海南某中學教師公寓樓熱水系統設計探討

陳晶晶

上海建工集團工程研究總院 上海 201114

近年來，隨著我國建筑業的迅速發展，也帶來了建筑能源消耗的迅猛增長。日前，建筑能耗已接近全國總能耗的30%，并將持續增加。隨著人們生活水平的提高和小康社會的建設，人們對生活熱水的需求量越來越大，在我國發達地區的其生活熱水能耗已占到建筑總能耗的15-20%，而我國既是一個煤炭、石油以及天然氣等常規能源消耗的大國，又是常規能源資源短缺的國家，以常規能源為主的能源結構產生大量的污染物，給我國整體環境造成了巨大的污染，一次性能源為主的能源開發利用模式與生態環境矛盾的日益激化，使人類社會的可持續發展受到嚴峻挑戰。因此，大力開發利用清潔可再生能源，是優化能源結構，改善環境，促進經濟社會可持續發展的戰略之一[1]。

太陽能做為一種輻射能，是最清潔的能源，加以利用，不僅能帶來經濟效益，更有利于對環境的保護。太陽能熱水系統是太陽能光熱利用中應用最廣泛、產業化程度最高的形式[2]。我國幅員遼闊，太陽能資源豐富，但是各地太陽能輻照分布有很大差距，主要表現為北部地區高于南部地區，西部地區高于東部地區。按接受太陽能輻射量的大小，全國大致上可分為五類地區，如表1所示。

表1 太陽能資源分布區域

1 工程概況

本項目位于海南省澄邁，為多層建筑。地下一層為設備機房及車庫，地上八層為教師公寓，占地面積2320.76m2，建筑面積20185.79m2，設計教師宿舍268間。

本工程為充分利用市政給水管網壓力，地下室及一層冷水采用市政直供，二層及以上采用變頻加壓供水。而熱水不分區，由加壓給水管供水至屋頂熱水加熱系統。冷熱水通過支管減壓閥減壓保證各層支管壓力不超過0.2MPa，同時保證用水點冷熱水壓力的平衡。

本棟樓設置全日制集中集熱集中供熱系統，采用干管立管循環方式。本系統中為了保證太陽能集熱效率能夠充分發揮，采用雙水箱供水系統。如采用單水箱供水系統，看似簡化了系統，但是實際運行過程中，為保證全日制的熱水供應，在夜間輔助加熱裝置處于運行階段，熱水箱內熱水溫度即為設計溫度，當太陽升起后則無需太陽能對水進行加熱，太陽能集熱器處于閑置狀態，沒有達到最大的利用率。同時，也有研究標明，與單水箱系統相比，雙水箱系統能夠提高太陽能的利用率，全年能夠節能約14%[3]。由此，本系統中將集熱水箱和供熱水箱分開設置。

系統設計小時耗熱量：

平均日耗熱量：

設計小時熱水量：

其中：Kh為小時變化系數，根據人數及定額計算得出為4.68；m為床位數，268床；qr為熱水用水定額，70L/床·d；qmr為平均日熱水用水定額，40L/床·d；C為水的比熱，4.187KJ/（kg·℃）；tl為冷水溫度，tlm為年平均冷水溫度，取17℃；tr為熱水溫度，取60℃；ρr為熱水密度，60℃熱水密度為0.9832kg/L；T為每日使用時間，取24h；Cγ為熱水供應系統的熱損失系數，取1.10。tr2為使用熱水溫度，取40℃。

2 太陽能熱水系統

2.1 太陽能集熱器的選擇

將太陽的輻射能轉換為熱能是太陽能利用的關鍵，集熱器的選擇對太陽熱水系統起著至關重要的作用。太陽能集熱器類型主要分真空管型太陽能集熱器和平板型太陽能集熱器，平板型集熱器具有吸熱面積大、承壓性能高、使用壽命長、不易損壞、易與建筑結合、結構簡單，可承壓等優點，本項目選取平板型集熱器[4]。

2.2 集熱器面積的確定

本項目采用太陽能直接加熱系統，根據DBJ46-012-2017《海南省太陽能熱水系統與建筑一體化設計施工及驗收標準》，直接加熱系統集熱器總面積：

其中：Ajz為系統集熱器總面積（m2）；f —太陽能保證率（%），取 45%。JT為正南朝向，傾角為當地緯度的平面上年平均日太陽輻照量，取 13018KJ/m2。ηcd為集熱器的年平均集熱效率，取0.5。ηL為管路及貯水箱的熱損失率，取0.3。實際布置太陽能板200m2。

2.3 集熱水罐的有效容積

Qrjd為集熱器單位采光面積平均每日產熱水量，取60L/(m2·d）；

2.4 太陽能循環泵流量

其中，qgz為單位采光面集熱器對應的工質流量，取0.02L/(S·m2）；

循環水泵揚程經計算，為25m。

3 輔助加熱系統

3.1 空氣源熱泵的選擇

由于太陽能的間歇性和不穩定性，因此太陽能熱水系統應設置輔助熱源。海南的最冷月平均氣溫17.7℃，空氣源熱泵單獨作為熱源供熱時可以不設置輔助熱源，由此本系統采用空氣源熱泵對太陽能供熱不足時進行輔助加熱可以滿足要求。輔助熱源空氣源熱泵設計應按系統最不利情況考慮，如最冷月份及陰雨天，全天熱水均由空氣源熱泵提供。

現代社會的競爭是科技、人才的競爭，歸根到底是教育的競爭。傳統的灌輸式教學方式，“你打我通、你說我聽”的教學方法已不適應新形勢的要求。教師對學生的教育作用，已不單單是知識的傳遞，而是教師對學生的思想觀念、文化素養、道德風尚的全面影響。對此，教師要從自身做起，不懈地學習知識，奮力更新觀念，潛心修身養性，以創新為導向，建立前瞻性教育思維，以適應新形勢的發展和要求。

空氣源熱泵設計小時供熱量：

其中，Cγ為安全系數，取1.10；qr為熱水用水定額，取70L/d；T1為熱泵機組設計工作時間，取12h/d。

考慮機組受溫度、融霜等的影響，取綜合影響系數0.8，則機組的名義制熱量為105.7kW/h。選取額定制熱量為59kW，額定功率為17.8kW的空氣源熱泵機組兩臺。

3.2 空氣源熱泵系統循環水泵

揚程經計算，取20m。

3.3 供熱水罐的有效容積：

其中：Vr為供熱水罐總容積（L）；k1—用水均勻性的安全系數，取 1.25。

4 熱水系統設置

4.1 熱水系統的控制

集熱器循環泵采用溫差控制，當T1（集熱器出口溫度）-T2（集熱水罐內溫度）≥10℃，時，太陽能集熱循環泵啟動；當T1-T2≤3℃時，太陽能集熱循環泵停止；當T2高于60℃時，太陽能集熱循環泵停止；

當T3（供熱水罐內溫度）低于50℃時，空氣源熱泵的循環泵，以及空氣源熱泵啟動；當T3高于60℃時，空氣源熱泵及空氣源熱泵循環泵停止。

當T4（熱水管網回水管溫度）低于45℃時，熱水管網的循環泵啟動；當T4高于55℃時，熱水管網的循環泵停止。

4.2 熱水系統的防過熱措施

當地最低月平均氣溫在17.7℃，因此并無防凍需求。但是需要考慮系統防過熱措施，防過熱主要措施有：1）防止集熱器空曬的集熱循環控制系統，集熱器空曬會加速選擇性涂層老化和性能衰減。2）集熱系統設置安全閥、壓力式膨脹罐等集熱系統升溫膨脹泄壓的措施。3）太陽能熱水系統熱量通過風冷換熱器環境散熱。4）太陽能集熱器遮蓋措施。5）集熱水箱（罐）內的水溫不要超過75℃。本系統在集熱水罐設置安全閥，同時通過設置在集熱器出口的空氣冷卻器，消耗系統過熱時產生的熱量，保證系統安全運行。

4.3 系統材質及保溫

本系統中熱水管道均采用SUS304不銹鋼。熱水罐采用聚氨脂現場發泡保溫，保溫層厚度為50mm厚，保溫層表面先包一層0.4mm厚玻璃纖維布，再包一層1mm厚鍍鋅鐵皮作為保溫層保護層。明露熱水管道均進行保溫，保溫材料采用橡塑保溫管殼，保溫層厚度30mm，保護層外包專用的塑料布，再用調和漆涂上黃色色環和水流方向箭頭[5]。

5 經濟及節能效益分析

5.1 節能效益分析

根據系統使用期內的太陽輻照、系統經濟性以及用戶要求等因素綜合考慮后，太陽能保證率f按0.45取值，則全年有45%的熱水通過太陽能供給，55%的熱水通過空氣源熱泵制熱。除循環泵組的耗能外，通過太陽能供給的部分不另外耗能。而通過空氣源熱泵加熱需消耗部分電能，由于空氣源熱泵的COP值約為3.0，與全部電輔助加熱相比，可節約（1 -0.33）×100% =67% 的電能。整個方案的能耗相比于全部電加熱的情況節能 81.85%。按平均日耗熱量1328330KJ/d計算全年熱水系統耗熱量約為 134677.9 kWh/a，節約能耗110233.9 kWh/a，由此帶來的二氧化碳減排量約64噸/年[6]。

5.2 經濟效益分析

若不采用空氣源熱泵輔助太陽能系統，單純采用電進行加熱，熱效率按照0.9計算。按平均日耗熱量1328330KJ/d 計算全年熱水系統耗熱量約為 134677.9 KWh/a，所需要的電量為149642KWh，按照電費0.6元/KWh計，則年耗電量費用為8.9萬元。

采用空氣源熱泵輔助太陽能系統情況下，澄邁年平均太陽輻照量為4730MJ/m2，太陽能集熱器集熱效率為50%計算，則每1㎡集熱器每年得熱量為2365MJ約等于657KWh,則該熱水系統（200平方集熱器）一年通過太陽能集熱器年平均集熱量為：657×200=131400KWh，剩余所需熱量均由空氣源熱泵供給。澄邁屬于夏熱冬暖低區，空氣源熱泵全年都可以在高效區運行，取平均機組能效比（COP）為3.0，空氣源熱泵供熱所需熱量為3290KWh，則年耗電量費用為1974元。由于太陽能的間歇性，在夜間不能集熱，同時熱水系統的散熱使得熱水溫度下降，此時就需要由空氣源熱泵運行來保持系統內熱水溫度的穩定。假設空氣源熱泵每日運行2h來維持熱水系統的溫度，則每日所需消耗電量為17.8×2×2=71.2KWh，則一年所需電量為25988KWh，所需電費約為1.5萬元。再加上水泵的運行費用：一年估計為1.1萬元；合計太陽能熱水系統（含輔助空氣源熱泵）一年的運行費用為：6.1萬元。

由此，采用空氣源熱泵輔助太陽能熱水系統每年運行費用比采用純電加熱可節約7.6萬元左右。

6 結語

太陽能熱水系統對清潔能源的利用，空氣源熱泵機組所產生的250%-300%的熱效率，使得空氣源熱泵輔助太陽能熱水系統能夠在滿足用戶對熱水需求的同時，減少對傳統能源的消耗，實際的運行成本也能夠得到較大幅度的降低，并產生一定的環境效益。同時對于使用方來說，每年的運行成本可以大幅降低。