太陽(yáng)能與空氣源熱泵雙熱源熱水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究

周津津

（方特設(shè)計(jì)院（廈門）有限公司，廈門 361000）

為了解決能源短缺問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，我國(guó)大力推行清潔能源。據(jù)調(diào)查，我國(guó)建筑能耗占社會(huì)總能耗的比重較大，而生活熱水能耗是建筑能耗的重要組成部分[1]。選擇合適的生活熱水制備方式，已經(jīng)成為目前的研究重點(diǎn)。

1 工程概況

某酒店位于天津市濱海新區(qū)，建筑面積為40 364.27 m2，建筑總高度為31.95 m。該酒店地下1 層為人防停車場(chǎng)、設(shè)備機(jī)房和后廚等后勤用房，地上8 層主要為包房、棋牌室、會(huì)議室和客房（共310 間）。該項(xiàng)目設(shè)置集中熱水供應(yīng)系統(tǒng)，供應(yīng)范圍為酒店全區(qū)域。酒店最高日熱水用量為86.75 m3，最大時(shí)熱水用量為11.29 m3。

2 熱源選擇和系統(tǒng)構(gòu)成

太陽(yáng)能作為一種可再生綠色能源，因運(yùn)行成本低成為目前熱源的主要選擇[2]。天津市位于中緯度歐亞大陸東岸，屬大陸性氣候，日照時(shí)間較長(zhǎng)，年日照時(shí)間為2 500 ～2 900 h，年平均日輻射量為16.340 MJ·m-2·d-1，太陽(yáng)能資源較豐富，滿足集熱器布置要求。因此，本項(xiàng)目選擇太陽(yáng)能作為主要的熱源。單一太陽(yáng)能系統(tǒng)受日照影響較大，而且考慮建筑美觀性，需將太陽(yáng)能集熱器集中安裝在樓頂平屋面，但是本項(xiàng)目屋面面積無(wú)法滿足集熱板的布置需求?？諝庠礋岜米鳛橐环N新興的可再生能源，已廣泛應(yīng)用于寒冷地區(qū)建筑生活熱水制備，且太陽(yáng)能和空氣源熱泵復(fù)合熱源具有能耗低、年運(yùn)行費(fèi)用相對(duì)較少、碳減排量相對(duì)較多等優(yōu)點(diǎn)。因此，本項(xiàng)目選用空氣源熱泵來(lái)補(bǔ)足太陽(yáng)能集熱板的加熱量，并設(shè)置電熱水機(jī)組進(jìn)行熱水二級(jí)輔助加熱，保證熱水供應(yīng)，形成太陽(yáng)能+空氣源熱泵+電輔助加熱的集中熱水系統(tǒng)。其中，太陽(yáng)能換熱子系統(tǒng)由太陽(yáng)能集熱板、集熱循環(huán)泵、板式換熱器、換熱循環(huán)泵、補(bǔ)液裝置以及膨脹罐等構(gòu)成，空氣源熱泵換熱子系統(tǒng)主要由空氣源熱泵機(jī)組、循環(huán)泵等設(shè)備構(gòu)成。同時(shí)，本設(shè)計(jì)采用雙水箱系統(tǒng)，分別設(shè)置集熱水箱和貯熱水箱。

3 系統(tǒng)工作原理

整個(gè)熱水系統(tǒng)的工作原理如圖1 所示。當(dāng)太陽(yáng)能集熱器出口熱水溫度T1與集熱水箱熱水溫度T2的差值大于設(shè)定值時(shí)，啟動(dòng)集熱循環(huán)泵P1 和換熱循環(huán)泵P2，將產(chǎn)生的熱能傳遞給集熱水箱中的低溫水。當(dāng)T1和T2的溫差小于設(shè)定的循環(huán)停止溫度時(shí)，循環(huán)泵停止運(yùn)行，60 ℃熱水從集熱水箱流向貯熱水箱。當(dāng)集熱水箱的熱水溫度T2＞60 ℃（可根據(jù)運(yùn)行情況調(diào)整）而貯熱水箱的熱水溫度T3＜55 ℃（可根據(jù)運(yùn)行情況調(diào)整）且水箱滿水位時(shí)，開(kāi)啟循環(huán)泵P3，進(jìn)行水箱間溫差循環(huán)，減少電輔熱的啟動(dòng)次數(shù)。當(dāng)貯熱水箱的熱水溫度T3＜55 ℃（可根據(jù)運(yùn)行情況調(diào)整）時(shí)，空氣源熱泵換熱子系統(tǒng)自動(dòng)開(kāi)啟，循環(huán)泵啟動(dòng)。隨著貯熱水箱內(nèi)的熱水水溫升至55 ℃，空氣源熱泵和循環(huán)泵停止運(yùn)行。陰雨天氣或者冬季，太陽(yáng)能換熱子系統(tǒng)和空氣源熱泵換熱子系統(tǒng)無(wú)法滿足熱水需求時(shí)，可利用電熱水機(jī)組進(jìn)行二級(jí)輔助加熱，將貯熱水箱中的熱水從45 ℃加熱至55 ℃。此外，集熱水箱和貯熱水箱設(shè)有自動(dòng)補(bǔ)水系統(tǒng)，根據(jù)太陽(yáng)能輻射強(qiáng)度、水箱熱水溫度和末端熱水用水量等情況自動(dòng)啟停。

圖1 太陽(yáng)能+空氣源熱泵+電輔助加熱集中熱水系統(tǒng)示意圖

此系統(tǒng)在滿足熱水供應(yīng)的前提下，能夠優(yōu)先利用太陽(yáng)能，高效利用空氣能，降低低效電能的使用[3]。當(dāng)酒店處于淡季或者夏季熱水需求低時(shí)，可通過(guò)調(diào)低水箱水位減少儲(chǔ)存的熱水，降低空氣能熱泵的運(yùn)行負(fù)荷，以達(dá)到節(jié)水節(jié)能、降低運(yùn)營(yíng)成本的目的。

4 太陽(yáng)能+空氣源熱泵+電輔助加熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 熱水耗熱量計(jì)算

該項(xiàng)目的設(shè)計(jì)小時(shí)耗熱量和平均日耗熱量分別根據(jù)《建筑給水排水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50015—2019）的6.4.1 條和6.6.3 條計(jì)算，即

式中：Qh為設(shè)計(jì)小時(shí)耗熱量，kW；Kh為小時(shí)變化系數(shù)；m為用水計(jì)算單位數(shù)；qr為最高日用水定額；C為水的比熱容，取4.187 kJ·kg-1·℃-1；tr為熱水溫度，取60 ℃；t1為冷水溫度，取4 ℃；T為每日使用時(shí)間，h；ρr為熱水密度，kg·L-1；Cr為熱水供應(yīng)的熱損失系數(shù)，取1.15。

式中：Qmd為平均日耗熱量，kW；qmr為平均日用水量定額；b1為同日使用率，取0.7。

酒店不同區(qū)域的用水單位、用水定額、使用時(shí)間、時(shí)變化系數(shù)和計(jì)算結(jié)果如表1 所示。

表1 生活熱水耗熱量

4.2 太陽(yáng)能集熱器面積計(jì)算

根據(jù)《建筑給水排水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50015—2019）的第6.6.2 條，計(jì)算太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的集熱器總面積，公式為

式中：Ajz為直接太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)集熱器總面積，m2；f為太陽(yáng)能保證率，取80%；bj為集熱器面積補(bǔ)償系數(shù)，取1；Jt為平均太陽(yáng)輻照量，取16 340 kJ·m-2·d-1；ηj為年平均集熱效率，取31%；η1為熱損失，取30%。

經(jīng)計(jì)算，所需集熱器總面積為3 587 m2。由于酒店建筑造型占據(jù)部分屋面空間，屋面僅能設(shè)置789 塊集熱板，集熱板面積約為1 578 m2，僅能滿足酒店44%的熱水用水需求，因此本項(xiàng)目選用空氣源熱泵彌補(bǔ)供熱量共計(jì)的不足。

4.3 空氣源熱泵設(shè)備選型

本項(xiàng)目選用空氣源熱泵作為第2 種熱源，將貯熱水箱中的水加熱至55 ℃。假定熱泵機(jī)組每日設(shè)計(jì)工作時(shí)間為12 h，則按表1 的熱水用水定額計(jì)算，可知空氣源熱泵每小時(shí)需供應(yīng)301.11 kW 的熱量。因此，本項(xiàng)目選用6 臺(tái)名義制熱量為65 kW 的循環(huán)型空氣源熱泵。

4.4 熱水箱計(jì)算

本項(xiàng)目采用雙水箱系統(tǒng)，集熱水箱用于收集太陽(yáng)能熱量，貯熱水箱用于供應(yīng)熱水，水箱間設(shè)置循環(huán)泵。水箱有效容積根據(jù)《建筑給水排水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50015—2019）的6.6.5 條和6.5.11 條進(jìn)行計(jì)算，即

式中：Vrx為集熱水箱有效容積，L；qrjd為集熱器單位輪廓面積平均日產(chǎn)60 ℃熱水量，取80 L·m-2；Aj為集熱器總面積，m2。

式中：V為貯熱水箱有效容積，m3；Tz為熱水貯存時(shí)間，取1 d。

經(jīng)計(jì)算，集熱水箱有效容積約為77 m3，貯熱水箱有效容積約為146 m3。可見(jiàn)，本項(xiàng)目選用的水箱既滿足太陽(yáng)能和空氣源熱泵水箱的設(shè)計(jì)要求，又能避免冬季空氣源熱泵性能降低導(dǎo)致熱水供應(yīng)不足的風(fēng)險(xiǎn)。

4.5 防凍措施與水壓平衡措施

太陽(yáng)能換熱子系統(tǒng)防凍控制主要用于防止冬季期間太陽(yáng)能集熱器因凍脹而損壞。當(dāng)集熱器出水溫度T1或集熱器底部溫度T4低于防凍溫度設(shè)定值（設(shè)定10 ℃）時(shí)，太陽(yáng)能換熱子系統(tǒng)的循環(huán)泵啟動(dòng)，逆向換熱，進(jìn)行防凍循環(huán)。熱回水及集熱水箱和貯熱水箱之間的管道也應(yīng)采用防凍循環(huán)措施，防止管道結(jié)凍損壞[4]。

本項(xiàng)目冷熱水分區(qū)嚴(yán)格，并采用上行下給的供水方式，減小上下層配水的壓差。循環(huán)管道采用同程布置，使各用水點(diǎn)壓降基本相等，且底部回水橫管設(shè)有壓力調(diào)節(jié)閥，避免水流短路。熱水設(shè)計(jì)中選用合適的循環(huán)泵揚(yáng)程至關(guān)重要，但是實(shí)際項(xiàng)目中由于施工過(guò)程中管線的影響，循環(huán)泵的計(jì)算往往較為復(fù)雜且存在較大誤差。為解決冷熱水壓力不平衡的問(wèn)題，本項(xiàng)目設(shè)置變頻器，以便根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整循環(huán)泵揚(yáng)程[5]。實(shí)際項(xiàng)目中，熱水管路通常會(huì)長(zhǎng)于冷水管路，且板式換熱器具有較大阻力。為了避免末端用水點(diǎn)位冷熱水壓力差過(guò)大，利用板式換熱器和集熱水箱間的內(nèi)循環(huán)泵來(lái)平衡冷熱水壓力。

5 系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)

太陽(yáng)能與空氣源熱泵耦合既能滿足當(dāng)前新建建筑有效利用太陽(yáng)能的規(guī)范要求，也能夠解決太陽(yáng)能集熱器日照不足時(shí)無(wú)法工作以及空氣源熱泵在冬季性能不佳的問(wèn)題。該熱水系統(tǒng)利用運(yùn)行成本低的太陽(yáng)能，提高貯熱水箱的最低溫度，降低空氣源熱泵的運(yùn)行負(fù)荷。酒店熱水需求量低時(shí)，僅開(kāi)啟太陽(yáng)能換熱子系統(tǒng)或部分空氣源熱泵主機(jī)即可，不僅可以避免能源浪費(fèi)，也能夠降低運(yùn)營(yíng)成本。雙水箱系統(tǒng)儲(chǔ)熱能力強(qiáng)、穩(wěn)定性高、升溫快，為酒店熱水穩(wěn)定供應(yīng)增添一道保障。

6 結(jié)語(yǔ)

本項(xiàng)目采用太陽(yáng)能+空氣源熱泵+電輔助加熱的集中熱水系統(tǒng)，具有穩(wěn)定可靠、節(jié)能環(huán)保、運(yùn)行效率高、運(yùn)行成本相對(duì)較低以及受季節(jié)影響較小等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于有設(shè)置太陽(yáng)能利用措施要求、屋面空間受限且熱水使用要求高的建筑具有借鑒意義。