上海城市交通設(shè)計(jì)院有限公司 上海 200025

太陽能是一種清潔、高效的能源，目前在我國已廣泛使用。太陽能熱水系統(tǒng)作為一種成熟的工藝普遍適用于新建、改建的各類建筑。但由于太陽能熱水系統(tǒng)受不同季節(jié)日照變化的影響，一般需要配置輔助加熱設(shè)備。其中以空氣源熱泵機(jī)組作為一種同樣環(huán)保、節(jié)能的設(shè)備與太陽能系統(tǒng)聯(lián)用，能夠較好地彌補(bǔ)太陽能光照的不足，更好地體現(xiàn)項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)性，尤其適用于對一些建筑條件受限的項(xiàng)目進(jìn)行改造設(shè)計(jì)，既能保證熱水的供應(yīng)又能降低企業(yè)能耗。

1 太陽能熱水系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)

太陽能熱水系統(tǒng)是利用太陽能集熱器，收集太陽輻射能把水加熱的一種裝置，其技術(shù)成熟，在夏季日照充足的情況下運(yùn)行穩(wěn)定且成本極低。但由于太陽能集熱器“靠天吃飯”，必須露天放置，遇風(fēng)吹、雨淋、陰天、雨雪，晚上等惡劣條件，陽光輻射強(qiáng)度較小或沒有，相對而言穩(wěn)定性較差。其次是集熱器面積較大，受建筑屋面條件限制，尤其是改造項(xiàng)目的屋面常常只能設(shè)置一定數(shù)量的集熱器，還需配合其他輔助加熱設(shè)備。再者，太陽能集熱器目前采用較多的是玻璃真空管集熱器，熱效率雖高但容易損壞，維護(hù)費(fèi)用較大。

2 空氣源熱泵熱水機(jī)組的優(yōu)缺點(diǎn)

空氣源熱泵能把空氣中的低溫?zé)崮芪者M(jìn)來，經(jīng)過壓縮機(jī)壓縮后轉(zhuǎn)化為高溫?zé)崮?，加熱水溫，具有高效?jié)能的特點(diǎn)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，制造相同的熱水量，空氣源熱泵消耗能源的成本僅為電熱水器的1/4，燃?xì)鉄崴鞯?/3，比電輔助太陽能熱水器利用能效還高。此外，空氣源熱泵熱水系統(tǒng)還具有不受日夜變化影響、運(yùn)行成本低、設(shè)備占地面積小、維護(hù)費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)。而它的主要缺點(diǎn)是制熱速度慢、熱效率不是很高，容易結(jié)霜等問題。

可以看出，太陽能和空氣源熱泵熱水系統(tǒng)在運(yùn)行條件、制熱效率、維護(hù)成本等方面能夠取長補(bǔ)短，采用空氣源熱泵機(jī)組輔助太陽能熱水系統(tǒng)能夠較為理想的提供熱水，滿足需求并且最大程度地減少企業(yè)能耗。

3 工程實(shí)例

某企業(yè)生產(chǎn)車間職工洗浴用熱水，設(shè)計(jì)參數(shù)為：使用人數(shù)300 人，熱水用水定額60 L/（人·d），定時(shí)供應(yīng)熱水每天2 h，設(shè)計(jì)熱水日用水量Q為18 m3，最大時(shí)用水量10 m3/h，冷水計(jì)算溫度tl=5 °C，熱水計(jì)算溫度tr=60 °C，采用循環(huán)式空氣源熱泵熱水機(jī)組與太陽能聯(lián)合使用的熱水系統(tǒng)。

3.1 太陽能系統(tǒng)集熱器的設(shè)計(jì)

上海地處北緯31°10′，集熱器采光面年平均日太陽輻照量Jt為12 220 kJ/（m2·d），太陽能保證率f取0.55，集熱器采用真空管式集熱效率ηj取0.6，儲(chǔ)水箱和管路的熱損失率ηl取0.18（ηj、ηl取值均為廠家提供）。按照設(shè)計(jì)公式：計(jì)算得集熱面積Ajz為380 m2。以所選用的集熱器產(chǎn)品組成長方形矩陣，在屋面串聯(lián)連接，熱水儲(chǔ)存在熱水箱中。

該系統(tǒng)采用強(qiáng)制循環(huán)方式，循環(huán)泵流量qx=qgz·Aj，其中qgz為單位采光面積集熱器所對應(yīng)的工質(zhì)流量，Aj為集熱器總面積。本工程qgz由廠家提供，為0.02 L/（s·m2），qx=7.6 L/s。循環(huán)泵的揚(yáng)程根據(jù)集熱系統(tǒng)循環(huán)管道的沿程與局部阻力損失hjx、循環(huán)流量流經(jīng)集熱器的阻力損失hj、集熱器頂與貯熱水箱最低水位之間的幾何高差hz以及附加壓力hf幾項(xiàng)之和確定。本工程的太陽能集熱器與貯熱水箱分開放置，集熱器置于浴室旁的5 層辦公樓屋面，熱水箱置于浴室屋面，兩者高差近20 m。所選循環(huán)泵參數(shù)為：最大流量30 t/h、揚(yáng)程28 m、管徑DN 50 mm。

本系統(tǒng)為定時(shí)供應(yīng)熱水，貯熱水箱總?cè)莘e應(yīng)按照定時(shí)供應(yīng)熱水總用水量來確定，即熱水箱總有效容積不小于18 m3。為此，本工程設(shè)置總?cè)莘e15 m3的集熱水箱和總?cè)莘e15 m3的恒溫水箱各一個(gè)。

3.2 空氣源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)

式中：Qg——熱泵設(shè)計(jì)小時(shí)供熱量（kJ/h）；

k1——安全系數(shù)，取1.05；

qr——熱水用水定額（本工程為60 L/人·d）；

m——用水計(jì)算單位數(shù)（使用人數(shù)300 人）；

tr——熱水溫度，60 °C；

tl——冷水溫度，取5 °C；

T1——熱泵機(jī)組設(shè)計(jì)工作時(shí)間（本工程取10 h/d）。

計(jì)算結(jié)果為Qg=121 kJ/h，選取TFS-SKR760（S）熱泵機(jī)組4臺(tái)，單臺(tái)制熱量31 kW，額定功率6.88 kW?？紤]在最極端溫度情況下（每年冬天1～2 個(gè)月的時(shí)間），空氣源熱泵機(jī)組制熱量為春秋季節(jié)標(biāo)準(zhǔn)工況的50%，因此每臺(tái)機(jī)組制熱量為15.5 kW，總制熱量62 kW，根據(jù)上式機(jī)組每天需工作19.5 h才能將冷水加熱至60 °C，可以滿足使用需求，無需設(shè)置電輔助加熱。

式中：qr——熱泵機(jī)組設(shè)計(jì)循環(huán)流量（m3/h）；

Qg——熱泵機(jī)組設(shè)計(jì)小時(shí)供熱量（kW）；

Δtj——熱泵機(jī)組進(jìn)出口溫差（°C），取5 °C；

kr——安全系數(shù)，取1.1。

計(jì)算結(jié)果為qr=22.9 m3/h=6.4 L/s，循環(huán)泵揚(yáng)程為熱泵機(jī)組循環(huán)管路的局部阻力和沿程阻力之和，取20 m。

4 系統(tǒng)控制原理及工況分析[1-8]

空氣源熱泵作為太陽能系統(tǒng)的輔助熱源，整套熱水系統(tǒng)優(yōu)先利用太陽能，在春夏秋三季，當(dāng)太陽能系統(tǒng)受天氣影響而無法滿足用戶需求時(shí)，啟動(dòng)輔助熱源進(jìn)行補(bǔ)充加熱；在冬季，太陽能熱水系統(tǒng)效率較低，無法滿足用戶的需求，此時(shí)太陽能系統(tǒng)充當(dāng)預(yù)熱系統(tǒng)，提升冷水的初始溫度，再通過空氣源熱泵機(jī)組制備熱水，以供用戶端使用。整套熱水系統(tǒng)充分利用太陽能，最大限度地降低了運(yùn)行費(fèi)用。

4.1 定溫上水

當(dāng)太陽能集熱水貯箱出口水溫T2達(dá)到設(shè)定值60 °C時(shí)，定溫上水電磁閥F1打開，系統(tǒng)自動(dòng)將加入冷水進(jìn)集熱水貯箱，當(dāng)集熱器出口水溫T1降至55 °C時(shí)F1關(guān)閉，依次周而復(fù)始，不斷進(jìn)行補(bǔ)水確保集熱水貯箱溫度恒定在需求范圍內(nèi)。

4.2 溫差循環(huán)

當(dāng)集熱器不斷產(chǎn)生熱水使集熱水貯箱達(dá)到最高水位h3后，定溫上水電磁閥F1不再開啟，系統(tǒng)自動(dòng)比較集熱器出口水溫T1與熱水貯箱出口水溫T2，當(dāng)T1－T2＞8 °C時(shí)，集熱循環(huán)泵P1自動(dòng)開啟溫差循環(huán)，當(dāng)T1－T2＜2 °C時(shí)，集熱循環(huán)泵P1停止。

4.3 快速補(bǔ)水

如果恒溫用水量較大，從集熱水貯箱進(jìn)行補(bǔ)水，集熱水貯箱內(nèi)的水位快速下降至最低警戒水位h1時(shí)，補(bǔ)水電磁閥F1打開，系統(tǒng)快速補(bǔ)水，避免系統(tǒng)斷水，當(dāng)水箱上升至最小水位h2時(shí)，系統(tǒng)再次進(jìn)入初始定溫補(bǔ)水過程。

4.4 自動(dòng)輔助加熱

當(dāng)恒溫水箱內(nèi)T2高于用戶用水設(shè)定值時(shí)，輔助熱源不工作；當(dāng)恒溫水箱水溫較低，T2低于50 °C時(shí)，空氣源熱泵自動(dòng)啟動(dòng)進(jìn)行加熱，當(dāng)T2升至60 °C時(shí)，空氣源熱泵機(jī)主關(guān)閉，系統(tǒng)停止加熱，以保證用戶供水溫度相對穩(wěn)定。

4.5 定時(shí)定溫管道循環(huán)

用戶供熱管路設(shè)置供水增壓泵，并利用時(shí)間控制增壓泵啟停。一般可根據(jù)企業(yè)規(guī)定的開放時(shí)間提前3 min，增壓泵開始啟動(dòng)并使管道內(nèi)冷水回流至水箱中，直至用水時(shí)間結(jié)束時(shí)停止。這樣既可以起到增壓作用而且確保了即開即熱，還可根據(jù)管道溫度探頭T4采用溫控循環(huán)加熱，當(dāng)T4低于55 °C時(shí)，啟動(dòng)管道增壓泵，直至T4達(dá)到58 °C時(shí)關(guān)閉管道增壓泵。

4.6 防凍循環(huán)

當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入冬季夜間，為了防止太陽能集熱器結(jié)冰，影響次日白天的正常集熱循環(huán)，因此需要進(jìn)行防凍循環(huán)，為了避免將恒溫水箱內(nèi)的溫度循環(huán)降低，該方案設(shè)計(jì)與集熱水箱進(jìn)行循環(huán)。系統(tǒng)循環(huán)泵冬季每啟動(dòng)2 min，停止工作60 min。

5 系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性分析

太陽能輔助空氣源熱泵系統(tǒng)在夏季以及春秋晴好天氣完全可以依靠太陽能系統(tǒng)提供全部熱水，系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用極低。而在春秋季陰雨天及冬季（約占全年天數(shù)的1/3）則主要依靠空氣源熱泵系統(tǒng)，主要耗電量為空氣源熱泵耗電量。現(xiàn)以燃?xì)忮仩t、太陽能輔助電加熱、和太陽能輔助空氣源熱泵系統(tǒng)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)分析對比，其效果見表1。

表1 不同熱水系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)分析

6 施工安裝設(shè)計(jì)要點(diǎn)

（a）太陽能集熱器的支架采用熱鍍鋅角鋼現(xiàn)場拼裝，外做防腐處理。管道支架采用國標(biāo)熱鍍鋅角鋼加噴塑，螺栓采用不銹鋼材質(zhì)。

（b）考慮到高溫水具有較大的腐蝕性，集熱器之間的連接均采用硅膠管，循環(huán)主管道一般也應(yīng)采用耐腐蝕管材。本工程采用內(nèi)襯塑鋼管，既耐腐蝕又有較好的承壓性，可有效減少系統(tǒng)滲漏水且較為經(jīng)濟(jì)。

（c）整個(gè)太陽能集熱器循環(huán)管路要考慮系統(tǒng)排氣。自動(dòng)排氣閥的位置一般設(shè)置在循環(huán)進(jìn)水管、循環(huán)回水管與集熱器之間。

（d）屋面設(shè)備需考慮防雷設(shè)計(jì)。本工程采用等電位法，將熱水設(shè)備防雷系統(tǒng)與所安裝大樓的屋面防雷系統(tǒng)相連接。

（e）整個(gè)系統(tǒng)的保溫分為管路系統(tǒng)和熱水箱兩部分考慮。管路系統(tǒng)外保溫采用黑色橡塑管殼，熱水箱外保溫采用巖棉制品，厚度均按照國家有關(guān)規(guī)范執(zhí)行。

（f）由于是改造工程，本工程屋面設(shè)備的擺放位置還需參考該棟建筑原結(jié)構(gòu)梁布置，盡可能使主要荷載落在主、次梁上或承重墻上，以避免荷載集中于無支撐屋面板上。

7 結(jié)語

本工程空氣源熱泵系統(tǒng)負(fù)荷按照冬季最不利情況計(jì)算，為了運(yùn)行能更靈活，機(jī)組數(shù)量按4 臺(tái)布置，沒有把電加熱作為輔助熱源，這主要還是從節(jié)能的角度考慮。但作為整套系統(tǒng)維護(hù)、保養(yǎng)的備用，筆者建議仍可以適當(dāng)考慮采用電輔助熱水箱，以確保熱用水不中斷。

從實(shí)踐效果來看，與燃?xì)忮仩t和用電為主的加熱方式相比較，太陽能輔助空氣源熱泵系統(tǒng)的年燃料費(fèi)用大大的節(jié)約了，不僅能很快收回投資成本，從長遠(yuǎn)的角度看，也為企業(yè)帶來不小的經(jīng)濟(jì)效益。更重要的是從節(jié)能環(huán)保角度出發(fā)，其社會(huì)意義重大。

（a）在當(dāng)前國家著力推行節(jié)能減排發(fā)展戰(zhàn)略的契機(jī)下，太陽能和空氣能作為一種取之不盡、用之不竭的自然資源應(yīng)該善加利用，是一種逐步取代高能耗、減少環(huán)境污染的產(chǎn)能方式。

（b）太陽能和空氣源熱泵的制熱原理不同，適用條件也不同，雖各有優(yōu)缺點(diǎn)，但可以做到取長補(bǔ)短，只要系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，基本能滿足全年運(yùn)行需求。

（c）太陽能輔助空氣源熱泵系統(tǒng)的自動(dòng)化程度較高、穩(wěn)定性好、使用安全可靠。但由于一次性投資仍較高，在一定程度上可能阻礙某些中小企業(yè)的節(jié)能改造，這需要決策部門從經(jīng)濟(jì)上予以支持，助力推廣。