太阳能辅助空气源热泵集中供热水系统在大型企业职工浴室中的应用

上海城市交通设计院有限公司 上海 200025

太阳能是一种清洁、高效的能源，目前在我国已广泛使用。太阳能热水系统作为一种成熟的工艺普遍适用于新建、改建的各类建筑。但由于太阳能热水系统受不同季节日照变化的影响，一般需要配置辅助加热设备。其中以空气源热泵机组作为一种同样环保、节能的设备与太阳能系统联用，能够较好地弥补太阳能光照的不足，更好地体现项目的经济性，尤其适用于对一些建筑条件受限的项目进行改造设计，既能保证热水的供应又能降低企业能耗。

1 太阳能热水系统的优缺点

太阳能热水系统是利用太阳能集热器，收集太阳辐射能把水加热的一种装置，其技术成熟，在夏季日照充足的情况下运行稳定且成本极低。但由于太阳能集热器“靠天吃饭”，必须露天放置，遇风吹、雨淋、阴天、雨雪，晚上等恶劣条件，阳光辐射强度较小或没有，相对而言稳定性较差。其次是集热器面积较大，受建筑屋面条件限制，尤其是改造项目的屋面常常只能设置一定数量的集热器，还需配合其他辅助加热设备。再者，太阳能集热器目前采用较多的是玻璃真空管集热器，热效率虽高但容易损坏，维护费用较大。

2 空气源热泵热水机组的优缺点

空气源热泵能把空气中的低温热能吸收进来，经过压缩机压缩后转化为高温热能，加热水温，具有高效节能的特点。据统计，制造相同的热水量，空气源热泵消耗能源的成本仅为电热水器的1/4，燃气热水器的1/3，比电辅助太阳能热水器利用能效还高。此外，空气源热泵热水系统还具有不受日夜变化影响、运行成本低、设备占地面积小、维护费用低等优点。而它的主要缺点是制热速度慢、热效率不是很高，容易结霜等问题。

可以看出，太阳能和空气源热泵热水系统在运行条件、制热效率、维护成本等方面能够取长补短，采用空气源热泵机组辅助太阳能热水系统能够较为理想的提供热水，满足需求并且最大程度地减少企业能耗。

3 工程实例

某企业生产车间职工洗浴用热水，设计参数为：使用人数300 人，热水用水定额60 L/（人·d），定时供应热水每天2 h，设计热水日用水量Q为18 m3，最大时用水量10 m3/h，冷水计算温度tl=5 °C，热水计算温度tr=60 °C，采用循环式空气源热泵热水机组与太阳能联合使用的热水系统。

3.1 太阳能系统集热器的设计

上海地处北纬31°10′，集热器采光面年平均日太阳辐照量Jt为12 220 kJ/（m2·d），太阳能保证率f取0.55，集热器采用真空管式集热效率ηj取0.6，储水箱和管路的热损失率ηl取0.18（ηj、ηl取值均为厂家提供）。按照设计公式：计算得集热面积Ajz为380 m2。以所选用的集热器产品组成长方形矩阵，在屋面串联连接，热水储存在热水箱中。

该系统采用强制循环方式，循环泵流量qx=qgz·Aj，其中qgz为单位采光面积集热器所对应的工质流量，Aj为集热器总面积。本工程qgz由厂家提供，为0.02 L/（s·m2），qx=7.6 L/s。循环泵的扬程根据集热系统循环管道的沿程与局部阻力损失hjx、循环流量流经集热器的阻力损失hj、集热器顶与贮热水箱最低水位之间的几何高差hz以及附加压力hf几项之和确定。本工程的太阳能集热器与贮热水箱分开放置，集热器置于浴室旁的5 层办公楼屋面，热水箱置于浴室屋面，两者高差近20 m。所选循环泵参数为：最大流量30 t/h、扬程28 m、管径DN 50 mm。

本系统为定时供应热水，贮热水箱总容积应按照定时供应热水总用水量来确定，即热水箱总有效容积不小于18 m3。为此，本工程设置总容积15 m3的集热水箱和总容积15 m3的恒温水箱各一个。

3.2 空气源热泵系统设计

式中：Qg——热泵设计小时供热量（kJ/h）；

k1——安全系数，取1.05；

qr——热水用水定额（本工程为60 L/人·d）；

m——用水计算单位数（使用人数300 人）；

tr——热水温度，60 °C；

tl——冷水温度，取5 °C；

T1——热泵机组设计工作时间（本工程取10 h/d）。

计算结果为Qg=121 kJ/h，选取TFS-SKR760（S）热泵机组4台，单台制热量31 kW，额定功率6.88 kW。考虑在最极端温度情况下（每年冬天1～2 个月的时间），空气源热泵机组制热量为春秋季节标准工况的50%，因此每台机组制热量为15.5 kW，总制热量62 kW，根据上式机组每天需工作19.5 h才能将冷水加热至60 °C，可以满足使用需求，无需设置电辅助加热。

式中：qr——热泵机组设计循环流量（m3/h）；

Qg——热泵机组设计小时供热量（kW）；

Δtj——热泵机组进出口温差（°C），取5 °C；

kr——安全系数，取1.1。

计算结果为qr=22.9 m3/h=6.4 L/s，循环泵扬程为热泵机组循环管路的局部阻力和沿程阻力之和，取20 m。

4 系统控制原理及工况分析[1-8]

空气源热泵作为太阳能系统的辅助热源，整套热水系统优先利用太阳能，在春夏秋三季，当太阳能系统受天气影响而无法满足用户需求时，启动辅助热源进行补充加热；在冬季，太阳能热水系统效率较低，无法满足用户的需求，此时太阳能系统充当预热系统，提升冷水的初始温度，再通过空气源热泵机组制备热水，以供用户端使用。整套热水系统充分利用太阳能，最大限度地降低了运行费用。

4.1 定温上水

当太阳能集热水贮箱出口水温T2达到设定值60 °C时，定温上水电磁阀F1打开，系统自动将加入冷水进集热水贮箱，当集热器出口水温T1降至55 °C时F1关闭，依次周而复始，不断进行补水确保集热水贮箱温度恒定在需求范围内。

4.2 温差循环

当集热器不断产生热水使集热水贮箱达到最高水位h3后，定温上水电磁阀F1不再开启，系统自动比较集热器出口水温T1与热水贮箱出口水温T2，当T1－T2＞8 °C时，集热循环泵P1自动开启温差循环，当T1－T2＜2 °C时，集热循环泵P1停止。

4.3 快速补水

如果恒温用水量较大，从集热水贮箱进行补水，集热水贮箱内的水位快速下降至最低警戒水位h1时，补水电磁阀F1打开，系统快速补水，避免系统断水，当水箱上升至最小水位h2时，系统再次进入初始定温补水过程。

4.4 自动辅助加热

当恒温水箱内T2高于用户用水设定值时，辅助热源不工作；当恒温水箱水温较低，T2低于50 °C时，空气源热泵自动启动进行加热，当T2升至60 °C时，空气源热泵机主关闭，系统停止加热，以保证用户供水温度相对稳定。

4.5 定时定温管道循环

用户供热管路设置供水增压泵，并利用时间控制增压泵启停。一般可根据企业规定的开放时间提前3 min，增压泵开始启动并使管道内冷水回流至水箱中，直至用水时间结束时停止。这样既可以起到增压作用而且确保了即开即热，还可根据管道温度探头T4采用温控循环加热，当T4低于55 °C时，启动管道增压泵，直至T4达到58 °C时关闭管道增压泵。

4.6 防冻循环

当系统进入冬季夜间，为了防止太阳能集热器结冰，影响次日白天的正常集热循环，因此需要进行防冻循环，为了避免将恒温水箱内的温度循环降低，该方案设计与集热水箱进行循环。系统循环泵冬季每启动2 min，停止工作60 min。

5 系统经济性分析

太阳能辅助空气源热泵系统在夏季以及春秋晴好天气完全可以依靠太阳能系统提供全部热水，系统运行费用极低。而在春秋季阴雨天及冬季（约占全年天数的1/3）则主要依靠空气源热泵系统，主要耗电量为空气源热泵耗电量。现以燃气锅炉、太阳能辅助电加热、和太阳能辅助空气源热泵系统进行经济分析对比，其效果见表1。

表1 不同热水系统经济分析

6 施工安装设计要点

（a）太阳能集热器的支架采用热镀锌角钢现场拼装，外做防腐处理。管道支架采用国标热镀锌角钢加喷塑，螺栓采用不锈钢材质。

（b）考虑到高温水具有较大的腐蚀性，集热器之间的连接均采用硅胶管，循环主管道一般也应采用耐腐蚀管材。本工程采用内衬塑钢管，既耐腐蚀又有较好的承压性，可有效减少系统渗漏水且较为经济。

（c）整个太阳能集热器循环管路要考虑系统排气。自动排气阀的位置一般设置在循环进水管、循环回水管与集热器之间。

（d）屋面设备需考虑防雷设计。本工程采用等电位法，将热水设备防雷系统与所安装大楼的屋面防雷系统相连接。

（e）整个系统的保温分为管路系统和热水箱两部分考虑。管路系统外保温采用黑色橡塑管壳，热水箱外保温采用岩棉制品，厚度均按照国家有关规范执行。

（f）由于是改造工程，本工程屋面设备的摆放位置还需参考该栋建筑原结构梁布置，尽可能使主要荷载落在主、次梁上或承重墙上，以避免荷载集中于无支撑屋面板上。

7 结语

本工程空气源热泵系统负荷按照冬季最不利情况计算，为了运行能更灵活，机组数量按4 台布置，没有把电加热作为辅助热源，这主要还是从节能的角度考虑。但作为整套系统维护、保养的备用，笔者建议仍可以适当考虑采用电辅助热水箱，以确保热用水不中断。

从实践效果来看，与燃气锅炉和用电为主的加热方式相比较，太阳能辅助空气源热泵系统的年燃料费用大大的节约了，不仅能很快收回投资成本，从长远的角度看，也为企业带来不小的经济效益。更重要的是从节能环保角度出发，其社会意义重大。

（a）在当前国家着力推行节能减排发展战略的契机下，太阳能和空气能作为一种取之不尽、用之不竭的自然资源应该善加利用，是一种逐步取代高能耗、减少环境污染的产能方式。

（b）太阳能和空气源热泵的制热原理不同，适用条件也不同，虽各有优缺点，但可以做到取长补短，只要系统设计合理，基本能满足全年运行需求。

（c）太阳能辅助空气源热泵系统的自动化程度较高、稳定性好、使用安全可靠。但由于一次性投资仍较高，在一定程度上可能阻碍某些中小企业的节能改造，这需要决策部门从经济上予以支持，助力推广。