空气源热泵与燃气锅炉辅助加热太阳能供热水系统的设计和应用

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(同济大学 机械与能源工程学院，上海 201804)

0 引 言

在建筑领域，太阳能作为一种取之不尽的新型清洁能源，在热水、照明、采暖、电力、制冷等多个方面得到开发和利用。作为新能源的代表，太阳能产业作为主流趋势，太阳能的开发和利用被推上前台，特别是太阳能与建筑优化结构逐渐成为我国太阳能热利用的发展方向，目前已经取得了较好的节能效果[1-5]。由于太阳能随着季节变化比较明显，晴天及阴天的变化也是如此，其辐射量差异较大，从而导致太阳能集热器产热量变化较大。因此，为了满足用户热水需求，设置辅助热源是必不可少的步骤。以空气源热泵运行原理设计的热水系统，是根据逆卡诺循环原理，利用空气中的热量，制热系数一般是3～4，它的高效节能的优点也越来越受到人们的重视。为了使系统足够稳定，燃气锅炉也是必不可少的组成部分。本文参考上海地区气候条件，对空气源热泵与燃气锅炉辅助加热太阳能供热水系统进行了设计计算和设备选型分析，为太阳能热水系统在该地区的太阳能建筑一体化进程以及推广应用提供理论依据[6-11]。

1 供热水系统构成及原理

1.1 系统构成

过热水系统构成图如图1所示。

图1 空气源热泵与燃气锅炉辅助加热太阳能供热水系统原理图

1.2 工作原理

过热水系统工作原理为：出水温度传感器检测水箱的出水温度，把温度高低的信号转变成电信号送到控制器，当太阳能水箱的温度达不到设定温度，即太阳能集热器的出水温度低于设定值时，控制器发出指令，先使热泵机组开始工作。在规定时间内，若仍未能达到所需的温度，那么燃气锅炉开始工作，直到出水温度达到用户要求。在该系统中，空气源热泵与燃气锅炉作为辅助加热动力，热水系统由太阳能集热单元，空气源热泵辅助加热单元和燃气锅炉辅助加热单元体三者组成。当天气状况良好时，热泵单元和燃气锅炉单元不会运行，太阳能单元单独运行的集热量可以满足用户热水负荷要求；当辐射强度不足时，空气源热泵单元启动，对水箱中的水进行辅助加热。当运用太阳能热泵时也未能达到我们的要求，我们再启动燃气锅炉单元，从而使系统满足用户的需求。

2 工程设计案例

2.1 设计说明

太阳能热水系统采用真空管式集热器。太阳能集热器和太阳能集热水箱都安装在小区的屋顶上，使整体排布美观，体现一体化结构。系统配置空气源热泵热水机组和燃气锅炉作为太阳能热水系统的辅助热源。

2.2 工程概况

项目为上海某大学已建学生公寓加建太阳能供热系统，以供学生洗浴，热水用量为19.8 t/d(根据理论计算情况)，热水温度为60 ℃(温度可以根据需求调节)，学生公寓楼共6层,本次太阳能集中供热水系统安装在建筑6层楼屋顶上，力求实现一体化结构。

2.3 太阳能系统设计计算

2.3.1 设计所用气象参数[8]

上海的地理位置：东经121°29′,北纬31°24′，年太阳辐照量为4 497.261 MJ/m2，年日照时数为1 997.5 h，年平均温度约为16 ℃，年平均日太阳辐照量为12.9 MJ/m2，属于太阳能资源可利用区域。

2.3.2 太阳能集热系统面积确定

太阳集热器数量的确定(以冬季为依据)，水温要求为60 ℃，则：

Ac=m*c*ρ*Δt*f/h*ηcd*(1-ηL)。

(1)

式中：Ac为太阳能集热器直接采光面积，m2；m为日均用水量，kg；ρ为水的密度，kg/L；c为水的定压比热容，取4.187 kJ/(kg*℃)；Δt为储水箱进口与出口温差,单位℃；f为最不利条件下太阳能的保证率，无量纲；h为集热器受热面上年均日辐照量，kJ/m2；ηcd为集热器全日集热效率，无量纲；ηL为管路及储水箱热损失率，无量纲[6]。

选取h=12 904 kJ/m2，m=19.8 t，Δt=55 ℃，ρ=1 kg/L，ηL=0.2，f=0.4，ηcd=0.5。

代入(1)，得Ac=353.38 m2。

工程选用热管式真空管型集热器，型号为SLH-50/Φ47-5.1，真空管长度为1 500 mm,集热面积为5.1 m2。根据理论集热面积Ac，计算得出实际集热器数量为353.35÷5.1=69.3组(实际选取70组)，实际集热面积为70×5.1=357 m2。

2.3.3 太阳能集热循环泵设计

水泵分供热水泵和温差循环水泵，是德国·威乐——系列水泵，性能稳定；采用高效叶轮,噪音更小；采用高级密封件，寿命长，不漏水；先进的结构设计，效率高；水量充足。

2.3.4 控制器的选择

控制器是用户操作和使用该太阳能热水系统的门户。因而要求显示面板界面要好，功能清晰，对当前的集热水箱温度、上水管道温度、集热器温度、水箱水位、各个控件状态都一目了然，同时所有功能都可以手动设定和保存。为了使管理和控制更加方便，每个功能都应该具有自动、停止、手动三个档位，以便于维修等方面的需求，另外系统还应具有远程控制功能，有线距离不大于500 m。

2.3.5 储热水箱

根据理论用水量，给单体配备两只10 m3的循环水箱，分别在两侧各安放一只。

2.3.6 控制系统设备

(1)太阳能集热器、水箱温度传感器。

(2)变频供热水装置(保证供水稳定)。

(3)定时补水装置。

(4)辅助加热控制。

(5)锅炉保护装置。

(6)防冻排空装置。

(7)定时回水控制。

2.4 空气源热泵热水系统设计计算

2.4.1 设计参数

由于最不利条件出现在冬季，最冷平均气温约为4 ℃，进水温度约为5 ℃。用水温度：额定温度为60 ℃。设计方式：循环恒温补水加热式，每天理论热水量为19.8 t。

2.4.2 热泵机组运行时间确定

根据热泵机组国家标准规定，热泵机组每天的工作时间(最冷工况)如表1 所示。

表1 热泵机组每天的工作时间

根据该工程的性质，拟定取机组最冷工况的运行时间为18 h，满足系统每日供水的需求。空气源热泵承担最大热负荷的40%。

2.4.3 日耗热量的确定

Qd=0.4*m*c*ρ*Δt/64 800。

(2)

式中：Qd为最高日平均耗热量，kW；m为日均用水量，kg；ρ为水的密度，kg/L；c为水的定压比热容，取4.187 kJ/(kg*℃)；Δt为储水箱进口与出口温差,单位℃。

选取m=19.8 t，Δt=55 ℃，ρ=1 kg/L，代入得Qd=28.15 kW。

2.4.4 热泵机组制热量的确定

Qg=K*Qd。

(3)

式中：Qg为热泵机组设计小时平均耗热量，kW；K为安全系数；Qd为最高日平均耗热量，kW。

选取K=1.05，Qd=28.15 kW，得Qg=29.56 kW。

2.4.5 机组选型配比

对于该系统，考虑到结霜与温度的影响，因而选取综合系数为0.75。则空气源热泵机组的名义制热量：q=29.56/0.75=39.41 kW。

热水系统选择华扬名义制热量为40.32 kW 的机组1台，型号为KRF-845，根据比较计算，所选机组的名义制热量总共为40.32 kW，选型满足所需要求。

2.5 燃气锅炉热水系统设计计算

在冬季最冷月份，燃气锅炉所承担的热负荷

Qboiler=m*c*ρ*Δt-Qsolar-Qpump。

(4)

式中：m为日均用水量，kg；ρ为水的密度，kg/L；c为水的定压比热容，取4.187 kJ/(kg*℃)；Δt储水箱进口与出口温差,单位℃；Qboiler为燃气锅炉在冬季最冷月份每天所承担的热负荷，单位是kJ；Qsolar为太阳能在冬季最冷月份每天所能承受的热负荷，单位是kJ；Qpump为空气源热泵在冬季最冷月份每天所承担的负荷，单位为kJ。

即Qboiler=912 000 kJ。

设计保证锅炉工作半个小时。理论计算可知，需给单体分别配备2台产热量为0.35 MW/H的常压燃气热水锅炉作为辅助加热设备。

3 结 论

空气源热泵与燃气锅炉辅助供热太阳能热水系统，除了有太阳能热水器的优点，还能保证设计系统全天候安全运行，满足用户的用水需求，是高校适宜推广的生活热水系统形式。根据分析典型案例，在上海地区用太阳能一空气源热泵与燃气锅炉组合热水供应系统取代传统热水供应方式具有较大优势，是一项极具开发和应用潜力的技术，大范围推广后可以有效缓解能源紧张的情况，带来良好的环境效益和社会效益。

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