淺析太陽(yáng)能—空氣源熱泵并聯(lián)熱水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

甘云

（廣東省建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東廣州 510010）

0 引言

太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)分為直接加熱系統(tǒng)與間接加熱系統(tǒng)，項(xiàng)目采用直接加熱系統(tǒng)，系統(tǒng)由儲(chǔ)熱水箱、循環(huán)設(shè)備及控制設(shè)備組成，利用太陽(yáng)能集熱器，在陽(yáng)光的照射下使光能轉(zhuǎn)化為熱能，進(jìn)而將熱能轉(zhuǎn)移到水中。空氣源熱泵為一種利用空氣作為低溫?zé)嵩磥?lái)制取生活熱水的設(shè)備，系統(tǒng)由空氣源熱泵、循環(huán)系統(tǒng)和蓄水箱組成，空氣源熱泵熱水器通過(guò)消耗部分電能，把空氣中的熱量轉(zhuǎn)移到水中[3]。三亞地處我國(guó)南部，太陽(yáng)能和空氣能都十分充足，通過(guò)兩個(gè)系統(tǒng)并聯(lián)設(shè)置，充分利用低成本清潔熱源，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)、節(jié)能、環(huán)保的要求。

1 項(xiàng)目概況

該項(xiàng)目位于海南省海口市，地上12 層，地下1 層，建筑1～3層為功能性用房，建筑層高3.0m，4～12 層為客房區(qū)域，客房區(qū)域?qū)痈?.8m，生活冷水泵房設(shè)置在負(fù)一層地下室，標(biāo)準(zhǔn)層客房為25間。由于建筑屋面造型、布局等原因，導(dǎo)致屋面可以設(shè)置太陽(yáng)能板的面積有限，故該工程以太陽(yáng)能為輔熱，空氣能熱泵為主要熱源，當(dāng)太陽(yáng)能充足時(shí)，直接利用太陽(yáng)能將熱水加熱至所需溫度，當(dāng)太陽(yáng)能不足時(shí)，利用熱泵將熱水加熱至所需溫度。

2 工程設(shè)計(jì)

2.1 水量計(jì)算機(jī)系統(tǒng)分區(qū)

酒店區(qū)域位于建筑4～12 層，總的客房數(shù)為209 間，單間客房人數(shù)按2 人計(jì)算，得出客房區(qū)總?cè)藬?shù)為418 人。根據(jù)《建筑給水排水設(shè)計(jì)規(guī)范（GB 5015—2003）》（2009 年版）（以下簡(jiǎn)稱《建水規(guī)》）5.1.1 條，設(shè)計(jì)熱水用水量取150L/床位·d，計(jì)算得出客房區(qū)域熱水用水量如表1 所示。

根據(jù)計(jì)算，酒店區(qū)域最高日熱水用水量為68.97m3/d，最大時(shí)用水量為8.62m3/h。

熱水系統(tǒng)豎向分成兩個(gè)分區(qū)，低區(qū)為4～8 層，高區(qū)為9 層至12 層，根據(jù)《建水規(guī)》5.3.1.2，設(shè)計(jì)小時(shí)耗熱量計(jì)算公式如下：

式中：Qh-設(shè)計(jì)小時(shí)耗熱量，kJ/h；M-用水計(jì)算人數(shù)；qr-熱水用水定額，L/床·d；C-熱水比熱，C=4.187kJ/kg·℃；tr-熱水溫度，tr=60℃；t1-冷水溫度，t1=15℃；ρr-熱水密度，kg/L；T-每日使用時(shí)間，T=24h；Kh-小時(shí)變化系數(shù)，Kh=3。

計(jì)算得出低區(qū)設(shè)計(jì)小時(shí)耗熱量為806689.8kJ/h，高區(qū)設(shè)計(jì)小時(shí)耗熱量為645351.8kJ/h。

表1 熱水用水量計(jì)算

2.2 太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)

本工程高區(qū)設(shè)計(jì)熱水用水量為30.65m3/d，低區(qū)設(shè)計(jì)熱水量為38.32m3/d，由于屋面造型限制，能夠布置太陽(yáng)能集熱板的屋面面積約468m2，選用的太陽(yáng)能集熱板規(guī)格為2m×1m，海口地區(qū)緯度為20°02′，經(jīng)計(jì)算，集熱器安裝間距為0.249m，考慮一定的檢修空間，本工程安裝間距取0.30m，經(jīng)布置，該建筑屋面可以設(shè)置的集熱器總面積為240m2。根據(jù)《建水規(guī)》5.4.2A.1，直接加熱供水系統(tǒng)集熱器總面可按下式計(jì)算：

式中：Ajz-直接加熱集熱器總面積，m2；f-太陽(yáng)能保證率，取0.5；Jt-集熱器采光面上年平均太陽(yáng)能輻照量，kJ/（m2·d）；ηj-太陽(yáng)能集熱效率，取0.45；η1-儲(chǔ)水箱和管路的熱損失率，取0.25。得出高區(qū)所需的集熱面積為570.36m2，低區(qū)所需的集熱面積為713.09m2，由于屋面條件限制本工程可以設(shè)置集熱器的面積約為240m2，考慮系統(tǒng)設(shè)置的經(jīng)濟(jì)性及合理性，僅在高區(qū)設(shè)置太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)。太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)儲(chǔ)熱水箱計(jì)算公式如下：

式中：Vrx-儲(chǔ)熱水箱有效容積，L；Aj-集熱器總面積，m2；qrjd-集熱器單位面積平均每日產(chǎn)熱水量，L/m2·d，取60L/m2·d。計(jì)算得出太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)所需的儲(chǔ)熱容積為14.4m3。

集熱器循環(huán)流量計(jì)算公式：

式中：qx-集熱系統(tǒng)循環(huán)流量，L/s；qgz-單位采光面積集熱器對(duì)應(yīng)的工質(zhì)流量，L/s·m2，取0.017L/s·m2；計(jì)算得集熱器循環(huán)流量16m3/h，揚(yáng)程為14m（揚(yáng)程計(jì)算從略）。

2.3 空氣源熱泵熱水系統(tǒng)

對(duì)于空氣源熱泵熱水系統(tǒng)，根據(jù)《建水規(guī)》及國(guó)標(biāo)圖集06SS127，最高日平均秒耗熱量的計(jì)算如下式：

式中：Qd-最高日平均秒耗熱量，kW；Qr-最高日熱水量，m3/d。

經(jīng)計(jì)算高區(qū)最高日平均秒耗熱量為59.75kW，低區(qū)最高日平均秒耗熱量為74.69kW。

設(shè)計(jì)小時(shí)平均秒耗熱量計(jì)算公式如下：

式中：Qrh-設(shè)計(jì)小時(shí)平均秒耗熱量，kW。經(jīng)計(jì)算高區(qū)設(shè)計(jì)小時(shí)平均秒耗熱量為179.09kW，低區(qū)設(shè)計(jì)小時(shí)平均秒耗熱量為224.38kW。

熱泵機(jī)組的制熱量計(jì)算公式為：

式中：Qg-熱泵機(jī)組設(shè)計(jì)小時(shí)平均秒供熱量，kW；T1-熱泵機(jī)組設(shè)計(jì)工作時(shí)間，取15h；K1-安全系數(shù)，取1.10。計(jì)算得出高區(qū)熱泵熱水機(jī)組設(shè)計(jì)小時(shí)平均秒供熱量為105.17kW，低區(qū)熱泵熱水機(jī)組設(shè)計(jì)小時(shí)平均秒供熱量為131.46kW。

熱泵熱水系統(tǒng)中儲(chǔ)熱容積計(jì)算公式為：

式中：Vr-儲(chǔ)熱總?cè)莘e，m3；η-有效儲(chǔ)熱容積系數(shù)，本工程采用臥式儲(chǔ)熱水罐上出水水箱，該值取0.8。經(jīng)計(jì)算，高區(qū)儲(chǔ)熱容積為5.39m3，低區(qū)儲(chǔ)熱容積為6.77m3，結(jié)合儲(chǔ)熱水罐產(chǎn)品參數(shù)及太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)儲(chǔ)熱容積需求，高區(qū)儲(chǔ)熱容積取16m3，設(shè)置兩個(gè)熱水灌，單個(gè)熱水灌容積8m3。結(jié)合儲(chǔ)熱罐產(chǎn)品參數(shù)，低區(qū)儲(chǔ)熱容積取10m3，設(shè)置兩個(gè)熱水灌，單個(gè)熱水灌容積取5m3。

熱泵機(jī)組設(shè)計(jì)循環(huán)流量計(jì)算公式為：

式中：qrx-熱泵機(jī)組設(shè)計(jì)循環(huán)流量，m3/h；Qg-熱泵機(jī)組的設(shè)計(jì)小時(shí)平均秒供熱量，kW；Δtj-熱水機(jī)組進(jìn)出口溫差，取5℃；K4-安全系數(shù)，取1.1。得出低區(qū)熱泵循環(huán)流量為25m3/h，揚(yáng)程為15m，高區(qū)熱泵循環(huán)流量為20m3/h，揚(yáng)程為10m（揚(yáng)程計(jì)算從略）。

2.4 系統(tǒng)控制

對(duì)第一循環(huán)系統(tǒng)，低區(qū)僅為空氣源熱泵熱水系統(tǒng)，當(dāng)檢測(cè)到儲(chǔ)熱水箱溫度T1不大于45℃時(shí)，空氣源熱泵啟動(dòng)循環(huán)加熱模式，當(dāng)檢測(cè)到儲(chǔ)熱水箱溫度T1不小于55℃時(shí)，空氣源熱泵停止加熱，系統(tǒng)處于待機(jī)狀態(tài)。高區(qū)為太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)與空氣源熱泵熱水系統(tǒng)并聯(lián)設(shè)置，系統(tǒng)檢測(cè)儲(chǔ)熱水箱溫度T1和太陽(yáng)能集熱器溫度T2，當(dāng)T2-T1不小于5℃時(shí)，啟動(dòng)太陽(yáng)能循環(huán)泵強(qiáng)制循環(huán)，當(dāng)T2-T1不大于2℃時(shí)，關(guān)閉太陽(yáng)能循環(huán)泵，對(duì)空氣源熱泵，當(dāng)水箱溫度T1小于45℃時(shí)，啟動(dòng)空氣源熱泵機(jī)組進(jìn)入加熱模式，當(dāng)水箱溫度T1不小于55℃時(shí)，空氣源熱泵熱水系統(tǒng)停止加熱。當(dāng)水箱溫度不小于65℃時(shí)，需停止加熱避免發(fā)生燙傷，在太陽(yáng)能集熱器水溫達(dá)到75℃時(shí)，啟動(dòng)空氣冷卻器進(jìn)行降溫。

對(duì)第二循環(huán)系統(tǒng)，檢測(cè)熱水回水管道溫度T3，當(dāng)T3不大于45℃，且T1-T3不小于5℃時(shí)，回水泵開(kāi)啟，當(dāng)T3不小于50℃時(shí)，回水泵關(guān)閉，以保證用水末端得到適宜溫度的熱水。

3 結(jié)語(yǔ)

該項(xiàng)目地處海南省海口市，太陽(yáng)能和空氣能都十分充足，設(shè)計(jì)中充分利用當(dāng)?shù)氐淖匀粭l件，選擇太陽(yáng)能—空氣源熱泵并聯(lián)的熱水系統(tǒng)。在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)時(shí)，需要結(jié)合兩系統(tǒng)各自的特點(diǎn)，對(duì)于儲(chǔ)熱設(shè)備，分別計(jì)算兩系統(tǒng)所需儲(chǔ)熱容積后取大值，對(duì)加熱設(shè)備規(guī)格、循環(huán)流量、揚(yáng)程分別計(jì)算選取，控制系統(tǒng)需要合理設(shè)置控制節(jié)點(diǎn)，使系統(tǒng)節(jié)能、高效、穩(wěn)定運(yùn)行。