太阳能及空气源联合热水系统设计探讨

解战虎（中航长沙设计研究院有限公司，湖南　长沙　410000）



太阳能及空气源联合热水系统设计探讨

解战虎（中航长沙设计研究院有限公司，湖南长沙410000）

本文介绍了太阳能及空气源联合热水系统的原理、分类及用范围，同时介绍了太阳能以空气源设计计算时需考虑的因素及参数的选择。

太阳能；空气源；热水

1　应用背景

随着经济发展，节能减排的大力实施以及《民用建筑绿色设计规范》和《建筑节能设计标准》等技术规范的出台，太阳能热水水系统得到快速的发展，但太阳能的辅助热水一直是广大设计设计者头痛的问题，由于电辅热的使用受到限制，燃气热源的后期运行费用过高，从而孕育了空气源辅热系统。

2　应用范围

由于空气源目前的工作环境温度为-7℃，因此空气源的使用也受到地理条件的限制，我国长江以南地区可以优先考虑空气源做为太阳能系统的辅助热源。同时由于太阳能空气源联合热水系统初期投资较大，因此比较适合应用在规模较大的集中热水系统。

3　系统原理及分类

（1）整个系统由太阳能集热系统及空气源机组两部分组成，包括太阳能集热板、太阳能热水循环泵、热水水箱、空气源热水机组、空气源热水循环泵、生活热水循环泵及控制器等。

（2）系统分类

①依据水箱可将系统分为单水箱和双水箱，见图1～2。

图1　单水箱系统原理图

图2　双水箱系统原理图

②依据太阳能和空气源组合形式可分为并联式和串联式，见3～4。

图3　并联式系统原理图

图4　串联式系统原理图

（3）设计运行工况

太阳能及空气源联合热水系统主要运行工况为以下几种：

（1）太阳能系统直接加热生活热水。在日照充足的白天，系统按此工况工作，此时太阳能热水循环泵的工作由系统控制器根据太阳能集热器和热水水箱水箱进行控制。

（2）空气源辅助太阳能集热系统加热生活热水。当光照不足或阴雨天时，太阳能集热系统不足以使生活热水水箱温度达到设计温度，则启动空气源热水机组加热热水，当水箱温度达到设定值时，空气源热水机组自动关闭。

（3）太阳能和空气源热水机组同时加热生活热水。在日照良好情况下，如果热水系统的耗热量大于太阳能集热系统的有效供热量或太阳能集热器的数量少，不能满足热水系统的用热需求，则太阳能和热泵机组同时工作向热水系统供热。系统采用自动温差控制循环加热，根据太阳能热水系统的运行情况、环境状况，结合空气源热泵的性能特点来自动切换热泵机组的运行，最大限度少开机或不开机，从而确保热水在不低于设计温度供应下限的前提下，为太阳能的充分利用提供保障，同时也为机组的节能利用和安全运行提供可靠的保证。

（4）空气源热泵机组直接加热生活热水。在连续的雨雪天气，热水系统所需热量完全由空气源热泵机组提供。此时，太阳能系统处于待机状态，热泵机组单独工作对热水水箱加热。

4　设计计算及参数选取

4.1水量选择

由于该系统以太阳能系统为主，因此热水用水定额依据规范取下限，详见表1。

表1　

4.2太阳能系统计算

式中：Ac——直接系统太阳集热器采光面积，m2；

Qw——日均用水量，kg；

tend——储水箱内水的终止温度，℃（设计用水温度）；

Cw——水的定压比热容，4.18kJ/（kg·℃）；

ti——水的初始温度，℃（依据当地最冷月平均水温确定）；

Jt——倾角等于当地维度时，倾斜表面平均日太阳总辐照量，kJ/m2·d；

f——太阳能保证率，%；根据系统使用期内的太阳辐照、系统经济性及用户要求等因素综合考虑后确定，宜为30～80%；

ηcd——集热器的年平均集热效率；根据经验取值宜为0.25～0.50，具体数值应根据集热器产品的实际测试结果而定；

ηL——贮水箱和管路的热损失率；根据经验宜取值为0.20～0.30。

（2）太阳能集热面积的补偿计算

当集热器的的方位角偏离正南和倾角不等于当地维度时，集热器面积应按下式计算：

式中：A——补偿后的集热面积（m2）；

R——对应集热器安装倾角、方位角时的面积补偿比。（参照06SS128附录二选取）

4.3空气源系统计算

由于太阳能受天气影响严重，考虑到最不利运行工况，因此空气源应按日均用水量考虑。

式中：Qg——热泵机组设计小时平均秒供热量，kW；

T1——热泵机组工作时间，h；

k1——安全系数，（1.05-1.10）。

式中：q——单台产品样本中的名义制热量 （标准工况下室外环境温度20℃DB/15℃WB，进水温度15℃，出水温度55℃）；

K2——使用地区室外计算温度修正系数；

室外计算温度应根据建筑用水安全性及用水要求确定：民用住宅以冬季供热室外计算干球温度（历年平均不保证5d的日平均温度）计；营业建筑以冬季空调室外计算干球温度（历年平均不保证1d的日平均温度）；星级酒店以及重要场所以最低日平均温度计。

K3——机组融霜系数，每小时融霜一次取0.9，两次取0.8；

n——机组台数。

4.4水箱计算

4.4.1单水箱

由于太阳能与空气源均为不稳定热源，因此采用单水箱时，水箱有效容积应为Qw。

4.4.2双水箱

式中：qrjd——集热器单位采光面积的平均每日产水量（根据产品实测结果确定），L/m2·d；

式中：T0——贮热时间（按最大小时用水时间确定），h；

Qrh——设计小时热水量，h；

4.5水泵计算

4.5.1太阳能循环泵

式中：qxz——单位采光面积对应的工质流量，由厂家提供（可按0.015～0.020取），L/s.m2；

式中：hjx——集热系统循环管道的沿程与局部阻力损失，kPa；

（热水流速：DN15～DN20，≤0.8m/s；DN25～DN40，≤1.0m/s；≥DN50，≤1.2m/s）

hj——循环流量流经集热器的阻力损失，由厂家提供，（无资料可按0.5kPa/m2），kPa；

hz——集热器顶与贮热水箱最低水位的几何高差，kPa；

hf——附加压力（取20～50），kPa。

4.5.2空气源循环泵

式中：Qg——热泵机组的设计小时平均秒供热量，kW；

△tj——热泵机组进出口温差（根据机组的工作模式选定，分出水温度恒定和升高水温恒定两种），℃；

ρr——热水密度，kg/L；

Hkx——空气源系统循环管道的沿程与局部阻力损失，kPa；

（热水流速：DN15～DN20，≤0.8m/s；DN25～DN40，≤1.0m/s；≥DN50，≤1.2m/s）

Hk——空气源机组入口压力，kPa；

Hkf——附加压力（取20～50），kPa。

5　存在问题

（1）由于目前空气源热泵的技术的限制，空气源只能在平均温度较高的地区应用。

（2）太阳能与空气源联合热水系统自动控制较为复杂，同时初期投资较大。

［1］《太阳能集中热水系统选用与安装》（06SS128）.

［2］《热泵热水系统选用与安装》（06SS128）.

［3］《建筑给水排水设计规范》（GB50015-2003，2009版）.

解战虎（1984-），男，研究生，工程师，主要从事给排水设计等工作。

TU83

A

2095-2066（2016）19-0133-02

2016-6-20