空气源热泵辅助的太阳能热水系统在长沙地区学生公寓的应用研究

冷建雄

湖南中大设计院有限公司

摘要：介绍了空气源热泵辅助的太阳能热水系统的特点和设计思路。以长沙地区某学生公寓为对象，结合设计规范、使用单位的经验数据等，给出了热水系统设备选型计算的合理取值，以及定时供应热水系统的控制策略，并对类似项目的设计提出了建议。

关键词：空气源热泵;太阳能;热水系统

空气源热泵是运用逆卡诺循环原理，以消耗少量电能为代价，采用电动机驱动，蒸汽压缩制冷循环，将环境空气中的低位热能转移到被加热水用以制备热水的设备[1]。空气热能可从自然界连续获取，具有可再生能源的属性[2]。太阳能是一种可再生的清洁能源，具有分布广、储量大的特点，同时具有很强的季节性和地域性，因而太阳能热水系统波动很大。空气源热泵辅助的太阳能热水系统综合运用太阳能和空气源热泵的特点， 在合理的控制下，可以充分发挥各自的优势持续稳定供应热水，同时节省运行能耗。但是作为辅助热源的空气源热泵在长江流域的冬天其应用也有局限性，主要是存在结霜现象，而除霜增加了系统能耗。相对酒店、医院等热水用水需求较高的建筑，学生公寓的热水系统有其特殊性，极端最冷天气学生放假无使用要求，供水时段一般为定时供水等，故空气源热泵的局限基本可忽略，可以带来较好的使用体验。

一、以长沙地区某学生公寓为工程实例

（一）工程概况

该公寓楼总建筑面积10548.23m?，包括2栋公寓，通过二层连廊连接。其中5栋地上六层，床位578个，建筑高度为19.20m;新6舍为地上5层，床位474个，建筑高度为16.1m，均为平屋顶。

（二）热水用水量

根据规范热水用水定额和学校能源中心统计每天学生实际使用热水数据，热水定额取40L每人每天，热水设计温度55°C，新5舍最高日热水量为24.0m?/d，新6舍最高日热水量为19.0m?/d。

（三）空气源热泵热水系统

空气源热泵热水系统满足阴雨天气最高日用水量要求，系统按全日热水量设计，并考虑温度和融霜修正系数K=0.8，新5舍总制热量为52.6KW，新6舍总制热量为120.9KW ，两栋分别选2台直热循环式热泵机，单台制热量为82kw，制热功率20.5kw。

（四）太阳能热水系统

太阳能热水系统考虑最高日用水量、屋顶面积和集热器间的遮挡等综合因素影响，新5舍、6舍分别设计了195m2、210m2集热器。

（五）热水系统设计原理

两栋公寓设计两套独立的太阳能与空气源热泵联用热水供应系统。热水供应系统由太阳能集热器、空气源热泵、配水管网、回水管网、空气源循环水泵、提升水泵、供热水泵、储热水箱、太阳能加热水箱、太阳能循环泵以及各种热水配件组成，系统原理图见（图1）。

1.太阳能集热器 2.空气源热泵 3.储热水箱 4.太阳能加热水箱 5.供热水泵 6.空气源循环水泵 7.提升水泵 8.太阳能循环泵 9.电磁阀 10.电磁阀 11.温度传感器

图1 空气源热泵与太阳能热水系统示意图

（六）系统控制设计

整个热水系统的运行設计采用自动控制， 系统根据水温控制太阳能循环泵、热泵机组及热泵机组循环泵的启停，热水供水泵定时启动。

1、热水供水泵系统控制

（1）本热水系统采用定时供水，即：17：00～22：00（可调）。

（2）供水泵5（P1）提前开启，即：16：45～22：00（可调），非供水时段5、温控阀关闭。在供水时段T4≥45℃（可调）时，温控阀F1关闭;T4<38℃（可调）时，温控阀F1开启。

2、空气源热泵机组2及热泵提升泵7

当T2≥45℃（可调），9打开，10关闭，热水自流入储热水箱;

当T2<45℃（可调），10打开，9关闭，启动7与2，将水加热至55℃，直到3达到S1（100%）即停。

3、储热水箱3与空气源循环泵6

当T3<45℃（可调），启动6与2，直到T3≥55℃时停止6与2。

4、太阳能系统控制

若T1-T2≥8℃时，8启动; 若T1-T2≤3℃时，8关闭。若T1-T2≤3℃时，8关闭，打开泄水阀，将集热器放空。

（六）供热系统工作模式

本系统在太阳能充足时，可优先利用太阳能;当太阳能不足时，能尽可能的利用太阳能，提高空气源热泵的进水初温，从而提高空气能的工作效率，进而节约电能。

1、太阳能单独运行工作模式：在太阳辐射照度充足时，可先利用太阳能制备热水，通过集热器加热的热水进入加热水箱，再由加热水箱中温度传感器选择打开控制阀门，将加热水箱中的热水放至储热水箱。

2、太阳能与空气源热泵共同运行模式：当遇阴雨或多云天气，太阳能辐射照度不足时，太阳能加热水箱中温度传感器选择打开热泵进水管控制阀门，太阳能作为空气源热泵的预热系统，提高源热泵的进水初温，提高热泵运行工况，节约热泵机组的耗电量。

二、系统运行情况

本热水系统于2018年2月投入使用，系统运行一直良好，水温稳定，耗电量明显降低。

三、结语

（一） 热水用水量受季节、收费价格、刷卡方式、南北卫生习惯等诸多因素影响，现在规范定额偏高，对开长沙地区，按40L/人.d足够。

（二）因学生公寓为分时供水， 用水时间集中，故建议将热水加热到供水温度再储存，建议选用直接加热式空气源热泵， 但应复核供水压力等条件能否满足机 组运行要求。

（三）太阳能热水系统采用直接式系统，集热器、管网易结垢，造成因受热不均而爆管，影响太阳能热水系统的使用寿命。故要保证进水水质，在进水处设过滤器，对进水硬度过高时，应软化处理。同时提高管材的质量等级。

（四）因夏季曝晒，集热器中温度比较高，水中的气体会不断析出或发生气化，影响集热器的集热效果。因此，在太阳能系统管道最高处设置排气阀，及时将气体排出，防止气堵产生。

（五）控制系统的设计较为复杂，控制灵敏度要求较高，故自控是系统运行的关键。

（六）系统的可靠运行，离不开定期维检，对存在安全隐患的集热器要及时更换，防止影响整个太阳能系统的正常工作。

四、结语：

空气源热泵与太阳能组合热水系统既能克服单纯依靠太阳能的不可靠性，又能改善空气源热泵的低温运行工况，两者结合能可靠地保证热水的供应，又管理方便、节约经济，符合节能环保的要求和绿色建筑的目标。

参考文献：

[1] 《空气源热泵辅助的太阳能热水系统技术规范》GB/T26973-2011

[2]  空气热能纳入可再生能源范畴的指导手册

[3]《建筑给水排水设计规范》GB50015-2003（2009年版）

[4]章霞芳，太阳能热水系统与空气源热泵的组合设计[B]，公用工程设计，1007-9467（2012）09-0097-03