养老院太阳能集中热水系统设计探讨

赖婷华

1.项目概况

厦门海沧区第二社会福利院总建筑面积28844.24 m2，主要服务对象为老年人。有2 栋养护楼及1 个地下室。1#养护楼建筑高度37.2m，共有 288 个床位；2#养护楼建筑高度22.5m，有150 个床位、日间照料中心、餐厅、洗衣房，地下室为车库、人防及设备机房。因屋面面积充足，可满足太阳能集热所需。为保证建筑外立面呈现的效果，集热器设于屋面，不考虑放置于侧墙及阳台，集热器设于屋面应注意女儿墙高度，避开日照不足区域。

2.气象条件

本项目位于厦门市海沧区，年平均温度为20.9℃，最热月平均温度27.8℃，最冷月平均温度12.6℃。为太阳能资源三类地区，年平均日照时长约2233.6h，水平面年太阳辐射总量为5062MJ/m2·a。利用太阳能产热制备热水几乎不耗能，仅热水循环泵及供水泵需耗能。从节能的角度看是一种极好的清洁能源，应优先考虑太阳能制热，但太阳能在阴雨天气及夜晚无法制热属于不稳定热源，因此需考虑辅助热源。空气源热泵是以空气为低温热源的热泵，室外温度在-10℃～50℃范围内可以全天候制热。室外最冷月气温在10℃以上有很好的节能效果，因此在阴雨天气等极端气候的情况下，空气源热泵可以很好地为太阳能热水系统提供辅助热能。

3.系统设计

3.1 系统设计原理

在光照充足时，当太阳能集热器内温度传感器所探测到的温度值与集热水箱底部温度传感器所探测温度值之差△T大于设定值时（一般为5℃～8℃），系统将向太阳能循环水泵发出启泵信号，太阳能循环水泵启动，将水箱底部较低温度的水打入太阳能集热器，当温差值△T 达到下限3℃左右，太阳能循环水泵停泵，如此反复把集热水箱中的水加热。当集热水箱底部温度传感器温度大于等于60℃时，太阳能循环水泵停泵。供热水箱补水由集热水箱通过转输水泵供给，当供热水箱内水位降低到补水下限水位时转输泵打开补水，当供热水箱水位上升至最高水位时，转输泵关闭。当供热水箱中水温低于设定的下限温度值50℃时，热泵自动启动，热泵加热系统开始对供热水箱内的水加热，当探测到供热水箱内的水温达到上限设定温度55℃时，温控仪自动控制热泵循环加热系统停止运行。

3.2 太阳能集热器比选

将太阳的辐射能转换为热能是太阳能利用的关键，集热器的选择对太阳热水系统起着至关重要的作用。太阳热水系统集热器主要有三种类型：全玻璃真空管太阳能集热器、平板型太阳能集热器、热管真空管太阳能集热器，各类型集热器性能对比如表1。经对比本项目采用热管式真空管集热器。

表1 各类集热器性能

3.3 系统冷热水压力平衡问题

本项目热水系统仅设一个分区，节能要求充分利用市政供水管网压力供水。太阳能热水系统采用开式系统供热水箱和热水供水泵联合供水，若低层冷水由市政直供，市政压力波动会导致市政供水管网直供的楼层热水用水点冷热水压力不平衡。为解决此问题，所有热水用水点的冷水均采用恒压变频供水泵供水，热水供水泵扬程应与相应供水范围的给水泵压力协调，保证系统冷热水压力平衡。低层非热水用水点如冲厕，拖把池等采用市政直供。另外，在用水终端浴室淋浴器配备定温混合阀，既可防止老年人烫伤又可保证出水冷热水压力平衡。

4.工程案例分析

本工程采用双水箱强制循环直接加热系统，系统原理如图1。太阳能热水系统分栋设置，取1 号养护楼为一个完整的系统来分析。厦门市自来水水质硬度在32.3～75.5 之间，无需对原水进行水质软化处理。热水出水口设置银离子消毒器消毒。热水管网采用同程供水，上行下给（见图1）。

图1 空气源热泵辅助太阳能集中热水系统原理图

4.1 热水用水定额

表2 热水用水定额

设计热水平均日用水量：

其中m为用水计算单位数；qr为热水用水定额（L/人·天），计算太阳能热水时应按平均日定额计算。平均日耗热量：

设计小时耗热量：

4.2 集热器面积计算

式中：cA—系统集热器总面积（m2）；qrd—设计日用热水量（L/d）；C— 水的定压比热容；C=4.187[kJ/（kg·℃）]；te—贮水箱内水的设计温度，60℃；tl—水的初始温度，15℃；f —太阳能保证率（%）；取50%。JT—倾角等于当地纬度时，倾斜表面平均日太阳总辐照量（MJ/m2·d）；取13.8MJ/m2·d。η — 集热器的年平均集热效率（%）；取70%。ηL—贮水箱和管路的热损失率（%）；取10%。

经计算得集热器面积为：337m2。集热器安装倾角取25°，安装方位角为南偏西14°。集热器面积补偿比为100%。故实际集热器面积不变仍为337m2。

集热水箱有效容积按设计热水平均日用水量20.16m3。

4.3 太阳能循环泵选型

4.4 空气源热泵选型

辅助热源空气源热泵设计应按系统最不利情况考虑，如最冷月份及阴雨天。全天热水均由空气源热泵提供。厦门最冷月平均气温为12.6℃。

热水系统最高日热水量：

其中热水定额qr按最高日用水定额取值。

集中热水供应系统设计小时热水量Qrh=Qrkh/24=31.68×2.4/24=3.168m3/h。其中kh为小时变化系数，取2.4。

（1）热泵机组的制热量计算：

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（h）；取20h。K1—安全系数；取1.05。热泵机组的制热量Qg 为76.1KW。

供热水箱有效容积：

式中：贮热时间0T取2h。

（2）空气源热泵的名义制热量：

式中：q—名义制热量（kW）；Qg—机组设计小时平均秒供热量（kW）；k2—使用地区室外计算温度的修正系数；k3—融霜修正系数，每小时融霜一 次取0.9，两次取0.8。q=76.1/0.7=108.7KW；

需3 台制热量37KW/台空气源热泵。

（3）空气源热泵循环泵流量：

式中：qrx—设计循环流量（m3/h）；Qg—设计小时平均秒供热量（kW）；Δtj—进出口温差（℃），取5℃；k4—安全系数，可取k4=1.10。

选用3 台供水泵，每台空气源热泵配一台循环水泵，循环水泵不备用（单泵流量5m3/h，扬程10m）。一台循环泵检修其他2 台泵对应的热泵机组仍可运行。

5.节能效益分析

太阳能保证率f 按0.5 取值，则全年有一半的热水需要通过空气源热泵制热。厦门市年平均室外气温 20.9℃，查得热泵机组COP 约4.0，与电辅助加热相比，可节约（1 -0.25）×100%=75%的电能。而太阳能制备热水不耗能，仅循环泵组少量耗能。则整个方案的能耗相比于全部电加热的情况节能87.5%。全年1#楼热水系统耗热量为340311.8 kW·h/ a。节约能耗297772 kW·h/ a，由此带来的二氧化碳减排量268吨/年。同时屋面设置的太阳能板在夏季吸收太阳能，阻挡太阳直射屋面，降低顶楼室内气温。减少了空调制冷的能耗，达到双重节能效果。