太陽能—空氣源熱泵熱水系統在學校公寓的設計應用

諸葛夢晴

桂林建筑規劃設計集團有限公司 廣西 桂林 541000

在我國城化進程不斷加快的背景下，人們生活水平的不斷提高，學校公寓數量的增加。公寓內的學生們日常生活所需熱水，以學校公寓為例，僅依靠建筑內部現有的熱水設備，不僅無法滿足學生們日常生活所需的熱水，而且還存在著用水時間集中、用水量大等問題。為解決學生公寓熱水供應問題，本文介紹了一種太陽能—空氣源熱泵熱水系統在學校公寓的設計應用。

1 工程概述

某高校學生公寓位于桂林市雁山區，用地面積20740m2，建筑面積為26743.87m2，共包含7棟多層學生公寓，設計學生總人數2314人。7棟學生宿舍一層均為架空活動層，二～六層（七層）為學生公寓。工程采用全熱水系統，利用太陽能集熱器吸收太陽輻射并將其轉化為熱能后加熱生活用水，再由生活用熱水箱儲存生活用水，經過冷、熱水管道將生活用水輸送至各個建筑內部。太陽能集熱器與空氣源熱泵機組的選型應根據建筑物的功能需求、建筑環境特點以及太陽能資源狀況來確定。該項目為普通公寓，太陽能資源條件較好，夏季太陽輻射強度高，夏季較長，且有充足的陽光照射，太陽能利用率較高；冬季太陽輻射強度低，氣溫低且晴天多，太陽能利用率較低。

2 太陽能—空氣源熱泵熱水系統相關概述

太陽能-空氣源熱泵熱水系統是一種結合太陽能和空氣源熱泵的高效、環保的熱水供應系統。該系統利用太陽能將太陽能集熱器中的熱量傳遞到空氣源熱泵中，使其加熱水箱內的水。同時，在低光照條件下，空氣源熱泵還可以通過回收空氣中的熱能來加熱水。這種系統具有高效節能、環保、安全可靠等優點，適用于各種規模的建筑物，如住宅、商業、學校、醫院等。在太陽能-空氣源熱泵熱水系統中，太陽能集熱器是主要的熱源，其作用是將陽光轉化為熱能，然后將熱能傳遞到空氣源熱泵中[1]。空氣源熱泵則將吸收的熱能通過壓縮制冷劑的方式進行加熱，然后將加熱后的水輸送到用戶的用水系統中。太陽能-空氣源熱泵熱水系統的優點包括：

在高效節能方面，太陽能和空氣源熱泵的完美結合利用了自然資源的巨大潛力，并能夠實現超過90%的能源轉化效率，是理想的環保型供熱解決方案。

環保方面，系統在運行過程中不會使用任何化石燃料，因此不會產生二氧化碳等對環境有害的氣體和廢水，實現了零排放，體現了對自然環境的充分尊重和保護。

在安全性方面，系統的設計考慮了各種可能的風險和挑戰，設置了多重保護機制。過載保護能防止因負載過大導致的系統崩潰，過熱保護可以在設備過熱時自動切斷電源，防止火災的發生，漏電保護則可以保證在電氣系統出現故障時及時切斷電源，保護人身安全。這些保護機制確保了系統的安全運行，降低了各種潛在的風險。

在應用方面，系統適用于各種規模的建筑物，包括住宅、商業建筑、學校、醫院等。這意味著在各種場景中，太陽能和空氣源熱泵的結合都能提供高效節能的解決方案，既降低了能源消耗，又減少了碳排放，有利于保護環境，符合綠色可持續發展的理念。

在維護方面，系統結構簡單，維護方便。這意味著用戶在遇到問題時，可以快速找到問題所在，減少了維護成本和維修時間。此外，由于系統的設計注重簡化和模塊化，在后續的升級和維護過程中，也更容易進行，進一步提高了系統的穩定性和可靠性。各種場景中，太陽能和空氣源熱泵的結合都能提供高效節能的解決方案，既降低了能源消耗，又減少了碳排放，有利于保護環境，符合綠色可持續發展的理念。

3 太陽能—空氣源熱泵熱水系統設計應用要點

3.1 明確設計依據

該項目所處區域為我國的南方地區，四季分明，氣候宜人。全年日照時數達1550，年平均氣溫為19℃，年平均降水量為1949.5mm，冬季平均氣溫在7℃左右，全年無霜期300天左右。該區域全年氣候條件優越，有利于太陽能資源的利用。

根據《建筑給排水設計標準》（GB50015-2019）中的相關規定：“集中熱水供應系統的熱源應通過技術經濟比較,并應按下列順序選擇:（1）采用具有穩定、可靠的余熱、廢熱、地熱,當以地熱為熱源時,應按地熱水的水溫、水質和水壓,采取相應的技術措施處理滿足使用要求；（2）當日照時數大于1400h/a且年太陽輻射量大于4200MJ/m及年極端最低氣溫不低于-45℃的地區，采用太陽能；（3）在夏熱冬暖、夏熱冬冷地區采用空氣源熱泵。”本項目可利用當地的氣候條件進行太陽能—空氣源熱泵熱水系統的設計，滿足學生公寓內生活用水所需。

3.2 制定總體設計方案

本項目位于某高校內，熱水系統包括太陽能集熱系統與空氣源熱泵機組兩部分。其中太陽能集熱系統包括：太陽能集熱器、集熱器支架、保溫水箱以及自動控制系統等；空氣源熱泵機組包括：空氣源熱泵主機、水箱及管道等。本項目中，由于學生宿舍使用熱水時間集中，用水量大，且各用水房間之間距離較遠，因此在熱水系統中采用太陽能與空氣源熱泵結合的形式作為主要的熱源。該方案設計中，太陽能集熱系統的集熱器采用集熱器支架上安裝有不銹鋼翅片的銅管制作而成的太陽能集熱器；空氣源熱泵機組采用帶式真空管集熱和空氣能相結合的方式作為主要的熱源；水箱采用不銹鋼制做而成，同時為了保證供水水質以及保溫性能，水箱內壁噴涂有聚氨酯保溫材料[2]。

3.3 選擇合適的系統控制方式

在案例工程太陽能—空氣源熱泵熱水系統設計中應用為最大限度上發揮出該系統的優勢，將太陽能集熱板、熱水箱、空氣源熱泵機組、回水循環泵等結構布置在宿舍樓頂，太陽能集熱儲熱水箱和接入器之間布置一個集熱循環泵。集熱循環泵的啟動、停止從中通過集熱器出水口溫度和熱水箱中布置的溫度傳感器來控制，當集熱器出水口位置的溫度和熱水箱中水體的溫度差超過8℃時啟動集熱循環泵，當二者之間的溫度差小于2℃時停止集熱循環泵。并于太陽能集熱儲熱水箱和空氣源熱泵之間布置一個換熱循環泵，換熱循環泵的啟動和停止通過儲熱水箱中水體的溫度進行控制，當儲熱水箱中水體的溫度低于50℃時，空氣源熱泵自動啟動，當儲熱水箱中水體溫度被加熱到60℃后，空氣源熱泵自動停止。為保證太陽能—空氣源熱泵熱水系統中冷熱水壓力的一致性，緩解熱水箱和管路的水損問題，可于熱水箱出水管之上布設一個微型管道泵，在熱回水管之上布設一個回水循環泵，通過熱水箱出水干管和循環泵吸水管之上的溫度傳感器來實時監測水體溫度差，若溫度差超過5℃啟動，空氣源熱泵，當水體溫度差小于2℃后停止空氣源熱泵，以維持熱干管內部水體的溫度始終處于穩定狀態，從而為學生提供24小時熱水服務。

3.4 熱水管網設計

本工程在進行太陽能—空氣源熱泵熱水系統設計中為提升應用效果，將熱水管網中的橫干管敷設在公寓樓頂，沿著水流方向應有至少0.003°的坡度，供水管越走越高，循環管沿著水流方向不斷下降，為保證供水的有效性，需在供水管高出布設可自動開啟和關閉的排氣閥，在循環管最低處布置一個排污閥。并于干管之上布置一個波紋管補償器，若立管需要穿越樓板，需要在立管和樓板相互接觸的位置加裝套管，套管內徑應比熱水管外徑至少大2號，間隙處應填塞上密封防水填料。太陽能—空氣源熱泵熱水系統中的蓄熱水箱、熱水供水干管/立管、循環干管/立管等存在熱量損失的位置，需要通過保溫材料裹覆，以減少熱量損失。本工程采用聚苯乙烯作為保溫材料，此種保溫材料的導熱系數為0.41W/（m·℃），滿足學校公寓對熱水溫度的要求。儲熱水箱可通過硬質聚氨酯泡沫塑料裹覆保溫，各設備在保溫材料裹覆之前，還需進行防腐處理，以提升使用壽命。在正常工況下，熱水管道中的水體流速在0.8m/s～1.2m/s即可滿足學生對熱水供應的需求[3]。為保證熱水供應的連續性，本工程在進行太陽能—空氣源熱泵熱水系統設計應用中采用了雙水箱定溫配置系統，自來水補水及熱水均補到集熱水箱，使用熱水由供熱水箱接出，補水控制方式可采用補水電磁閥進行控制，以最大限度上保證補水在合理的范圍中。

3.5 主要設備設計

3.5.1 保溫水箱設計

為確保太陽能—空氣源熱泵熱水系統在正常使用狀態下24小時的自然溫度降幅在5℃內，保溫水箱選用了厚度為1.0mm的SUS304#食品級不銹鋼。水箱內部填充了厚50mm的聚氨酯發泡。外殼則選用了厚度為0.8mm的201#不銹鋼。如此配置旨在使標準情況下的24小時自然溫度降幅不超過5℃。每個儲熱水箱均內設有水位壓力傳感探頭和水溫感應探頭，以實現自動化控制：在陽光充足的條件下，水位壓力傳感探頭在水位低于設定水位時自動打開進水電磁閥，向集熱器注入自來水，將水加熱至設定水溫后泵入水箱，直至水箱充滿熱水，水位壓力傳感探頭關閉并進入溫差循環模式[4]。同時，水箱內的水溫感應探頭檢測水箱內水的溫度，當儲熱水箱水溫低于集熱器內出口水的溫度10℃（溫度可調）時，集熱循環水泵自動啟動，系統開始循環增溫，直至水箱內的水溫和集熱器出水溫度的溫差小于5℃（可調）時集熱循環水泵停止運行，這樣可最大限度地利用太陽能熱能。若在陰雨天或光照不足的情況下，水位壓力傳感探頭檢測到水箱水位低于最低設定水位時進水電磁閥將自動打開向水箱內注入自來水，同時啟動空氣源熱泵機組進行加熱，直至水溫達到設定溫度55℃時自動關閉輔助熱源系統。

3.5.2 管道設計

在進行太陽能—空氣源熱泵熱水系統設計應用中，運輸和供水管道選用 PPR熱水管，旨在確保水質清潔且壽命長，不易變形。考慮到冬季水管可能凍住并影響熱水系統的供熱效果，我們外露的熱水管道、主管道選用PPR保溫一體管，以保護管道免受光照和雨淋的自然老化、防止熱量的損失。為了保證每個噴淋能夠立即使用熱水，減少水資源的浪費，洗澡用水循環管道配備了定溫循環功能。當用水時段來臨時，如果室內用水管道上的探測溫度低于設置溫度，電磁閥將自動打開，循環泵會啟動將管道中的冷卻水注入水箱；當管道溫度達到設置溫度時，電磁閥會自行關閉，確保用戶打開噴淋后能夠迅速獲得熱水。

3.5.3 泵體設計

本工程在應用太陽能—空氣源熱泵熱水系統時，為提升應用效果，滿足學生24小時使用熱水的需求，共計配置了三種不同功能的泵：太陽能集熱系統循環泵、空氣源熱泵循環泵，以及熱水供水泵。這些泵主要在高溫熱水環境中運行，因此，采用了熱水循環泵。熱水供水泵配備了變頻增壓泵，以確保用戶在用水時流量和壓力的穩定性。它的工作原理是：當系統管網壓力低于用戶設定的壓力時，檢測控制系統自動啟動加壓水泵變頻軟啟動運行[5]。當水泵出水總管的實際壓力與用戶設定的壓力相等時，監控控制系統將控制加壓水泵以保持實際壓力與用戶設定壓力相同。當管網中的水壓力升高時，加壓水泵的轉速將降低；當管網中的水壓力降低時，加壓水泵的轉速將升高。當管網水的壓力與用戶設定壓力相等時，加壓水泵將停止運行。通過監控系統管網壓力的差異，可實現能源的節約。空氣源熱泵循環泵在進行設計中需要嚴格按照熱泵機組穩定運行額定流量的要求選擇合適泵體，太陽能循環泵流量計算公式如下：

此公式中q為循環泵的實際流量（L/h），A為太陽能集熱器的最大集熱面積（㎡），QS為集熱循環泵的流量（L/h）。太陽能—空氣源熱泵熱水系統在運行中由于太陽輻射量具有不確定性，因此，太陽能熱水系統的集熱循環流量，通常情況下需要按照每平方米集熱器的流量為0.01～0.02L/s進行考慮，也就是36～72L/（h·㎡），通過計算可知工程采用的太陽能—空氣源熱泵熱水系統中太陽能熱水系統的循環流量，再按照此流量選擇揚程合適的泵體[6]。

4 結束語

綜上所述，結合理論實踐，分析了太陽能—空氣源熱泵熱水系統在學校公寓的設計應用，分析結果表明，和傳統熱水系統相比，太陽能—空氣源熱泵熱水系統在節能、穩定、供熱效率等方面有非常明顯的優勢，可滿足學校公寓對24小時熱水供應的需求，而且此系統采用了清潔綠色能源，不存在二次污染。但太陽能—空氣源熱泵熱水系統結構組成比較復雜，設計難度比較大，影響因素多，任何一個細節考慮不當，都會影響到最終的應用效果。因此，在具體應用中必須結合工程項目的實際情況，進行綜合分析，選擇合適的技術、參數、設備，才能發揮出太陽能—空氣源熱泵熱水系統的優勢和作用。