太阳能与空气源热泵双热源热水系统的设计与研究

2023-12-04周津津

现代制造技术与装备 2023年10期

周津津

（方特设计院（厦门）有限公司，厦门 361000）

为了解决能源短缺问题，实现可持续发展，我国大力推行清洁能源。据调查，我国建筑能耗占社会总能耗的比重较大，而生活热水能耗是建筑能耗的重要组成部分[1]。选择合适的生活热水制备方式，已经成为目前的研究重点。

1 工程概况

某酒店位于天津市滨海新区，建筑面积为40 364.27 m2，建筑总高度为31.95 m。该酒店地下1 层为人防停车场、设备机房和后厨等后勤用房，地上8 层主要为包房、棋牌室、会议室和客房（共310 间）。该项目设置集中热水供应系统，供应范围为酒店全区域。酒店最高日热水用量为86.75 m3，最大时热水用量为11.29 m3。

2 热源选择和系统构成

太阳能作为一种可再生绿色能源，因运行成本低成为目前热源的主要选择[2]。天津市位于中纬度欧亚大陆东岸，属大陆性气候，日照时间较长，年日照时间为2 500 ～2 900 h，年平均日辐射量为16.340 MJ·m-2·d-1，太阳能资源较丰富，满足集热器布置要求。因此，本项目选择太阳能作为主要的热源。单一太阳能系统受日照影响较大，而且考虑建筑美观性，需将太阳能集热器集中安装在楼顶平屋面，但是本项目屋面面积无法满足集热板的布置需求。空气源热泵作为一种新兴的可再生能源，已广泛应用于寒冷地区建筑生活热水制备，且太阳能和空气源热泵复合热源具有能耗低、年运行费用相对较少、碳减排量相对较多等优点。因此，本项目选用空气源热泵来补足太阳能集热板的加热量，并设置电热水机组进行热水二级辅助加热，保证热水供应，形成太阳能+空气源热泵+电辅助加热的集中热水系统。其中，太阳能换热子系统由太阳能集热板、集热循环泵、板式换热器、换热循环泵、补液装置以及膨胀罐等构成，空气源热泵换热子系统主要由空气源热泵机组、循环泵等设备构成。同时，本设计采用双水箱系统，分别设置集热水箱和贮热水箱。

3 系统工作原理

整个热水系统的工作原理如图1 所示。当太阳能集热器出口热水温度T1与集热水箱热水温度T2的差值大于设定值时，启动集热循环泵P1 和换热循环泵P2，将产生的热能传递给集热水箱中的低温水。当T1和T2的温差小于设定的循环停止温度时，循环泵停止运行，60 ℃热水从集热水箱流向贮热水箱。当集热水箱的热水温度T2＞60 ℃（可根据运行情况调整）而贮热水箱的热水温度T3＜55 ℃（可根据运行情况调整）且水箱满水位时，开启循环泵P3，进行水箱间温差循环，减少电辅热的启动次数。当贮热水箱的热水温度T3＜55 ℃（可根据运行情况调整）时，空气源热泵换热子系统自动开启，循环泵启动。随着贮热水箱内的热水水温升至55 ℃，空气源热泵和循环泵停止运行。阴雨天气或者冬季，太阳能换热子系统和空气源热泵换热子系统无法满足热水需求时，可利用电热水机组进行二级辅助加热，将贮热水箱中的热水从45 ℃加热至55 ℃。此外，集热水箱和贮热水箱设有自动补水系统，根据太阳能辐射强度、水箱热水温度和末端热水用水量等情况自动启停。

图1 太阳能+空气源热泵+电辅助加热集中热水系统示意图

此系统在满足热水供应的前提下，能够优先利用太阳能，高效利用空气能，降低低效电能的使用[3]。当酒店处于淡季或者夏季热水需求低时，可通过调低水箱水位减少储存的热水，降低空气能热泵的运行负荷，以达到节水节能、降低运营成本的目的。

4 太阳能+空气源热泵+电辅助加热系统设计

4.1 热水耗热量计算

该项目的设计小时耗热量和平均日耗热量分别根据《建筑给水排水设计标准》（GB 50015—2019）的6.4.1 条和6.6.3 条计算，即

式中：Qh为设计小时耗热量，kW；Kh为小时变化系数；m为用水计算单位数；qr为最高日用水定额；C为水的比热容，取4.187 kJ·kg-1·℃-1；tr为热水温度，取60 ℃；t1为冷水温度，取4 ℃；T为每日使用时间，h；ρr为热水密度，kg·L-1；Cr为热水供应的热损失系数，取1.15。

式中：Qmd为平均日耗热量，kW；qmr为平均日用水量定额；b1为同日使用率，取0.7。

酒店不同区域的用水单位、用水定额、使用时间、时变化系数和计算结果如表1 所示。

表1 生活热水耗热量

4.2 太阳能集热器面积计算

根据《建筑给水排水设计标准》（GB 50015—2019）的第6.6.2 条，计算太阳能热水系统的集热器总面积，公式为

式中：Ajz为直接太阳能热水系统集热器总面积，m2；f为太阳能保证率，取80%；bj为集热器面积补偿系数，取1；Jt为平均太阳辐照量，取16 340 kJ·m-2·d-1；ηj为年平均集热效率，取31%；η1为热损失，取30%。

经计算，所需集热器总面积为3 587 m2。由于酒店建筑造型占据部分屋面空间，屋面仅能设置789 块集热板，集热板面积约为1 578 m2，仅能满足酒店44%的热水用水需求，因此本项目选用空气源热泵弥补供热量共计的不足。

4.3 空气源热泵设备选型

本项目选用空气源热泵作为第2 种热源，将贮热水箱中的水加热至55 ℃。假定热泵机组每日设计工作时间为12 h，则按表1 的热水用水定额计算，可知空气源热泵每小时需供应301.11 kW 的热量。因此，本项目选用6 台名义制热量为65 kW 的循环型空气源热泵。

4.4 热水箱计算

本项目采用双水箱系统，集热水箱用于收集太阳能热量，贮热水箱用于供应热水，水箱间设置循环泵。水箱有效容积根据《建筑给水排水设计标准》（GB 50015—2019）的6.6.5 条和6.5.11 条进行计算，即

式中：Vrx为集热水箱有效容积，L；qrjd为集热器单位轮廓面积平均日产60 ℃热水量，取80 L·m-2；Aj为集热器总面积，m2。

式中：V为贮热水箱有效容积，m3；Tz为热水贮存时间，取1 d。

经计算，集热水箱有效容积约为77 m3，贮热水箱有效容积约为146 m3。可见，本项目选用的水箱既满足太阳能和空气源热泵水箱的设计要求，又能避免冬季空气源热泵性能降低导致热水供应不足的风险。

4.5 防冻措施与水压平衡措施

太阳能换热子系统防冻控制主要用于防止冬季期间太阳能集热器因冻胀而损坏。当集热器出水温度T1或集热器底部温度T4低于防冻温度设定值（设定10 ℃）时，太阳能换热子系统的循环泵启动，逆向换热，进行防冻循环。热回水及集热水箱和贮热水箱之间的管道也应采用防冻循环措施，防止管道结冻损坏[4]。

本项目冷热水分区严格，并采用上行下给的供水方式，减小上下层配水的压差。循环管道采用同程布置，使各用水点压降基本相等，且底部回水横管设有压力调节阀，避免水流短路。热水设计中选用合适的循环泵扬程至关重要，但是实际项目中由于施工过程中管线的影响，循环泵的计算往往较为复杂且存在较大误差。为解决冷热水压力不平衡的问题，本项目设置变频器，以便根据实际情况调整循环泵扬程[5]。实际项目中，热水管路通常会长于冷水管路，且板式换热器具有较大阻力。为了避免末端用水点位冷热水压力差过大，利用板式换热器和集热水箱间的内循环泵来平衡冷热水压力。

5 系统优势

太阳能与空气源热泵耦合既能满足当前新建建筑有效利用太阳能的规范要求，也能够解决太阳能集热器日照不足时无法工作以及空气源热泵在冬季性能不佳的问题。该热水系统利用运行成本低的太阳能，提高贮热水箱的最低温度，降低空气源热泵的运行负荷。酒店热水需求量低时，仅开启太阳能换热子系统或部分空气源热泵主机即可，不仅可以避免能源浪费，也能够降低运营成本。双水箱系统储热能力强、稳定性高、升温快，为酒店热水稳定供应增添一道保障。