太陽能和空氣源熱泵熱水系統在浴室中的應用

潘軍剛

（中國石油大學（華東） 后勤管理處，山東 青島 266580）

1 工程概況

青島某高校第12#學生宿舍樓，建筑面積13000m2，入駐學生人數1000人，屋頂原有太陽能集熱面積140m2，水箱容量為8m3.學生通過刷智能IC卡進行洗浴消費.由于太陽能集熱系統沒有輔助加熱系統，陰雨天氣條件下，無法產水熱水，且存在供水不足及忽冷忽熱現象，洗浴效果不理想，學生意見較大.經考察論證，從可行性、穩定性、經濟、環保等多方面綜合分析，決定在保留原有太陽能熱水系統的基礎上，通過加裝空氣源熱泵來改善洗浴條件，使熱水供應能夠滿足該浴室的使用要求.

2 空氣源熱泵介紹

空氣源熱泵熱水系統采用逆卡諾循環原理，以空氣為低溫熱源，利用少量的電能做功從低溫側吸收熱量來加熱生活用水.它是一種高效節能且環保的設備，空氣源熱泵熱水系統具有很大的節能潛力.空氣源熱泵系統在青島地區能效比（COP）超過3.0，具有能效高、運行費低、環保、節能等特點，完全可以滿足冬季采暖及生活熱水的需求[1].

3 空氣源熱泵負荷計算

根據熱量計算公式：Q=C·M·△t

空氣源熱泵總負荷為：Q=1000Х8Х51=408000（kcal）

式中：Q—系統加熱所需的總熱負荷，kcal；

C—水的比熱4.187kj/（kg.℃），而4.187kj=1kcal，經過換算得出：C=1000kcal/（T.℃）；

M—系統配置的總水量，m3；

△t—最不利氣候條件下的起始水溫與終了水溫的差值，本系統為55℃-4℃=51℃，山東地區冬季自來水水溫設計為4℃[2].

根據某品牌空氣源熱泵機組性能（COP）曲線，如圖1所示，空氣源熱泵機組在標準環境溫度（20℃）的COP值為4.46，山東青島冬季COP修正系數取0.60.則根據公式Q′=Q/（860hk）,該學生宿舍樓熱水系統每小時的熱負荷為：

圖1 某品牌超低溫熱泵機組COP曲線圖

Q'=408000/(860Х14Х0.6)=56.5(kw)

式中：Q'—系統每小時需要的熱負荷kw；

Q—系統加熱所需的總熱負荷kcal；

860—系統電熱值kcal/kw；

h—最長工作時間（指冬季，最大工作時間一般不超過16小時為宜，本工程取最大工作時間以14小時計算）；

k—COP修正系數，山東青島地區取0.60.

4 設備選型

4.1 熱泵

根據熱負荷計算結果，熱泵系統的每小時制熱量必須大于等于系統需要的小時熱負荷，才能滿足冬季氣候條件的加熱產水要求.所以，根據某品牌10P高效超低溫空氣源熱泵機組DE-92W/DW的運行技術參數表，查得10P低溫熱泵機組單機制熱量為39.5kw，由此可知，要滿足系統在最不利工作條件下的加熱需求，熱水系統需要配置10P高效超低溫熱泵機組的數量為：DE-92W/DW(10P)1臺，DE-46W/DW(5P)1臺.

4.2 循環水泵

根據工程實際，考慮系統循環水泵的循環水量，對每臺熱泵機組配置1臺熱水循環水泵，具體型號如表1所示.

表1 循環水泵配置表

4.3 增壓水泵

為消除原有熱水系統存在供水不足及忽冷忽熱等現象，可以通過配置熱水增壓水泵來解決.按照《建筑給水排水設計規范》GB50015-2009對增壓系統的設計要求，系統恒壓熱水供水增壓泵設計配置為PH-1500Q(Q=12m3/h，H=25m，P=1.5kw)，采用定時增壓供水的控制方式.

4.4 控制系統

保留原來太陽能熱水控制系統，改造后的熱水系統如圖2所示.空氣源熱泵熱水機組與原保溫水箱連接，系統控制方式為：熱泵機組通過放置在系統保溫水箱內的水溫探頭自動檢測系統保溫水箱內的水溫，當水箱內的水溫低于系統設置的水溫上限（默認為55℃，可調節）5℃或以上時，熱泵循環水泵及熱泵主機將獲得啟動信號而運行進行循環加熱（熱泵循環水泵先于熱泵主機啟動），直到保溫熱水箱內的水溫達到系統設置的水溫上限值（55℃，可調）時，熱泵主機自動調為待機狀態.后，熱泵主機和熱泵循環水泵將獲得水箱水溫探頭輸出的停止循環加熱工作信號.如此往復，確保保溫熱水箱內的水溫保持在標準供水水溫范圍之內，保證熱水供水質量.

圖2 熱水系統布置圖

5 節能效益分析

5.1 全年輔助加熱天數計算

工程熱水總量按照8T計算，每天8噸熱水（55℃）系統的總熱負荷Q為360000kcal.經查閱《工程設計標準化—全國各地太陽能輻照量資料表》，可知青島每天傾斜表面平均太陽能輻射量為16.104MJ/（m2.日），原系統配置太陽能集熱器的總集熱面積為140m2，太陽能集熱吸收率取0.7，太陽能輻射率為55%，由此可以推算，該宿舍樓太陽能全年的輻射熱量為：

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

全年這么多熱量能產的熱水量為（設計自來水全年平均溫度為10℃，則冷熱水溫差為45℃）：

M太陽=Q太陽/（C.△t）

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

根據以上計算可知，全年需要輔助加熱的熱水量為：

M輔助=8T/天×280天（不含寒假、暑假）-1796T=444T

即全年輔助加熱天數累積相當于：

d=444T÷8T/天 =55.5天

5.2 全年能耗用量對比如表2所示：

表2 不同的太能陽輔助加熱方式運行能耗對比

通過以上對比發現，空氣源熱泵輔助太陽能熱水系統的運行費用較低，分別為電輔助加熱和燃氣鍋爐輔助加熱系統的22.5%和52.5%，節能效果非常顯著.

6 結語

6.1 太陽能熱水系統在沒有輔助加熱設備的情況下，由于受多種因素影響，熱水供應不穩地，影響洗浴效果，在人員比較密集學生公共浴室中尤為明顯.

6.2 空氣源熱泵具有熱效高、節能、環保、安裝方便、系統穩定、使用壽命長等優點，在青島地區可以作為太陽能熱水系統的輔助熱源.

6.3 與其他輔助熱源相比，空氣源熱泵輔助太陽能熱水系統的節能效益非常顯著.

〔1〕李素花，代寶民，馬一太.空氣源熱泵的發展及現狀分析[J].制冷技術，2014,34（1）：42-48.

〔2〕中國建筑標準設計研究院.全國民用建筑工程設計技術措施給水排水 (2009年版)[M].北京:中國計劃出版社,2009.