太阳能和空气源热泵热水系统在浴室中的应用

潘军刚

（中国石油大学（华东） 后勤管理处，山东 青岛 266580）

1 工程概况

青岛某高校第12#学生宿舍楼，建筑面积13000m2，入驻学生人数1000人，屋顶原有太阳能集热面积140m2，水箱容量为8m3.学生通过刷智能IC卡进行洗浴消费.由于太阳能集热系统没有辅助加热系统，阴雨天气条件下，无法产水热水，且存在供水不足及忽冷忽热现象，洗浴效果不理想，学生意见较大.经考察论证，从可行性、稳定性、经济、环保等多方面综合分析，决定在保留原有太阳能热水系统的基础上，通过加装空气源热泵来改善洗浴条件，使热水供应能够满足该浴室的使用要求.

2 空气源热泵介绍

空气源热泵热水系统采用逆卡诺循环原理，以空气为低温热源，利用少量的电能做功从低温侧吸收热量来加热生活用水.它是一种高效节能且环保的设备，空气源热泵热水系统具有很大的节能潜力.空气源热泵系统在青岛地区能效比（COP）超过3.0，具有能效高、运行费低、环保、节能等特点，完全可以满足冬季采暖及生活热水的需求[1].

3 空气源热泵负荷计算

根据热量计算公式：Q=C·M·△t

空气源热泵总负荷为：Q=1000Х8Х51=408000（kcal）

式中：Q—系统加热所需的总热负荷，kcal；

C—水的比热4.187kj/（kg.℃），而4.187kj=1kcal，经过换算得出：C=1000kcal/（T.℃）；

M—系统配置的总水量，m3；

△t—最不利气候条件下的起始水温与终了水温的差值，本系统为55℃-4℃=51℃，山东地区冬季自来水水温设计为4℃[2].

根据某品牌空气源热泵机组性能（COP）曲线，如图1所示，空气源热泵机组在标准环境温度（20℃）的COP值为4.46，山东青岛冬季COP修正系数取0.60.则根据公式Q′=Q/（860hk）,该学生宿舍楼热水系统每小时的热负荷为：

图1 某品牌超低温热泵机组COP曲线图

Q'=408000/(860Х14Х0.6)=56.5(kw)

式中：Q'—系统每小时需要的热负荷kw；

Q—系统加热所需的总热负荷kcal；

860—系统电热值kcal/kw；

h—最长工作时间（指冬季，最大工作时间一般不超过16小时为宜，本工程取最大工作时间以14小时计算）；

k—COP修正系数，山东青岛地区取0.60.

4 设备选型

4.1 热泵

根据热负荷计算结果，热泵系统的每小时制热量必须大于等于系统需要的小时热负荷，才能满足冬季气候条件的加热产水要求.所以，根据某品牌10P高效超低温空气源热泵机组DE-92W/DW的运行技术参数表，查得10P低温热泵机组单机制热量为39.5kw，由此可知，要满足系统在最不利工作条件下的加热需求，热水系统需要配置10P高效超低温热泵机组的数量为：DE-92W/DW(10P)1台，DE-46W/DW(5P)1台.

4.2 循环水泵

根据工程实际，考虑系统循环水泵的循环水量，对每台热泵机组配置1台热水循环水泵，具体型号如表1所示.

表1 循环水泵配置表

4.3 增压水泵

为消除原有热水系统存在供水不足及忽冷忽热等现象，可以通过配置热水增压水泵来解决.按照《建筑给水排水设计规范》GB50015-2009对增压系统的设计要求，系统恒压热水供水增压泵设计配置为PH-1500Q(Q=12m3/h，H=25m，P=1.5kw)，采用定时增压供水的控制方式.

4.4 控制系统

保留原来太阳能热水控制系统，改造后的热水系统如图2所示.空气源热泵热水机组与原保温水箱连接，系统控制方式为：热泵机组通过放置在系统保温水箱内的水温探头自动检测系统保温水箱内的水温，当水箱内的水温低于系统设置的水温上限（默认为55℃，可调节）5℃或以上时，热泵循环水泵及热泵主机将获得启动信号而运行进行循环加热（热泵循环水泵先于热泵主机启动），直到保温热水箱内的水温达到系统设置的水温上限值（55℃，可调）时，热泵主机自动调为待机状态.后，热泵主机和热泵循环水泵将获得水箱水温探头输出的停止循环加热工作信号.如此往复，确保保温热水箱内的水温保持在标准供水水温范围之内，保证热水供水质量.

图2 热水系统布置图

5 节能效益分析

5.1 全年辅助加热天数计算

工程热水总量按照8T计算，每天8吨热水（55℃）系统的总热负荷Q为360000kcal.经查阅《工程设计标准化—全国各地太阳能辐照量资料表》，可知青岛每天倾斜表面平均太阳能辐射量为16.104MJ/（m2.日），原系统配置太阳能集热器的总集热面积为140m2，太阳能集热吸收率取0.7，太阳能辐射率为55%，由此可以推算，该宿舍楼太阳能全年的辐射热量为：

Q太阳=16.104MJ/（m2.日）×1000KJ/MJ÷4.2KJ/kcal×365日/年×140m2×0.75×55%=80821950kcal

全年这么多热量能产的热水量为（设计自来水全年平均温度为10℃，则冷热水温差为45℃）：

M太阳=Q太阳/（C.△t）

=80821950kcal÷1000kcal/（T.℃）÷45℃=1796T

根据以上计算可知，全年需要辅助加热的热水量为：

M辅助=8T/天×280天（不含寒假、暑假）-1796T=444T

即全年辅助加热天数累积相当于：

d=444T÷8T/天 =55.5天

5.2 全年能耗用量对比如表2所示：

表2 不同的太能阳辅助加热方式运行能耗对比

通过以上对比发现，空气源热泵辅助太阳能热水系统的运行费用较低，分别为电辅助加热和燃气锅炉辅助加热系统的22.5%和52.5%，节能效果非常显著.

6 结语

6.1 太阳能热水系统在没有辅助加热设备的情况下，由于受多种因素影响，热水供应不稳地，影响洗浴效果，在人员比较密集学生公共浴室中尤为明显.

6.2 空气源热泵具有热效高、节能、环保、安装方便、系统稳定、使用寿命长等优点，在青岛地区可以作为太阳能热水系统的辅助热源.

6.3 与其他辅助热源相比，空气源热泵辅助太阳能热水系统的节能效益非常显著.

〔1〕李素花，代宝民，马一太.空气源热泵的发展及现状分析[J].制冷技术，2014,34（1）：42-48.

〔2〕中国建筑标准设计研究院.全国民用建筑工程设计技术措施给水排水 (2009年版)[M].北京:中国计划出版社,2009.