太陽(yáng)能—空氣源熱泵熱水系統(tǒng)在學(xué)校公寓的設(shè)計(jì)應(yīng)用

諸葛夢(mèng)晴

桂林建筑規(guī)劃設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司 廣西 桂林 541000

在我國(guó)城化進(jìn)程不斷加快的背景下，人們生活水平的不斷提高，學(xué)校公寓數(shù)量的增加。公寓內(nèi)的學(xué)生們?nèi)粘Ｉ钏锜崴?，以學(xué)校公寓為例，僅依靠建筑內(nèi)部現(xiàn)有的熱水設(shè)備，不僅無(wú)法滿足學(xué)生們?nèi)粘Ｉ钏璧臒崴?，而且還存在著用水時(shí)間集中、用水量大等問(wèn)題。為解決學(xué)生公寓熱水供應(yīng)問(wèn)題，本文介紹了一種太陽(yáng)能—空氣源熱泵熱水系統(tǒng)在學(xué)校公寓的設(shè)計(jì)應(yīng)用。

1 工程概述

某高校學(xué)生公寓位于桂林市雁山區(qū)，用地面積20740m2，建筑面積為26743.87m2，共包含7棟多層學(xué)生公寓，設(shè)計(jì)學(xué)生總?cè)藬?shù)2314人。7棟學(xué)生宿舍一層均為架空活動(dòng)層，二～六層（七層）為學(xué)生公寓。工程采用全熱水系統(tǒng)，利用太陽(yáng)能集熱器吸收太陽(yáng)輻射并將其轉(zhuǎn)化為熱能后加熱生活用水，再由生活用熱水箱儲(chǔ)存生活用水，經(jīng)過(guò)冷、熱水管道將生活用水輸送至各個(gè)建筑內(nèi)部。太陽(yáng)能集熱器與空氣源熱泵機(jī)組的選型應(yīng)根據(jù)建筑物的功能需求、建筑環(huán)境特點(diǎn)以及太陽(yáng)能資源狀況來(lái)確定。該項(xiàng)目為普通公寓，太陽(yáng)能資源條件較好，夏季太陽(yáng)輻射強(qiáng)度高，夏季較長(zhǎng)，且有充足的陽(yáng)光照射，太陽(yáng)能利用率較高；冬季太陽(yáng)輻射強(qiáng)度低，氣溫低且晴天多，太陽(yáng)能利用率較低。

2 太陽(yáng)能—空氣源熱泵熱水系統(tǒng)相關(guān)概述

太陽(yáng)能-空氣源熱泵熱水系統(tǒng)是一種結(jié)合太陽(yáng)能和空氣源熱泵的高效、環(huán)保的熱水供應(yīng)系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用太陽(yáng)能將太陽(yáng)能集熱器中的熱量傳遞到空氣源熱泵中，使其加熱水箱內(nèi)的水。同時(shí)，在低光照條件下，空氣源熱泵還可以通過(guò)回收空氣中的熱能來(lái)加熱水。這種系統(tǒng)具有高效節(jié)能、環(huán)保、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)，適用于各種規(guī)模的建筑物，如住宅、商業(yè)、學(xué)校、醫(yī)院等。在太陽(yáng)能-空氣源熱泵熱水系統(tǒng)中，太陽(yáng)能集熱器是主要的熱源，其作用是將陽(yáng)光轉(zhuǎn)化為熱能，然后將熱能傳遞到空氣源熱泵中[1]?？諝庠礋岜脛t將吸收的熱能通過(guò)壓縮制冷劑的方式進(jìn)行加熱，然后將加熱后的水輸送到用戶的用水系統(tǒng)中。太陽(yáng)能-空氣源熱泵熱水系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)包括：

在高效節(jié)能方面，太陽(yáng)能和空氣源熱泵的完美結(jié)合利用了自然資源的巨大潛力，并能夠?qū)崿F(xiàn)超過(guò)90%的能源轉(zhuǎn)化效率，是理想的環(huán)保型供熱解決方案。

環(huán)保方面，系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中不會(huì)使用任何化石燃料，因此不會(huì)產(chǎn)生二氧化碳等對(duì)環(huán)境有害的氣體和廢水，實(shí)現(xiàn)了零排放，體現(xiàn)了對(duì)自然環(huán)境的充分尊重和保護(hù)。

在安全性方面，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)考慮了各種可能的風(fēng)險(xiǎn)和挑戰(zhàn)，設(shè)置了多重保護(hù)機(jī)制。過(guò)載保護(hù)能防止因負(fù)載過(guò)大導(dǎo)致的系統(tǒng)崩潰，過(guò)熱保護(hù)可以在設(shè)備過(guò)熱時(shí)自動(dòng)切斷電源，防止火災(zāi)的發(fā)生，漏電保護(hù)則可以保證在電氣系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)及時(shí)切斷電源，保護(hù)人身安全。這些保護(hù)機(jī)制確保了系統(tǒng)的安全運(yùn)行，降低了各種潛在的風(fēng)險(xiǎn)。

在應(yīng)用方面，系統(tǒng)適用于各種規(guī)模的建筑物，包括住宅、商業(yè)建筑、學(xué)校、醫(yī)院等。這意味著在各種場(chǎng)景中，太陽(yáng)能和空氣源熱泵的結(jié)合都能提供高效節(jié)能的解決方案，既降低了能源消耗，又減少了碳排放，有利于保護(hù)環(huán)境，符合綠色可持續(xù)發(fā)展的理念。

在維護(hù)方面，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維護(hù)方便。這意味著用戶在遇到問(wèn)題時(shí)，可以快速找到問(wèn)題所在，減少了維護(hù)成本和維修時(shí)間。此外，由于系統(tǒng)的設(shè)計(jì)注重簡(jiǎn)化和模塊化，在后續(xù)的升級(jí)和維護(hù)過(guò)程中，也更容易進(jìn)行，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。各種場(chǎng)景中，太陽(yáng)能和空氣源熱泵的結(jié)合都能提供高效節(jié)能的解決方案，既降低了能源消耗，又減少了碳排放，有利于保護(hù)環(huán)境，符合綠色可持續(xù)發(fā)展的理念。

3 太陽(yáng)能—空氣源熱泵熱水系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用要點(diǎn)

3.1 明確設(shè)計(jì)依據(jù)

該項(xiàng)目所處區(qū)域?yàn)槲覈?guó)的南方地區(qū)，四季分明，氣候宜人。全年日照時(shí)數(shù)達(dá)1550，年平均氣溫為19℃，年平均降水量為1949.5mm，冬季平均氣溫在7℃左右，全年無(wú)霜期300天左右。該區(qū)域全年氣候條件優(yōu)越，有利于太陽(yáng)能資源的利用。

根據(jù)《建筑給排水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB50015-2019）中的相關(guān)規(guī)定：“集中熱水供應(yīng)系統(tǒng)的熱源應(yīng)通過(guò)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較,并應(yīng)按下列順序選擇:（1）采用具有穩(wěn)定、可靠的余熱、廢熱、地?zé)?當(dāng)以地?zé)釣闊嵩磿r(shí),應(yīng)按地?zé)崴乃疁?、水質(zhì)和水壓,采取相應(yīng)的技術(shù)措施處理滿足使用要求；（2）當(dāng)日照時(shí)數(shù)大于1400h/a且年太陽(yáng)輻射量大于4200MJ/m及年極端最低氣溫不低于-45℃的地區(qū)，采用太陽(yáng)能；（3）在夏熱冬暖、夏熱冬冷地區(qū)采用空氣源熱泵?！北卷?xiàng)目可利用當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件進(jìn)行太陽(yáng)能—空氣源熱泵熱水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，滿足學(xué)生公寓內(nèi)生活用水所需。

3.2 制定總體設(shè)計(jì)方案

本項(xiàng)目位于某高校內(nèi)，熱水系統(tǒng)包括太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)與空氣源熱泵機(jī)組兩部分。其中太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)包括：太陽(yáng)能集熱器、集熱器支架、保溫水箱以及自動(dòng)控制系統(tǒng)等；空氣源熱泵機(jī)組包括：空氣源熱泵主機(jī)、水箱及管道等。本項(xiàng)目中，由于學(xué)生宿舍使用熱水時(shí)間集中，用水量大，且各用水房間之間距離較遠(yuǎn)，因此在熱水系統(tǒng)中采用太陽(yáng)能與空氣源熱泵結(jié)合的形式作為主要的熱源。該方案設(shè)計(jì)中，太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)的集熱器采用集熱器支架上安裝有不銹鋼翅片的銅管制作而成的太陽(yáng)能集熱器；空氣源熱泵機(jī)組采用帶式真空管集熱和空氣能相結(jié)合的方式作為主要的熱源；水箱采用不銹鋼制做而成，同時(shí)為了保證供水水質(zhì)以及保溫性能，水箱內(nèi)壁噴涂有聚氨酯保溫材料[2]。

3.3 選擇合適的系統(tǒng)控制方式

在案例工程太陽(yáng)能—空氣源熱泵熱水系統(tǒng)設(shè)計(jì)中應(yīng)用為最大限度上發(fā)揮出該系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，將太陽(yáng)能集熱板、熱水箱、空氣源熱泵機(jī)組、回水循環(huán)泵等結(jié)構(gòu)布置在宿舍樓頂，太陽(yáng)能集熱儲(chǔ)熱水箱和接入器之間布置一個(gè)集熱循環(huán)泵。集熱循環(huán)泵的啟動(dòng)、停止從中通過(guò)集熱器出水口溫度和熱水箱中布置的溫度傳感器來(lái)控制，當(dāng)集熱器出水口位置的溫度和熱水箱中水體的溫度差超過(guò)8℃時(shí)啟動(dòng)集熱循環(huán)泵，當(dāng)二者之間的溫度差小于2℃時(shí)停止集熱循環(huán)泵。并于太陽(yáng)能集熱儲(chǔ)熱水箱和空氣源熱泵之間布置一個(gè)換熱循環(huán)泵，換熱循環(huán)泵的啟動(dòng)和停止通過(guò)儲(chǔ)熱水箱中水體的溫度進(jìn)行控制，當(dāng)儲(chǔ)熱水箱中水體的溫度低于50℃時(shí)，空氣源熱泵自動(dòng)啟動(dòng)，當(dāng)儲(chǔ)熱水箱中水體溫度被加熱到60℃后，空氣源熱泵自動(dòng)停止。為保證太陽(yáng)能—空氣源熱泵熱水系統(tǒng)中冷熱水壓力的一致性，緩解熱水箱和管路的水損問(wèn)題，可于熱水箱出水管之上布設(shè)一個(gè)微型管道泵，在熱回水管之上布設(shè)一個(gè)回水循環(huán)泵，通過(guò)熱水箱出水干管和循環(huán)泵吸水管之上的溫度傳感器來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水體溫度差，若溫度差超過(guò)5℃啟動(dòng)，空氣源熱泵，當(dāng)水體溫度差小于2℃后停止空氣源熱泵，以維持熱干管內(nèi)部水體的溫度始終處于穩(wěn)定狀態(tài)，從而為學(xué)生提供24小時(shí)熱水服務(wù)。

3.4 熱水管網(wǎng)設(shè)計(jì)

本工程在進(jìn)行太陽(yáng)能—空氣源熱泵熱水系統(tǒng)設(shè)計(jì)中為提升應(yīng)用效果，將熱水管網(wǎng)中的橫干管敷設(shè)在公寓樓頂，沿著水流方向應(yīng)有至少0.003°的坡度，供水管越走越高，循環(huán)管沿著水流方向不斷下降，為保證供水的有效性，需在供水管高出布設(shè)可自動(dòng)開(kāi)啟和關(guān)閉的排氣閥，在循環(huán)管最低處布置一個(gè)排污閥。并于干管之上布置一個(gè)波紋管補(bǔ)償器，若立管需要穿越樓板，需要在立管和樓板相互接觸的位置加裝套管，套管內(nèi)徑應(yīng)比熱水管外徑至少大2號(hào)，間隙處應(yīng)填塞上密封防水填料。太陽(yáng)能—空氣源熱泵熱水系統(tǒng)中的蓄熱水箱、熱水供水干管/立管、循環(huán)干管/立管等存在熱量損失的位置，需要通過(guò)保溫材料裹覆，以減少熱量損失。本工程采用聚苯乙烯作為保溫材料，此種保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)為0.41W/（m·℃），滿足學(xué)校公寓對(duì)熱水溫度的要求。儲(chǔ)熱水箱可通過(guò)硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料裹覆保溫，各設(shè)備在保溫材料裹覆之前，還需進(jìn)行防腐處理，以提升使用壽命。在正常工況下，熱水管道中的水體流速在0.8m/s～1.2m/s即可滿足學(xué)生對(duì)熱水供應(yīng)的需求[3]。為保證熱水供應(yīng)的連續(xù)性，本工程在進(jìn)行太陽(yáng)能—空氣源熱泵熱水系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用中采用了雙水箱定溫配置系統(tǒng)，自來(lái)水補(bǔ)水及熱水均補(bǔ)到集熱水箱，使用熱水由供熱水箱接出，補(bǔ)水控制方式可采用補(bǔ)水電磁閥進(jìn)行控制，以最大限度上保證補(bǔ)水在合理的范圍中。

3.5 主要設(shè)備設(shè)計(jì)

3.5.1 保溫水箱設(shè)計(jì)

為確保太陽(yáng)能—空氣源熱泵熱水系統(tǒng)在正常使用狀態(tài)下24小時(shí)的自然溫度降幅在5℃內(nèi)，保溫水箱選用了厚度為1.0mm的SUS304#食品級(jí)不銹鋼。水箱內(nèi)部填充了厚50mm的聚氨酯發(fā)泡。外殼則選用了厚度為0.8mm的201#不銹鋼。如此配置旨在使標(biāo)準(zhǔn)情況下的24小時(shí)自然溫度降幅不超過(guò)5℃。每個(gè)儲(chǔ)熱水箱均內(nèi)設(shè)有水位壓力傳感探頭和水溫感應(yīng)探頭，以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制：在陽(yáng)光充足的條件下，水位壓力傳感探頭在水位低于設(shè)定水位時(shí)自動(dòng)打開(kāi)進(jìn)水電磁閥，向集熱器注入自來(lái)水，將水加熱至設(shè)定水溫后泵入水箱，直至水箱充滿熱水，水位壓力傳感探頭關(guān)閉并進(jìn)入溫差循環(huán)模式[4]。同時(shí)，水箱內(nèi)的水溫感應(yīng)探頭檢測(cè)水箱內(nèi)水的溫度，當(dāng)儲(chǔ)熱水箱水溫低于集熱器內(nèi)出口水的溫度10℃（溫度可調(diào)）時(shí)，集熱循環(huán)水泵自動(dòng)啟動(dòng)，系統(tǒng)開(kāi)始循環(huán)增溫，直至水箱內(nèi)的水溫和集熱器出水溫度的溫差小于5℃（可調(diào)）時(shí)集熱循環(huán)水泵停止運(yùn)行，這樣可最大限度地利用太陽(yáng)能熱能。若在陰雨天或光照不足的情況下，水位壓力傳感探頭檢測(cè)到水箱水位低于最低設(shè)定水位時(shí)進(jìn)水電磁閥將自動(dòng)打開(kāi)向水箱內(nèi)注入自來(lái)水，同時(shí)啟動(dòng)空氣源熱泵機(jī)組進(jìn)行加熱，直至水溫達(dá)到設(shè)定溫度55℃時(shí)自動(dòng)關(guān)閉輔助熱源系統(tǒng)。

3.5.2 管道設(shè)計(jì)

在進(jìn)行太陽(yáng)能—空氣源熱泵熱水系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用中，運(yùn)輸和供水管道選用 PPR熱水管，旨在確保水質(zhì)清潔且壽命長(zhǎng)，不易變形?？紤]到冬季水管可能凍住并影響熱水系統(tǒng)的供熱效果，我們外露的熱水管道、主管道選用PPR保溫一體管，以保護(hù)管道免受光照和雨淋的自然老化、防止熱量的損失。為了保證每個(gè)噴淋能夠立即使用熱水，減少水資源的浪費(fèi)，洗澡用水循環(huán)管道配備了定溫循環(huán)功能。當(dāng)用水時(shí)段來(lái)臨時(shí)，如果室內(nèi)用水管道上的探測(cè)溫度低于設(shè)置溫度，電磁閥將自動(dòng)打開(kāi)，循環(huán)泵會(huì)啟動(dòng)將管道中的冷卻水注入水箱；當(dāng)管道溫度達(dá)到設(shè)置溫度時(shí)，電磁閥會(huì)自行關(guān)閉，確保用戶打開(kāi)噴淋后能夠迅速獲得熱水。

3.5.3 泵體設(shè)計(jì)

本工程在應(yīng)用太陽(yáng)能—空氣源熱泵熱水系統(tǒng)時(shí)，為提升應(yīng)用效果，滿足學(xué)生24小時(shí)使用熱水的需求，共計(jì)配置了三種不同功能的泵：太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)循環(huán)泵、空氣源熱泵循環(huán)泵，以及熱水供水泵。這些泵主要在高溫?zé)崴h(huán)境中運(yùn)行，因此，采用了熱水循環(huán)泵。熱水供水泵配備了變頻增壓泵，以確保用戶在用水時(shí)流量和壓力的穩(wěn)定性。它的工作原理是：當(dāng)系統(tǒng)管網(wǎng)壓力低于用戶設(shè)定的壓力時(shí)，檢測(cè)控制系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)加壓水泵變頻軟啟動(dòng)運(yùn)行[5]。當(dāng)水泵出水總管的實(shí)際壓力與用戶設(shè)定的壓力相等時(shí)，監(jiān)控控制系統(tǒng)將控制加壓水泵以保持實(shí)際壓力與用戶設(shè)定壓力相同。當(dāng)管網(wǎng)中的水壓力升高時(shí)，加壓水泵的轉(zhuǎn)速將降低；當(dāng)管網(wǎng)中的水壓力降低時(shí)，加壓水泵的轉(zhuǎn)速將升高。當(dāng)管網(wǎng)水的壓力與用戶設(shè)定壓力相等時(shí)，加壓水泵將停止運(yùn)行。通過(guò)監(jiān)控系統(tǒng)管網(wǎng)壓力的差異，可實(shí)現(xiàn)能源的節(jié)約。空氣源熱泵循環(huán)泵在進(jìn)行設(shè)計(jì)中需要嚴(yán)格按照熱泵機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行額定流量的要求選擇合適泵體，太陽(yáng)能循環(huán)泵流量計(jì)算公式如下：

此公式中q為循環(huán)泵的實(shí)際流量（L/h），A為太陽(yáng)能集熱器的最大集熱面積（㎡），QS為集熱循環(huán)泵的流量（L/h）。太陽(yáng)能—空氣源熱泵熱水系統(tǒng)在運(yùn)行中由于太陽(yáng)輻射量具有不確定性，因此，太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的集熱循環(huán)流量，通常情況下需要按照每平方米集熱器的流量為0.01～0.02L/s進(jìn)行考慮，也就是36～72L/（h·㎡），通過(guò)計(jì)算可知工程采用的太陽(yáng)能—空氣源熱泵熱水系統(tǒng)中太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的循環(huán)流量，再按照此流量選擇揚(yáng)程合適的泵體[6]。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，結(jié)合理論實(shí)踐，分析了太陽(yáng)能—空氣源熱泵熱水系統(tǒng)在學(xué)校公寓的設(shè)計(jì)應(yīng)用，分析結(jié)果表明，和傳統(tǒng)熱水系統(tǒng)相比，太陽(yáng)能—空氣源熱泵熱水系統(tǒng)在節(jié)能、穩(wěn)定、供熱效率等方面有非常明顯的優(yōu)勢(shì)，可滿足學(xué)校公寓對(duì)24小時(shí)熱水供應(yīng)的需求，而且此系統(tǒng)采用了清潔綠色能源，不存在二次污染。但太陽(yáng)能—空氣源熱泵熱水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成比較復(fù)雜，設(shè)計(jì)難度比較大，影響因素多，任何一個(gè)細(xì)節(jié)考慮不當(dāng)，都會(huì)影響到最終的應(yīng)用效果。因此，在具體應(yīng)用中必須結(jié)合工程項(xiàng)目的實(shí)際情況，進(jìn)行綜合分析，選擇合適的技術(shù)、參數(shù)、設(shè)備，才能發(fā)揮出太陽(yáng)能—空氣源熱泵熱水系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)和作用。