太陽能及空氣源聯合熱水系統設計探討

解戰虎（中航長沙設計研究院有限公司，湖南　長沙　410000）

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太陽能及空氣源聯合熱水系統設計探討

解戰虎（中航長沙設計研究院有限公司，湖南長沙410000）

本文介紹了太陽能及空氣源聯合熱水系統的原理、分類及用范圍，同時介紹了太陽能以空氣源設計計算時需考慮的因素及參數的選擇。

太陽能；空氣源；熱水

1　應用背景

隨著經濟發展，節能減排的大力實施以及《民用建筑綠色設計規范》和《建筑節能設計標準》等技術規范的出臺，太陽能熱水水系統得到快速的發展，但太陽能的輔助熱水一直是廣大設計設計者頭痛的問題，由于電輔熱的使用受到限制，燃氣熱源的后期運行費用過高，從而孕育了空氣源輔熱系統。

2　應用范圍

由于空氣源目前的工作環境溫度為-7℃，因此空氣源的使用也受到地理條件的限制，我國長江以南地區可以優先考慮空氣源做為太陽能系統的輔助熱源。同時由于太陽能空氣源聯合熱水系統初期投資較大，因此比較適合應用在規模較大的集中熱水系統。

3　系統原理及分類

（1）整個系統由太陽能集熱系統及空氣源機組兩部分組成，包括太陽能集熱板、太陽能熱水循環泵、熱水水箱、空氣源熱水機組、空氣源熱水循環泵、生活熱水循環泵及控制器等。

（2）系統分類

①依據水箱可將系統分為單水箱和雙水箱，見圖1～2。

圖1　單水箱系統原理圖

圖2　雙水箱系統原理圖

②依據太陽能和空氣源組合形式可分為并聯式和串聯式，見3～4。

圖3　并聯式系統原理圖

圖4　串聯式系統原理圖

（3）設計運行工況

太陽能及空氣源聯合熱水系統主要運行工況為以下幾種：

（1）太陽能系統直接加熱生活熱水。在日照充足的白天，系統按此工況工作，此時太陽能熱水循環泵的工作由系統控制器根據太陽能集熱器和熱水水箱水箱進行控制。

（2）空氣源輔助太陽能集熱系統加熱生活熱水。當光照不足或陰雨天時，太陽能集熱系統不足以使生活熱水水箱溫度達到設計溫度，則啟動空氣源熱水機組加熱熱水，當水箱溫度達到設定值時，空氣源熱水機組自動關閉。

（3）太陽能和空氣源熱水機組同時加熱生活熱水。在日照良好情況下，如果熱水系統的耗熱量大于太陽能集熱系統的有效供熱量或太陽能集熱器的數量少，不能滿足熱水系統的用熱需求，則太陽能和熱泵機組同時工作向熱水系統供熱。系統采用自動溫差控制循環加熱，根據太陽能熱水系統的運行情況、環境狀況，結合空氣源熱泵的性能特點來自動切換熱泵機組的運行，最大限度少開機或不開機，從而確保熱水在不低于設計溫度供應下限的前提下，為太陽能的充分利用提供保障，同時也為機組的節能利用和安全運行提供可靠的保證。

（4）空氣源熱泵機組直接加熱生活熱水。在連續的雨雪天氣，熱水系統所需熱量完全由空氣源熱泵機組提供。此時，太陽能系統處于待機狀態，熱泵機組單獨工作對熱水水箱加熱。

4　設計計算及參數選取

4.1水量選擇

由于該系統以太陽能系統為主，因此熱水用水定額依據規范取下限，詳見表1。

表1　

4.2太陽能系統計算

式中：Ac——直接系統太陽集熱器采光面積，m2；

Qw——日均用水量，kg；

tend——儲水箱內水的終止溫度，℃（設計用水溫度）；

Cw——水的定壓比熱容，4.18kJ/（kg·℃）；

ti——水的初始溫度，℃（依據當地最冷月平均水溫確定）；

Jt——傾角等于當地維度時，傾斜表面平均日太陽總輻照量，kJ/m2·d；

f——太陽能保證率，%；根據系統使用期內的太陽輻照、系統經濟性及用戶要求等因素綜合考慮后確定，宜為30～80%；

ηcd——集熱器的年平均集熱效率；根據經驗取值宜為0.25～0.50，具體數值應根據集熱器產品的實際測試結果而定；

ηL——貯水箱和管路的熱損失率；根據經驗宜取值為0.20～0.30。

（2）太陽能集熱面積的補償計算

當集熱器的的方位角偏離正南和傾角不等于當地維度時，集熱器面積應按下式計算：

式中：A——補償后的集熱面積（m2）；

R——對應集熱器安裝傾角、方位角時的面積補償比。（參照06SS128附錄二選取）

4.3空氣源系統計算

由于太陽能受天氣影響嚴重，考慮到最不利運行工況，因此空氣源應按日均用水量考慮。

式中：Qg——熱泵機組設計小時平均秒供熱量，kW；

T1——熱泵機組工作時間，h；

k1——安全系數，（1.05-1.10）。

式中：q——單臺產品樣本中的名義制熱量 （標準工況下室外環境溫度20℃DB/15℃WB，進水溫度15℃，出水溫度55℃）；

K2——使用地區室外計算溫度修正系數；

室外計算溫度應根據建筑用水安全性及用水要求確定：民用住宅以冬季供熱室外計算干球溫度（歷年平均不保證5d的日平均溫度）計；營業建筑以冬季空調室外計算干球溫度（歷年平均不保證1d的日平均溫度）；星級酒店以及重要場所以最低日平均溫度計。

K3——機組融霜系數，每小時融霜一次取0.9，兩次取0.8；

n——機組臺數。

4.4水箱計算

4.4.1單水箱

由于太陽能與空氣源均為不穩定熱源，因此采用單水箱時，水箱有效容積應為Qw。

4.4.2雙水箱

式中：qrjd——集熱器單位采光面積的平均每日產水量（根據產品實測結果確定），L/m2·d；

式中：T0——貯熱時間（按最大小時用水時間確定），h；

Qrh——設計小時熱水量，h；

4.5水泵計算

4.5.1太陽能循環泵

式中：qxz——單位采光面積對應的工質流量，由廠家提供（可按0.015～0.020取），L/s.m2；

式中：hjx——集熱系統循環管道的沿程與局部阻力損失，kPa；

（熱水流速：DN15～DN20，≤0.8m/s；DN25～DN40，≤1.0m/s；≥DN50，≤1.2m/s）

hj——循環流量流經集熱器的阻力損失，由廠家提供，（無資料可按0.5kPa/m2），kPa；

hz——集熱器頂與貯熱水箱最低水位的幾何高差，kPa；

hf——附加壓力（取20～50），kPa。

4.5.2空氣源循環泵

式中：Qg——熱泵機組的設計小時平均秒供熱量，kW；

△tj——熱泵機組進出口溫差（根據機組的工作模式選定，分出水溫度恒定和升高水溫恒定兩種），℃；

ρr——熱水密度，kg/L；

Hkx——空氣源系統循環管道的沿程與局部阻力損失，kPa；

（熱水流速：DN15～DN20，≤0.8m/s；DN25～DN40，≤1.0m/s；≥DN50，≤1.2m/s）

Hk——空氣源機組入口壓力，kPa；

Hkf——附加壓力（取20～50），kPa。

5　存在問題

（1）由于目前空氣源熱泵的技術的限制，空氣源只能在平均溫度較高的地區應用。

（2）太陽能與空氣源聯合熱水系統自動控制較為復雜，同時初期投資較大。

［1］《太陽能集中熱水系統選用與安裝》（06SS128）.

［2］《熱泵熱水系統選用與安裝》（06SS128）.

［3］《建筑給水排水設計規范》（GB50015-2003，2009版）.

解戰虎（1984-），男，研究生，工程師，主要從事給排水設計等工作。

TU83

A

2095-2066（2016）19-0133-02

2016-6-20