太阳能—空气源热泵热水系统在学校公寓的设计应用

诸葛梦晴

桂林建筑规划设计集团有限公司 广西 桂林 541000

在我国城化进程不断加快的背景下，人们生活水平的不断提高，学校公寓数量的增加。公寓内的学生们日常生活所需热水，以学校公寓为例，仅依靠建筑内部现有的热水设备，不仅无法满足学生们日常生活所需的热水，而且还存在着用水时间集中、用水量大等问题。为解决学生公寓热水供应问题，本文介绍了一种太阳能—空气源热泵热水系统在学校公寓的设计应用。

1 工程概述

某高校学生公寓位于桂林市雁山区，用地面积20740m2，建筑面积为26743.87m2，共包含7栋多层学生公寓，设计学生总人数2314人。7栋学生宿舍一层均为架空活动层，二～六层（七层）为学生公寓。工程采用全热水系统，利用太阳能集热器吸收太阳辐射并将其转化为热能后加热生活用水，再由生活用热水箱储存生活用水，经过冷、热水管道将生活用水输送至各个建筑内部。太阳能集热器与空气源热泵机组的选型应根据建筑物的功能需求、建筑环境特点以及太阳能资源状况来确定。该项目为普通公寓，太阳能资源条件较好，夏季太阳辐射强度高，夏季较长，且有充足的阳光照射，太阳能利用率较高；冬季太阳辐射强度低，气温低且晴天多，太阳能利用率较低。

2 太阳能—空气源热泵热水系统相关概述

太阳能-空气源热泵热水系统是一种结合太阳能和空气源热泵的高效、环保的热水供应系统。该系统利用太阳能将太阳能集热器中的热量传递到空气源热泵中，使其加热水箱内的水。同时，在低光照条件下，空气源热泵还可以通过回收空气中的热能来加热水。这种系统具有高效节能、环保、安全可靠等优点，适用于各种规模的建筑物，如住宅、商业、学校、医院等。在太阳能-空气源热泵热水系统中，太阳能集热器是主要的热源，其作用是将阳光转化为热能，然后将热能传递到空气源热泵中[1]。空气源热泵则将吸收的热能通过压缩制冷剂的方式进行加热，然后将加热后的水输送到用户的用水系统中。太阳能-空气源热泵热水系统的优点包括：

在高效节能方面，太阳能和空气源热泵的完美结合利用了自然资源的巨大潜力，并能够实现超过90%的能源转化效率，是理想的环保型供热解决方案。

环保方面，系统在运行过程中不会使用任何化石燃料，因此不会产生二氧化碳等对环境有害的气体和废水，实现了零排放，体现了对自然环境的充分尊重和保护。

在安全性方面，系统的设计考虑了各种可能的风险和挑战，设置了多重保护机制。过载保护能防止因负载过大导致的系统崩溃，过热保护可以在设备过热时自动切断电源，防止火灾的发生，漏电保护则可以保证在电气系统出现故障时及时切断电源，保护人身安全。这些保护机制确保了系统的安全运行，降低了各种潜在的风险。

在应用方面，系统适用于各种规模的建筑物，包括住宅、商业建筑、学校、医院等。这意味着在各种场景中，太阳能和空气源热泵的结合都能提供高效节能的解决方案，既降低了能源消耗，又减少了碳排放，有利于保护环境，符合绿色可持续发展的理念。

在维护方面，系统结构简单，维护方便。这意味着用户在遇到问题时，可以快速找到问题所在，减少了维护成本和维修时间。此外，由于系统的设计注重简化和模块化，在后续的升级和维护过程中，也更容易进行，进一步提高了系统的稳定性和可靠性。各种场景中，太阳能和空气源热泵的结合都能提供高效节能的解决方案，既降低了能源消耗，又减少了碳排放，有利于保护环境，符合绿色可持续发展的理念。

3 太阳能—空气源热泵热水系统设计应用要点

3.1 明确设计依据

该项目所处区域为我国的南方地区，四季分明，气候宜人。全年日照时数达1550，年平均气温为19℃，年平均降水量为1949.5mm，冬季平均气温在7℃左右，全年无霜期300天左右。该区域全年气候条件优越，有利于太阳能资源的利用。

根据《建筑给排水设计标准》（GB50015-2019）中的相关规定：“集中热水供应系统的热源应通过技术经济比较,并应按下列顺序选择:（1）采用具有稳定、可靠的余热、废热、地热,当以地热为热源时,应按地热水的水温、水质和水压,采取相应的技术措施处理满足使用要求；（2）当日照时数大于1400h/a且年太阳辐射量大于4200MJ/m及年极端最低气温不低于-45℃的地区，采用太阳能；（3）在夏热冬暖、夏热冬冷地区采用空气源热泵。”本项目可利用当地的气候条件进行太阳能—空气源热泵热水系统的设计，满足学生公寓内生活用水所需。

3.2 制定总体设计方案

本项目位于某高校内，热水系统包括太阳能集热系统与空气源热泵机组两部分。其中太阳能集热系统包括：太阳能集热器、集热器支架、保温水箱以及自动控制系统等；空气源热泵机组包括：空气源热泵主机、水箱及管道等。本项目中，由于学生宿舍使用热水时间集中，用水量大，且各用水房间之间距离较远，因此在热水系统中采用太阳能与空气源热泵结合的形式作为主要的热源。该方案设计中，太阳能集热系统的集热器采用集热器支架上安装有不锈钢翅片的铜管制作而成的太阳能集热器；空气源热泵机组采用带式真空管集热和空气能相结合的方式作为主要的热源；水箱采用不锈钢制做而成，同时为了保证供水水质以及保温性能，水箱内壁喷涂有聚氨酯保温材料[2]。

3.3 选择合适的系统控制方式

在案例工程太阳能—空气源热泵热水系统设计中应用为最大限度上发挥出该系统的优势，将太阳能集热板、热水箱、空气源热泵机组、回水循环泵等结构布置在宿舍楼顶，太阳能集热储热水箱和接入器之间布置一个集热循环泵。集热循环泵的启动、停止从中通过集热器出水口温度和热水箱中布置的温度传感器来控制，当集热器出水口位置的温度和热水箱中水体的温度差超过8℃时启动集热循环泵，当二者之间的温度差小于2℃时停止集热循环泵。并于太阳能集热储热水箱和空气源热泵之间布置一个换热循环泵，换热循环泵的启动和停止通过储热水箱中水体的温度进行控制，当储热水箱中水体的温度低于50℃时，空气源热泵自动启动，当储热水箱中水体温度被加热到60℃后，空气源热泵自动停止。为保证太阳能—空气源热泵热水系统中冷热水压力的一致性，缓解热水箱和管路的水损问题，可于热水箱出水管之上布设一个微型管道泵，在热回水管之上布设一个回水循环泵，通过热水箱出水干管和循环泵吸水管之上的温度传感器来实时监测水体温度差，若温度差超过5℃启动，空气源热泵，当水体温度差小于2℃后停止空气源热泵，以维持热干管内部水体的温度始终处于稳定状态，从而为学生提供24小时热水服务。

3.4 热水管网设计

本工程在进行太阳能—空气源热泵热水系统设计中为提升应用效果，将热水管网中的横干管敷设在公寓楼顶，沿着水流方向应有至少0.003°的坡度，供水管越走越高，循环管沿着水流方向不断下降，为保证供水的有效性，需在供水管高出布设可自动开启和关闭的排气阀，在循环管最低处布置一个排污阀。并于干管之上布置一个波纹管补偿器，若立管需要穿越楼板，需要在立管和楼板相互接触的位置加装套管，套管内径应比热水管外径至少大2号，间隙处应填塞上密封防水填料。太阳能—空气源热泵热水系统中的蓄热水箱、热水供水干管/立管、循环干管/立管等存在热量损失的位置，需要通过保温材料裹覆，以减少热量损失。本工程采用聚苯乙烯作为保温材料，此种保温材料的导热系数为0.41W/（m·℃），满足学校公寓对热水温度的要求。储热水箱可通过硬质聚氨酯泡沫塑料裹覆保温，各设备在保温材料裹覆之前，还需进行防腐处理，以提升使用寿命。在正常工况下，热水管道中的水体流速在0.8m/s～1.2m/s即可满足学生对热水供应的需求[3]。为保证热水供应的连续性，本工程在进行太阳能—空气源热泵热水系统设计应用中采用了双水箱定温配置系统，自来水补水及热水均补到集热水箱，使用热水由供热水箱接出，补水控制方式可采用补水电磁阀进行控制，以最大限度上保证补水在合理的范围中。

3.5 主要设备设计

3.5.1 保温水箱设计

为确保太阳能—空气源热泵热水系统在正常使用状态下24小时的自然温度降幅在5℃内，保温水箱选用了厚度为1.0mm的SUS304#食品级不锈钢。水箱内部填充了厚50mm的聚氨酯发泡。外壳则选用了厚度为0.8mm的201#不锈钢。如此配置旨在使标准情况下的24小时自然温度降幅不超过5℃。每个储热水箱均内设有水位压力传感探头和水温感应探头，以实现自动化控制：在阳光充足的条件下，水位压力传感探头在水位低于设定水位时自动打开进水电磁阀，向集热器注入自来水，将水加热至设定水温后泵入水箱，直至水箱充满热水，水位压力传感探头关闭并进入温差循环模式[4]。同时，水箱内的水温感应探头检测水箱内水的温度，当储热水箱水温低于集热器内出口水的温度10℃（温度可调）时，集热循环水泵自动启动，系统开始循环增温，直至水箱内的水温和集热器出水温度的温差小于5℃（可调）时集热循环水泵停止运行，这样可最大限度地利用太阳能热能。若在阴雨天或光照不足的情况下，水位压力传感探头检测到水箱水位低于最低设定水位时进水电磁阀将自动打开向水箱内注入自来水，同时启动空气源热泵机组进行加热，直至水温达到设定温度55℃时自动关闭辅助热源系统。

3.5.2 管道设计

在进行太阳能—空气源热泵热水系统设计应用中，运输和供水管道选用 PPR热水管，旨在确保水质清洁且寿命长，不易变形。考虑到冬季水管可能冻住并影响热水系统的供热效果，我们外露的热水管道、主管道选用PPR保温一体管，以保护管道免受光照和雨淋的自然老化、防止热量的损失。为了保证每个喷淋能够立即使用热水，减少水资源的浪费，洗澡用水循环管道配备了定温循环功能。当用水时段来临时，如果室内用水管道上的探测温度低于设置温度，电磁阀将自动打开，循环泵会启动将管道中的冷却水注入水箱；当管道温度达到设置温度时，电磁阀会自行关闭，确保用户打开喷淋后能够迅速获得热水。

3.5.3 泵体设计

本工程在应用太阳能—空气源热泵热水系统时，为提升应用效果，满足学生24小时使用热水的需求，共计配置了三种不同功能的泵：太阳能集热系统循环泵、空气源热泵循环泵，以及热水供水泵。这些泵主要在高温热水环境中运行，因此，采用了热水循环泵。热水供水泵配备了变频增压泵，以确保用户在用水时流量和压力的稳定性。它的工作原理是：当系统管网压力低于用户设定的压力时，检测控制系统自动启动加压水泵变频软启动运行[5]。当水泵出水总管的实际压力与用户设定的压力相等时，监控控制系统将控制加压水泵以保持实际压力与用户设定压力相同。当管网中的水压力升高时，加压水泵的转速将降低；当管网中的水压力降低时，加压水泵的转速将升高。当管网水的压力与用户设定压力相等时，加压水泵将停止运行。通过监控系统管网压力的差异，可实现能源的节约。空气源热泵循环泵在进行设计中需要严格按照热泵机组稳定运行额定流量的要求选择合适泵体，太阳能循环泵流量计算公式如下：

此公式中q为循环泵的实际流量（L/h），A为太阳能集热器的最大集热面积（㎡），QS为集热循环泵的流量（L/h）。太阳能—空气源热泵热水系统在运行中由于太阳辐射量具有不确定性，因此，太阳能热水系统的集热循环流量，通常情况下需要按照每平方米集热器的流量为0.01～0.02L/s进行考虑，也就是36～72L/（h·㎡），通过计算可知工程采用的太阳能—空气源热泵热水系统中太阳能热水系统的循环流量，再按照此流量选择扬程合适的泵体[6]。

4 结束语

综上所述，结合理论实践，分析了太阳能—空气源热泵热水系统在学校公寓的设计应用，分析结果表明，和传统热水系统相比，太阳能—空气源热泵热水系统在节能、稳定、供热效率等方面有非常明显的优势，可满足学校公寓对24小时热水供应的需求，而且此系统采用了清洁绿色能源，不存在二次污染。但太阳能—空气源热泵热水系统结构组成比较复杂，设计难度比较大，影响因素多，任何一个细节考虑不当，都会影响到最终的应用效果。因此，在具体应用中必须结合工程项目的实际情况，进行综合分析，选择合适的技术、参数、设备，才能发挥出太阳能—空气源热泵热水系统的优势和作用。