浅析太阳能—空气源热泵并联热水系统的设计

甘云

（广东省建筑设计研究院有限公司，广东广州 510010）

0 引言

太阳能热水系统分为直接加热系统与间接加热系统，项目采用直接加热系统，系统由储热水箱、循环设备及控制设备组成，利用太阳能集热器，在阳光的照射下使光能转化为热能，进而将热能转移到水中。空气源热泵为一种利用空气作为低温热源来制取生活热水的设备，系统由空气源热泵、循环系统和蓄水箱组成，空气源热泵热水器通过消耗部分电能，把空气中的热量转移到水中[3]。三亚地处我国南部，太阳能和空气能都十分充足，通过两个系统并联设置，充分利用低成本清洁热源，实现经济、节能、环保的要求。

1 项目概况

该项目位于海南省海口市，地上12 层，地下1 层，建筑1～3层为功能性用房，建筑层高3.0m，4～12 层为客房区域，客房区域层高3.8m，生活冷水泵房设置在负一层地下室，标准层客房为25间。由于建筑屋面造型、布局等原因，导致屋面可以设置太阳能板的面积有限，故该工程以太阳能为辅热，空气能热泵为主要热源，当太阳能充足时，直接利用太阳能将热水加热至所需温度，当太阳能不足时，利用热泵将热水加热至所需温度。

2 工程设计

2.1 水量计算机系统分区

酒店区域位于建筑4～12 层，总的客房数为209 间，单间客房人数按2 人计算，得出客房区总人数为418 人。根据《建筑给水排水设计规范（GB 5015—2003）》（2009 年版）（以下简称《建水规》）5.1.1 条，设计热水用水量取150L/床位·d，计算得出客房区域热水用水量如表1 所示。

根据计算，酒店区域最高日热水用水量为68.97m3/d，最大时用水量为8.62m3/h。

热水系统竖向分成两个分区，低区为4～8 层，高区为9 层至12 层，根据《建水规》5.3.1.2，设计小时耗热量计算公式如下：

式中：Qh-设计小时耗热量，kJ/h；M-用水计算人数；qr-热水用水定额，L/床·d；C-热水比热，C=4.187kJ/kg·℃；tr-热水温度，tr=60℃；t1-冷水温度，t1=15℃；ρr-热水密度，kg/L；T-每日使用时间，T=24h；Kh-小时变化系数，Kh=3。

计算得出低区设计小时耗热量为806689.8kJ/h，高区设计小时耗热量为645351.8kJ/h。

表1 热水用水量计算

2.2 太阳能热水系统

本工程高区设计热水用水量为30.65m3/d，低区设计热水量为38.32m3/d，由于屋面造型限制，能够布置太阳能集热板的屋面面积约468m2，选用的太阳能集热板规格为2m×1m，海口地区纬度为20°02′，经计算，集热器安装间距为0.249m，考虑一定的检修空间，本工程安装间距取0.30m，经布置，该建筑屋面可以设置的集热器总面积为240m2。根据《建水规》5.4.2A.1，直接加热供水系统集热器总面可按下式计算：

式中：Ajz-直接加热集热器总面积，m2；f-太阳能保证率，取0.5；Jt-集热器采光面上年平均太阳能辐照量，kJ/（m2·d）；ηj-太阳能集热效率，取0.45；η1-储水箱和管路的热损失率，取0.25。得出高区所需的集热面积为570.36m2，低区所需的集热面积为713.09m2，由于屋面条件限制本工程可以设置集热器的面积约为240m2，考虑系统设置的经济性及合理性，仅在高区设置太阳能热水系统。太阳能集热系统储热水箱计算公式如下：

式中：Vrx-储热水箱有效容积，L；Aj-集热器总面积，m2；qrjd-集热器单位面积平均每日产热水量，L/m2·d，取60L/m2·d。计算得出太阳能热水系统所需的储热容积为14.4m3。

集热器循环流量计算公式：

式中：qx-集热系统循环流量，L/s；qgz-单位采光面积集热器对应的工质流量，L/s·m2，取0.017L/s·m2；计算得集热器循环流量16m3/h，扬程为14m（扬程计算从略）。

2.3 空气源热泵热水系统

对于空气源热泵热水系统，根据《建水规》及国标图集06SS127，最高日平均秒耗热量的计算如下式：

式中：Qd-最高日平均秒耗热量，kW；Qr-最高日热水量，m3/d。

经计算高区最高日平均秒耗热量为59.75kW，低区最高日平均秒耗热量为74.69kW。

设计小时平均秒耗热量计算公式如下：

式中：Qrh-设计小时平均秒耗热量，kW。经计算高区设计小时平均秒耗热量为179.09kW，低区设计小时平均秒耗热量为224.38kW。

热泵机组的制热量计算公式为：

式中：Qg-热泵机组设计小时平均秒供热量，kW；T1-热泵机组设计工作时间，取15h；K1-安全系数，取1.10。计算得出高区热泵热水机组设计小时平均秒供热量为105.17kW，低区热泵热水机组设计小时平均秒供热量为131.46kW。

热泵热水系统中储热容积计算公式为：

式中：Vr-储热总容积，m3；η-有效储热容积系数，本工程采用卧式储热水罐上出水水箱，该值取0.8。经计算，高区储热容积为5.39m3，低区储热容积为6.77m3，结合储热水罐产品参数及太阳能热水系统储热容积需求，高区储热容积取16m3，设置两个热水灌，单个热水灌容积8m3。结合储热罐产品参数，低区储热容积取10m3，设置两个热水灌，单个热水灌容积取5m3。

热泵机组设计循环流量计算公式为：

式中：qrx-热泵机组设计循环流量，m3/h；Qg-热泵机组的设计小时平均秒供热量，kW；Δtj-热水机组进出口温差，取5℃；K4-安全系数，取1.1。得出低区热泵循环流量为25m3/h，扬程为15m，高区热泵循环流量为20m3/h，扬程为10m（扬程计算从略）。

2.4 系统控制

对第一循环系统，低区仅为空气源热泵热水系统，当检测到储热水箱温度T1不大于45℃时，空气源热泵启动循环加热模式，当检测到储热水箱温度T1不小于55℃时，空气源热泵停止加热，系统处于待机状态。高区为太阳能热水系统与空气源热泵热水系统并联设置，系统检测储热水箱温度T1和太阳能集热器温度T2，当T2-T1不小于5℃时，启动太阳能循环泵强制循环，当T2-T1不大于2℃时，关闭太阳能循环泵，对空气源热泵，当水箱温度T1小于45℃时，启动空气源热泵机组进入加热模式，当水箱温度T1不小于55℃时，空气源热泵热水系统停止加热。当水箱温度不小于65℃时，需停止加热避免发生烫伤，在太阳能集热器水温达到75℃时，启动空气冷却器进行降温。

对第二循环系统，检测热水回水管道温度T3，当T3不大于45℃，且T1-T3不小于5℃时，回水泵开启，当T3不小于50℃时，回水泵关闭，以保证用水末端得到适宜温度的热水。

3 结语

该项目地处海南省海口市，太阳能和空气能都十分充足，设计中充分利用当地的自然条件，选择太阳能—空气源热泵并联的热水系统。在系统的设计时，需要结合两系统各自的特点，对于储热设备，分别计算两系统所需储热容积后取大值，对加热设备规格、循环流量、扬程分别计算选取，控制系统需要合理设置控制节点，使系统节能、高效、稳定运行。