太阳能与空气源热泵复合生活热水系统在酒店中的应用探讨

柳红军

（北京东方华脉工程设计有限公司，北京 100089）

0 引言

为加快我国节能减排的步伐，落实建设节约型社会和可持续发展战略，传统的燃煤、燃油锅炉越来越受到挑战，可再生能源的应用成为备受鼓励和支持的应对措施之一。

太阳能作为一种可再生的绿色能源，是以太阳能作为加热能源对水资源进行加热的一种供水系统，目前已经成为建筑生活热水系统中的一个重要选择。空气源热泵作为一种新兴的可再生能源已广泛应用于我国长江中下游的夏热冬冷地区，随着热泵技术的发展，其应用范围已逐渐扩大到了寒冷地区，而且出现了专门制备生活热水的低环境温度用空气源热泵冷水机组。风景名胜区开发五星级酒店周边一般无稳定、可靠的余热、废热、地热，且多数风景名胜区远离市区，也无市政热力管网及区域性锅炉房。其生活热源的选择局限于太阳能、空气源热泵、地源热泵、燃油、燃气热水机组等。鉴于太阳能、空气源热泵都有各自的特点和适用条件，单独使用时不能获得良好的效果，现在越来越多的科研工作者、厂家工程师、建筑给排水设计师倾向于将两者结合使用。

1 太阳能+空气源热泵+电辅助加热集中热水系统构成、工作原理及控制模式设计

1.1 系统构成

太阳能+空气源热泵+电辅助加热集中热水系统包括太阳能换热子系统和空气源热泵换热子系统，集中式生活热水供热系统由太阳能换热子系统、空气源热泵换热子系统与电子恒温混合阀组串接而成。其中太阳能换热子系统主要由太阳能集热板、热媒循环泵、风冷散热器、半容积式换热器及膨胀罐等设备组成。空气源热泵换热子系统主要由空气源热泵机组、热媒循环泵、半容积式换热器及膨胀罐等设备组成。系统组成见图1。

1.2 系统工作原理

生活热水集中供热系统由太阳能+空气源热泵+电辅助加热单元组成，当太阳辐射较强时由太阳能换热子系统对生活热水的冷水补水进行预热，预热后的生活热水进入串联的空气源热泵换热子系统，当进入的预热水温度不超过50℃（可设定）时，自动启动空气源热泵，由空气源热泵加热管道内的热媒进行换热，当容积式换热器内的温度达到50℃后，由于热媒与热水的温差较小，热泵换热的效率很低，则空气源热泵自动停止加热，热水由后续的电辅助加热装置将水温提升至设定的出水温度，由于热水温度探测灵敏度不高及控制的延迟性，在半容积式热水器出水管后串接一套电子恒温混合阀组，以保持出水温度的恒定。整套热水系统充分利用太阳能，最大限度地降低运行费用。该热水系统由智能控制器控制，自动化运行，可实现无人值守。

1.3 系统控制模式的设计

太阳能+空气源热泵+电辅助加热集中热水系统运行的关键是最大限度地利用太阳能制取生活热水，当太阳能不满足要求时，自动启动空气源热泵加热。

1.3.1 连续运行控制温度控制

当太阳能集热器出口温度T与半容积式热水器底部热水温度T的差值大于设定上限时（根据实际运行情况可调整），控制器控制太阳能子系统热媒循环泵开启，将集热器产生的热能传递给半容积式热水器内的冷水补水，当T与T的差值达到设定下限时（根据实际运行情况可调整），循环泵停止运行，随着集热器温度的升高，T与T的差值逐渐达到设定上限值，换热系统进入一个新的循环状态。上述过程是一个不断反复的过程，直到半容积式热器内的出水温度达到系统设定热水出水温度时，系统进入休眠状态，体现优先利用太阳能的原则。

图1 太阳能+空气源热泵+电辅助加热集中热水系统示意图

当太阳能换热子系统出水温度T小于50℃时（根据实际运行情况可调整），其后串接的空气源热泵换热子系统自动开启，循环泵启动，空气源热泵启动供热，半容积式换热器内热水温度升高，当半容积式热水温度T达到50℃时（根据实际运行情况可调整），空气源热泵停止工作、循环泵停止，空气源热泵的启动台数可根据生活热水用量自动切换投入，循环泵流量由变频器控制，随生活用水量及温度的变化而变化。当T达到50℃以后（根据实际运行情况可调整），其后设有电辅助加热的容积式换热器底部设有自动测温装置，当检测温度T低于50℃时，空气源热泵热媒管上的电动阀自动开启，热媒循环换热，T达到50℃以后，电动阀自动关闭，热水由50℃至热水设定出水温度的温差由电辅助加热装置提供。此设置能尽量利用高效的空气能，降低低效的电能使用。

空气源热泵换热子系统之后串接一套电子恒温混合阀组，当换热器出水温度T高于热水系统出水设定温度时，电子恒温阀组的相关阀门开始动作，补充冷水或热水系统回水量，以保持出水温度的恒定。

通过设在热水系统回水循环泵前的温度探测装置测定系统回水温度，当回水温度T低于回水设定温度55℃时（根据实际运行情况可调整），热水回水循环泵启动，直至回水探测温度达到回水设定的停泵温度时停泵。

1.3.2 防冻控制

防冻控制主要针对太阳能换热子系统而言，当集热系统的热媒管道内采用自来水或软化水作为热媒介质时，集热器出水的探测温度T低于4℃时，太阳能换热子系统的循环泵启动，此时逆向换热，由半容积式换热器热水侧换热至太阳能热媒侧，防止冬季（尤其夜间）太阳能集热系统因冻胀而损坏，当集热水出水探测温度T高于6℃时（根据实际运行情况可调整），循环泵停止。当采用乙二醇或其它具有防冻功能的热媒时，循环泵的启动温度可设置得更低，当所在地区的极端低温高于防冻液的结冻温度时，循环泵可不启动。

1.3.3 过热防护

过热防护主要针对太阳能换热子系统而言，当集热系统的热媒管道内采用自来水或软化水作为热媒介质时，集热器出水的探测温度T高于75℃时（可根据水质硬度情况调整），为防止热媒系统管道内结垢而影响换热器的换热效果，此时热媒管道上串接在换热器前的风冷散热器电动阀打开，热媒水进入风冷散热器散热，直至集热器管道内的温度低于设定的热媒系统可正常运行的高限值；或当半容积式换热器内的温度T达到生活热水系统出水温度时，热媒管道上串接在换热前的风冷散热器电动阀打开，热媒水进入风冷散热器散热，直至集热器出水管道内的温度低于设定的热媒系统可正常运行的高限值。

2 工程方案案例

2.1 工程概况

项目位于浙江省宁波市镇海区九龙湖镇，用地位置依山傍水，项目定位为五星级旅游酒店，建筑总高度为20.2m，建筑层数为4 层（无地下室），客房含单人间、双人间及套间，总计188 间。该项目的生活热水用水情况见表1。该项目仅一路市供水，为保证酒店供水安全（不影响营业），酒管要求市政进水后在生活水泵房内贮存最高日一天生活用水量，酒店除垃圾场地面清洗外，其余所有部位的生活用水均生活水泵房的变频泵加压供水，生活给水系统竖向不分区。该工程设置集中热水供应系统，为确保冷、热水系统压力平衡，冷、热水均采用同源供水。项目所在地距城区较远，无可资利用的废热资源、无市政热力、无燃气管线，属太阳能资源一般区、夏热冬冷。根据项目所在地条件，拟采用太阳能+空气源热泵+电辅助加热集中热水的供应系统。

2.2 生活热水耗热量计算

根据当地供水部门提供的水温数据，本项目冷水计算温度按10℃计，各用水部门的用水定额、用水单位、小时变化系统数、使用时数等见表1。该工程设计小时耗热量按式（1）计算。

式中：Q－设计小时耗热量（kW/h）；K－小时变化系数；m－用水计算单位数（人数或床数）；q－热水用水定额L/人·次）；C－水的比热[kJ/kg·℃] ，C=4.187（kJ/kg·℃）；t－热水温度（℃），tr=60℃；t－冷水温度（℃）；ρ－热水密度（kg/L）；C－热水供应系统的热损失系数，C=1.10～1.15；T－每日使用时间（h）。设计小时耗热量按同一时间内出现的用水高峰的主要用水部门的设计小时耗热量，加其他用水部门的平均小时耗热量计算。酒店各功能区设计小时耗热量计算结果见表1。

2.3 生活热水换热器计算及选型

由于太阳能换热子系统换热时，热媒与热水的温差在5℃左右，且在太阳辐射充足热水温度未达到热水系统设定的出水温度时，热媒循环泵在设定温差下自动循环，无法按照换热器选型设定参数进行选型，其选型可参照空气源热泵换热子系统选定。

表1 生活热水耗热量计算

根据《建筑给水排水设计标准》GB50015-2019 第6.3.6条第5 款，全日集中热水供应系统中的较大型公共浴室、洗衣房（该项目仅有简易洗衣房无热水供应）、厨房等耗热量较大且用水时段固定的用水部位，宜设单独的热水管网。因此，太阳能换热子系统后的半容积式换热器分客房区（含客房及泳池淋浴）和厨房区（含健身中心、厨房及员工淋浴用水）设置。则客房区的最大小时耗热量为596kW，厨房区的小时耗热量为183kW，生活热水综合最大小时耗热量为704 kW。由于空气源热泵在COP 值较高且耗电量较低时产生热水的温度一般为55℃，循环回水温度50℃，该项目生活热水为间接换热系统，热媒温度较低，温差小，半容积式换热器中需要较大的换热面积，因此选用换热器的总传热面积按式（2）计算。

式中：F－换热器总传热面积（m）；Q－换热器设计小时供热量（kW/h）；ƹ－水垢和热媒分布不均匀影响传热效率的系数，采用0.6～0.8；K－传热系数[W/（m·℃·h）]，K值按传热系数的80%选取；ΔT－热媒与被加热水的计算温度差（℃）。

经计算，客房区的总换热面积为40.6m，选用3 台型号为L1600-4.0-17.0-0.6/1.0-H 立式波节管半容积式水加热器，3 台总有效容积为9.6m， 满足最小贮热量要求（设计最大小时耗热热水量为2.5m/h），同时也满足酒店要求为每个客贮37L 热水量的需求。其中出水侧的一台换热器内设电辅助加热装置，功率为180kW。

经计算，厨房区的总换热面积为12.5m，选用2 台型号为L1400-3.5-10.0-0.6/1.0-H 立式波节管半容积式水加热器，3 台总有效容积为5.6m，其中出水侧的一台换热器内设电辅助加热装置，功率为55kW。

太阳能换热子系统选用3 台型号为L1600-4.0-17.0-0.6/1.0-H 立式波节管半容积式水加热器，3 台总有效容积为9.6m。

2.4 热泵机组选型

空气源热泵设计气象参数：冬季空气调节室外计算温度-1.5℃，最冷月平均干球温度5.9℃。酒店内生活热水综合最大时耗热量为704.07 kW，取710 kW；酒店内泳池的耗热量约为90 kW。空气源热泵供热按泳池耗热量与生活热水耗热量之和进行选型。空气源热泵按某品牌低温型选用，低温型机组名义制热量工况：室外环境干/湿球温度7℃/6℃，与最冷月平均干球温度相接近。选用名义制热量为64 kW 的低温型机组14 台，按冬季空气调节室外计算温度为-1.5 ℃校核时，14 台低温机组校正制热量为750 kW，为最大时耗热的0.94 倍，考虑冬季入住率及用水习惯，基本可以满足制热量的需求。

3 结语

集中生活热水供应采用太阳能+空气源热泵+电辅助加热系统具有运行效率高、稳定可靠、安装维护方便、产业链完备、根据项目所处位置的气候特点设备可进行灵活组合等优点，且有较好的经济和环境效益。该系统可有效克服太阳能辐射不足，阴、雨、雪天气时，太阳能无法产生所需生活热水的缺点；通过电辅助加热措施也可克服空气源热泵出水温度普遍在55℃左右，无法直接将热水加热至设定出水温度的缺点。但是该系统也存在自身特有的缺点，因采用太阳能及空气源热泵均为间接加热，换热效率较直接式加热系统低；空气源热泵冬季运行时在湿度较大地区容易凝霜，影响泵组的产热效率，除霜措施在工程设计时也是重点考虑的内容；运行时的温度设定对系统的产热效率也有一定影响，合理的温度设定及自动运行才能达到最大限度利用空气源热泵节能的目的。