǒng)充分利用太陽能，最大限度地降低運(yùn)行費(fèi)用。該熱水系統(tǒng)由智能控制器控制，自動化運(yùn)行，可實(shí)現(xiàn)無人值守。

1.3 系統(tǒng)控制模式的設(shè)計(jì)

太陽能+空氣源熱泵+電輔助加熱集中熱水系統(tǒng)運(yùn)行的關(guān)鍵是最大限度地利用太陽能制取生活熱水，當(dāng)太陽能不滿足要求時，自動啟動空氣源熱泵加熱。

1.3.1 連續(xù)運(yùn)行控制溫度控制

當(dāng)太陽能集熱器出口溫度T與半容積式熱水器底部熱水溫度T的差值大于設(shè)定上限時（根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況可調(diào)整），控制器控制太陽能子系統(tǒng)熱媒循環(huán)泵開啟，將集熱器產(chǎn)生的熱能傳遞給半容積式熱水器內(nèi)的冷水補(bǔ)水，當(dāng)T與T的差值達(dá)到設(shè)定下限時（根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況可調(diào)整），循環(huán)泵停止運(yùn)行，隨著集熱器溫度的升高，T與T的差值逐漸達(dá)到設(shè)定上限值，換熱系統(tǒng)進(jìn)入一個新的循環(huán)狀態(tài)。上述過程是一個不斷反復(fù)的過程，直到半容積式熱器內(nèi)的出水溫度達(dá)到系統(tǒng)設(shè)定熱水出水溫度時，系統(tǒng)進(jìn)入休眠狀態(tài)，體現(xiàn)優(yōu)先利用太陽能的原則。

圖1 太陽能+空氣源熱泵+電輔助加熱集中熱水系統(tǒng)示意圖

當(dāng)太陽能換熱子系統(tǒng)出水溫度T小于50℃時（根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況可調(diào)整），其后串接的空氣源熱泵換熱子系統(tǒng)自動開啟，循環(huán)泵啟動，空氣源熱泵啟動供熱，半容積式換熱器內(nèi)熱水溫度升高，當(dāng)半容積式熱水溫度T達(dá)到50℃時（根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況可調(diào)整），空氣源熱泵停止工作、循環(huán)泵停止，空氣源熱泵的啟動臺數(shù)可根據(jù)生活熱水用量自動切換投入，循環(huán)泵流量由變頻器控制，隨生活用水量及溫度的變化而變化。當(dāng)T達(dá)到50℃以后（根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況可調(diào)整），其后設(shè)有電輔助加熱的容積式換熱器底部設(shè)有自動測溫裝置，當(dāng)檢測溫度T低于50℃時，空氣源熱泵熱媒管上的電動閥自動開啟，熱媒循環(huán)換熱，T達(dá)到50℃以后，電動閥自動關(guān)閉，熱水由50℃至熱水設(shè)定出水溫度的溫差由電輔助加熱裝置提供。此設(shè)置能盡量利用高效的空氣能，降低低效的電能使用。

空氣源熱泵換熱子系統(tǒng)之后串接一套電子恒溫混合閥組，當(dāng)換熱器出水溫度T高于熱水系統(tǒng)出水設(shè)定溫度時，電子恒溫閥組的相關(guān)閥門開始動作，補(bǔ)充冷水或熱水系統(tǒng)回水量，以保持出水溫度的恒定。

通過設(shè)在熱水系統(tǒng)回水循環(huán)泵前的溫度探測裝置測定系統(tǒng)回水溫度，當(dāng)回水溫度T低于回水設(shè)定溫度55℃時（根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況可調(diào)整），熱水回水循環(huán)泵啟動，直至回水探測溫度達(dá)到回水設(shè)定的停泵溫度時停泵。

1.3.2 防凍控制

防凍控制主要針對太陽能換熱子系統(tǒng)而言，當(dāng)集熱系統(tǒng)的熱媒管道內(nèi)采用自來水或軟化水作為熱媒介質(zhì)時，集熱器出水的探測溫度T低于4℃時，太陽能換熱子系統(tǒng)的循環(huán)泵啟動，此時逆向換熱，由半容積式換熱器熱水側(cè)換熱至太陽能熱媒側(cè)，防止冬季（尤其夜間）太陽能集熱系統(tǒng)因凍脹而損壞，當(dāng)集熱水出水探測溫度T高于6℃時（根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況可調(diào)整），循環(huán)泵停止。當(dāng)采用乙二醇或其它具有防凍功能的熱媒時，循環(huán)泵的啟動溫度可設(shè)置得更低，當(dāng)所在地區(qū)的極端低溫高于防凍液的結(jié)凍溫度時，循環(huán)泵可不啟動。

1.3.3 過熱防護(hù)

過熱防護(hù)主要針對太陽能換熱子系統(tǒng)而言，當(dāng)集熱系統(tǒng)的熱媒管道內(nèi)采用自來水或軟化水作為熱媒介質(zhì)時，集熱器出水的探測溫度T高于75℃時（可根據(jù)水質(zhì)硬度情況調(diào)整），為防止熱媒系統(tǒng)管道內(nèi)結(jié)垢而影響換熱器的換熱效果，此時熱媒管道上串接在換熱器前的風(fēng)冷散熱器電動閥打開，熱媒水進(jìn)入風(fēng)冷散熱器散熱，直至集熱器管道內(nèi)的溫度低于設(shè)定的熱媒系統(tǒng)可正常運(yùn)行的高限值；或當(dāng)半容積式換熱器內(nèi)的溫度T達(dá)到生活熱水系統(tǒng)出水溫度時，熱媒管道上串接在換熱前的風(fēng)冷散熱器電動閥打開，熱媒水進(jìn)入風(fēng)冷散熱器散熱，直至集熱器出水管道內(nèi)的溫度低于設(shè)定的熱媒系統(tǒng)可正常運(yùn)行的高限值。

2 工程方案案例

2.1 工程概況

項(xiàng)目位于浙江省寧波市鎮(zhèn)海區(qū)九龍湖鎮(zhèn)，用地位置依山傍水，項(xiàng)目定位為五星級旅游酒店，建筑總高度為20.2m，建筑層數(shù)為4 層（無地下室），客房含單人間、雙人間及套間，總計(jì)188 間。該項(xiàng)目的生活熱水用水情況見表1。該項(xiàng)目僅一路市供水，為保證酒店供水安全（不影響營業(yè)），酒管要求市政進(jìn)水后在生活水泵房內(nèi)貯存最高日一天生活用水量，酒店除垃圾場地面清洗外，其余所有部位的生活用水均生活水泵房的變頻泵加壓供水，生活給水系統(tǒng)豎向不分區(qū)。該工程設(shè)置集中熱水供應(yīng)系統(tǒng)，為確保冷、熱水系統(tǒng)壓力平衡，冷、熱水均采用同源供水。項(xiàng)目所在地距城區(qū)較遠(yuǎn)，無可資利用的廢熱資源、無市政熱力、無燃?xì)夤芫€，屬太陽能資源一般區(qū)、夏熱冬冷。根據(jù)項(xiàng)目所在地條件，擬采用太陽能+空氣源熱泵+電輔助加熱集中熱水的供應(yīng)系統(tǒng)。

2.2 生活熱水耗熱量計(jì)算

根據(jù)當(dāng)?shù)毓┧块T提供的水溫?cái)?shù)據(jù)，本項(xiàng)目冷水計(jì)算溫度按10℃計(jì)，各用水部門的用水定額、用水單位、小時變化系統(tǒng)數(shù)、使用時數(shù)等見表1。該工程設(shè)計(jì)小時耗熱量按式（1）計(jì)算。

式中：Q－設(shè)計(jì)小時耗熱量（kW/h）；K－小時變化系數(shù)；m－用水計(jì)算單位數(shù)（人數(shù)或床數(shù)）；q－熱水用水定額L/人·次）；C－水的比熱[kJ/kg·℃] ，C=4.187（kJ/kg·℃）；t－熱水溫度（℃），tr=60℃；t－冷水溫度（℃）；ρ－熱水密度（kg/L）；C－熱水供應(yīng)系統(tǒng)的熱損失系數(shù)，C=1.10～1.15；T－每日使用時間（h）。設(shè)計(jì)小時耗熱量按同一時間內(nèi)出現(xiàn)的用水高峰的主要用水部門的設(shè)計(jì)小時耗熱量，加其他用水部門的平均小時耗熱量計(jì)算。酒店各功能區(qū)設(shè)計(jì)小時耗熱量計(jì)算結(jié)果見表1。

2.3 生活熱水換熱器計(jì)算及選型

由于太陽能換熱子系統(tǒng)換熱時，熱媒與熱水的溫差在5℃左右，且在太陽輻射充足熱水溫度未達(dá)到熱水系統(tǒng)設(shè)定的出水溫度時，熱媒循環(huán)泵在設(shè)定溫差下自動循環(huán)，無法按照換熱器選型設(shè)定參數(shù)進(jìn)行選型，其選型可參照空氣源熱泵換熱子系統(tǒng)選定。

表1 生活熱水耗熱量計(jì)算

根據(jù)《建筑給水排水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》GB50015-2019 第6.3.6條第5 款，全日集中熱水供應(yīng)系統(tǒng)中的較大型公共浴室、洗衣房（該項(xiàng)目僅有簡易洗衣房無熱水供應(yīng)）、廚房等耗熱量較大且用水時段固定的用水部位，宜設(shè)單獨(dú)的熱水管網(wǎng)。因此，太陽能換熱子系統(tǒng)后的半容積式換熱器分客房區(qū)（含客房及泳池淋?。┖蛷N房區(qū)（含健身中心、廚房及員工淋浴用水）設(shè)置。則客房區(qū)的最大小時耗熱量為596kW，廚房區(qū)的小時耗熱量為183kW，生活熱水綜合最大小時耗熱量為704 kW。由于空氣源熱泵在COP 值較高且耗電量較低時產(chǎn)生熱水的溫度一般為55℃，循環(huán)回水溫度50℃，該項(xiàng)目生活熱水為間接換熱系統(tǒng)，熱媒溫度較低，溫差小，半容積式換熱器中需要較大的換熱面積，因此選用換熱器的總傳熱面積按式（2）計(jì)算。

式中：F－換熱器總傳熱面積（m）；Q－換熱器設(shè)計(jì)小時供熱量（kW/h）；?－水垢和熱媒分布不均勻影響傳熱效率的系數(shù)，采用0.6～0.8；K－傳熱系數(shù)[W/（m·℃·h）]，K值按傳熱系數(shù)的80%選??；ΔT－熱媒與被加熱水的計(jì)算溫度差（℃）。

經(jīng)計(jì)算，客房區(qū)的總換熱面積為40.6m，選用3 臺型號為L1600-4.0-17.0-0.6/1.0-H 立式波節(jié)管半容積式水加熱器，3 臺總有效容積為9.6m， 滿足最小貯熱量要求（設(shè)計(jì)最大小時耗熱熱水量為2.5m/h），同時也滿足酒店要求為每個客貯37L 熱水量的需求。其中出水側(cè)的一臺換熱器內(nèi)設(shè)電輔助加熱裝置，功率為180kW。

經(jīng)計(jì)算，廚房區(qū)的總換熱面積為12.5m，選用2 臺型號為L1400-3.5-10.0-0.6/1.0-H 立式波節(jié)管半容積式水加熱器，3 臺總有效容積為5.6m，其中出水側(cè)的一臺換熱器內(nèi)設(shè)電輔助加熱裝置，功率為55kW。

太陽能換熱子系統(tǒng)選用3 臺型號為L1600-4.0-17.0-0.6/1.0-H 立式波節(jié)管半容積式水加熱器，3 臺總有效容積為9.6m。

2.4 熱泵機(jī)組選型

空氣源熱泵設(shè)計(jì)氣象參數(shù)：冬季空氣調(diào)節(jié)室外計(jì)算溫度-1.5℃，最冷月平均干球溫度5.9℃。酒店內(nèi)生活熱水綜合最大時耗熱量為704.07 kW，取710 kW；酒店內(nèi)泳池的耗熱量約為90 kW?？諝庠礋岜霉岚从境睾臒崃颗c生活熱水耗熱量之和進(jìn)行選型。空氣源熱泵按某品牌低溫型選用，低溫型機(jī)組名義制熱量工況：室外環(huán)境干/濕球溫度7℃/6℃，與最冷月平均干球溫度相接近。選用名義制熱量為64 kW 的低溫型機(jī)組14 臺，按冬季空氣調(diào)節(jié)室外計(jì)算溫度為-1.5 ℃校核時，14 臺低溫機(jī)組校正制熱量為750 kW，為最大時耗熱的0.94 倍，考慮冬季入住率及用水習(xí)慣，基本可以滿足制熱量的需求。

3 結(jié)語

集中生活熱水供應(yīng)采用太陽能+空氣源熱泵+電輔助加熱系統(tǒng)具有運(yùn)行效率高、穩(wěn)定可靠、安裝維護(hù)方便、產(chǎn)業(yè)鏈完備、根據(jù)項(xiàng)目所處位置的氣候特點(diǎn)設(shè)備可進(jìn)行靈活組合等優(yōu)點(diǎn)，且有較好的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益。該系統(tǒng)可有效克服太陽能輻射不足，陰、雨、雪天氣時，太陽能無法產(chǎn)生所需生活熱水的缺點(diǎn)；通過電輔助加熱措施也可克服空氣源熱泵出水溫度普遍在55℃左右，無法直接將熱水加熱至設(shè)定出水溫度的缺點(diǎn)。但是該系統(tǒng)也存在自身特有的缺點(diǎn)，因采用太陽能及空氣源熱泵均為間接加熱，換熱效率較直接式加熱系統(tǒng)低；空氣源熱泵冬季運(yùn)行時在濕度較大地區(qū)容易凝霜，影響泵組的產(chǎn)熱效率，除霜措施在工程設(shè)計(jì)時也是重點(diǎn)考慮的內(nèi)容；運(yùn)行時的溫度設(shè)定對系統(tǒng)的產(chǎn)熱效率也有一定影響，合理的溫度設(shè)定及自動運(yùn)行才能達(dá)到最大限度利用空氣源熱泵節(jié)能的目的。