太陽能和空氣源熱泵熱水系統(tǒng)在浴室中的應(yīng)用

潘軍剛

（中國石油大學(xué)（華東） 后勤管理處，山東 青島 266580）

1 工程概況

青島某高校第12#學(xué)生宿舍樓，建筑面積13000m2，入駐學(xué)生人數(shù)1000人，屋頂原有太陽能集熱面積140m2，水箱容量為8m3.學(xué)生通過刷智能IC卡進(jìn)行洗浴消費.由于太陽能集熱系統(tǒng)沒有輔助加熱系統(tǒng)，陰雨天氣條件下，無法產(chǎn)水熱水，且存在供水不足及忽冷忽熱現(xiàn)象，洗浴效果不理想，學(xué)生意見較大.經(jīng)考察論證，從可行性、穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保等多方面綜合分析，決定在保留原有太陽能熱水系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，通過加裝空氣源熱泵來改善洗浴條件，使熱水供應(yīng)能夠滿足該浴室的使用要求.

2 空氣源熱泵介紹

空氣源熱泵熱水系統(tǒng)采用逆卡諾循環(huán)原理，以空氣為低溫?zé)嵩矗蒙倭康碾娔茏龉牡蜏貍?cè)吸收熱量來加熱生活用水.它是一種高效節(jié)能且環(huán)保的設(shè)備，空氣源熱泵熱水系統(tǒng)具有很大的節(jié)能潛力.空氣源熱泵系統(tǒng)在青島地區(qū)能效比（COP）超過3.0，具有能效高、運行費低、環(huán)保、節(jié)能等特點，完全可以滿足冬季采暖及生活熱水的需求[1].

3 空氣源熱泵負(fù)荷計算

根據(jù)熱量計算公式：Q=C·M·△t

空氣源熱泵總負(fù)荷為：Q=1000Х8Х51=408000（kcal）

式中：Q—系統(tǒng)加熱所需的總熱負(fù)荷，kcal；

C—水的比熱4.187kj/（kg.℃），而4.187kj=1kcal，經(jīng)過換算得出：C=1000kcal/（T.℃）；

M—系統(tǒng)配置的總水量，m3；

△t—最不利氣候條件下的起始水溫與終了水溫的差值，本系統(tǒng)為55℃-4℃=51℃，山東地區(qū)冬季自來水水溫設(shè)計為4℃[2].

根據(jù)某品牌空氣源熱泵機(jī)組性能（COP）曲線，如圖1所示，空氣源熱泵機(jī)組在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境溫度（20℃）的COP值為4.46，山東青島冬季COP修正系數(shù)取0.60.則根據(jù)公式Q′=Q/（860hk）,該學(xué)生宿舍樓熱水系統(tǒng)每小時的熱負(fù)荷為：

圖1 某品牌超低溫?zé)岜脵C(jī)組COP曲線圖

Q'=408000/(860Х14Х0.6)=56.5(kw)

式中：Q'—系統(tǒng)每小時需要的熱負(fù)荷kw；

Q—系統(tǒng)加熱所需的總熱負(fù)荷kcal；

860—系統(tǒng)電熱值kcal/kw；

h—最長工作時間（指冬季，最大工作時間一般不超過16小時為宜，本工程取最大工作時間以14小時計算）；

k—COP修正系數(shù)，山東青島地區(qū)取0.60.

4 設(shè)備選型

4.1 熱泵

根據(jù)熱負(fù)荷計算結(jié)果，熱泵系統(tǒng)的每小時制熱量必須大于等于系統(tǒng)需要的小時熱負(fù)荷，才能滿足冬季氣候條件的加熱產(chǎn)水要求.所以，根據(jù)某品牌10P高效超低溫空氣源熱泵機(jī)組DE-92W/DW的運行技術(shù)參數(shù)表，查得10P低溫?zé)岜脵C(jī)組單機(jī)制熱量為39.5kw，由此可知，要滿足系統(tǒng)在最不利工作條件下的加熱需求，熱水系統(tǒng)需要配置10P高效超低溫?zé)岜脵C(jī)組的數(shù)量為：DE-92W/DW(10P)1臺，DE-46W/DW(5P)1臺.

4.2 循環(huán)水泵

根據(jù)工程實際，考慮系統(tǒng)循環(huán)水泵的循環(huán)水量，對每臺熱泵機(jī)組配置1臺熱水循環(huán)水泵，具體型號如表1所示.

表1 循環(huán)水泵配置表

4.3 增壓水泵

為消除原有熱水系統(tǒng)存在供水不足及忽冷忽熱等現(xiàn)象，可以通過配置熱水增壓水泵來解決.按照《建筑給水排水設(shè)計規(guī)范》GB50015-2009對增壓系統(tǒng)的設(shè)計要求，系統(tǒng)恒壓熱水供水增壓泵設(shè)計配置為PH-1500Q(Q=12m3/h，H=25m，P=1.5kw)，采用定時增壓供水的控制方式.

4.4 控制系統(tǒng)

保留原來太陽能熱水控制系統(tǒng)，改造后的熱水系統(tǒng)如圖2所示.空氣源熱泵熱水機(jī)組與原保溫水箱連接，系統(tǒng)控制方式為：熱泵機(jī)組通過放置在系統(tǒng)保溫水箱內(nèi)的水溫探頭自動檢測系統(tǒng)保溫水箱內(nèi)的水溫，當(dāng)水箱內(nèi)的水溫低于系統(tǒng)設(shè)置的水溫上限（默認(rèn)為55℃，可調(diào)節(jié)）5℃或以上時，熱泵循環(huán)水泵及熱泵主機(jī)將獲得啟動信號而運行進(jìn)行循環(huán)加熱（熱泵循環(huán)水泵先于熱泵主機(jī)啟動），直到保溫?zé)崴鋬?nèi)的水溫達(dá)到系統(tǒng)設(shè)置的水溫上限值（55℃，可調(diào)）時，熱泵主機(jī)自動調(diào)為待機(jī)狀態(tài).后，熱泵主機(jī)和熱泵循環(huán)水泵將獲得水箱水溫探頭輸出的停止循環(huán)加熱工作信號.如此往復(fù)，確保保溫?zé)崴鋬?nèi)的水溫保持在標(biāo)準(zhǔn)供水水溫范圍之內(nèi)，保證熱水供水質(zhì)量.

圖2 熱水系統(tǒng)布置圖

5 節(jié)能效益分析

5.1 全年輔助加熱天數(shù)計算

工程熱水總量按照8T計算，每天8噸熱水（55℃）系統(tǒng)的總熱負(fù)荷Q為360000kcal.經(jīng)查閱《工程設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)化—全國各地太陽能輻照量資料表》，可知青島每天傾斜表面平均太陽能輻射量為16.104MJ/（m2.日），原系統(tǒng)配置太陽能集熱器的總集熱面積為140m2，太陽能集熱吸收率取0.7，太陽能輻射率為55%，由此可以推算，該宿舍樓太陽能全年的輻射熱量為：

Q太陽=16.104MJ/（m2.日）×1000KJ/MJ÷4.2KJ/kcal×365日/年×140m2×0.75×55%=80821950kcal

全年這么多熱量能產(chǎn)的熱水量為（設(shè)計自來水全年平均溫度為10℃，則冷熱水溫差為45℃）：

M太陽=Q太陽/（C.△t）

=80821950kcal÷1000kcal/（T.℃）÷45℃=1796T

根據(jù)以上計算可知，全年需要輔助加熱的熱水量為：

M輔助=8T/天×280天（不含寒假、暑假）-1796T=444T

即全年輔助加熱天數(shù)累積相當(dāng)于：

d=444T÷8T/天 =55.5天

5.2 全年能耗用量對比如表2所示：

表2 不同的太能陽輔助加熱方式運行能耗對比

通過以上對比發(fā)現(xiàn)，空氣源熱泵輔助太陽能熱水系統(tǒng)的運行費用較低，分別為電輔助加熱和燃?xì)忮仩t輔助加熱系統(tǒng)的22.5%和52.5%，節(jié)能效果非常顯著.

6 結(jié)語

6.1 太陽能熱水系統(tǒng)在沒有輔助加熱設(shè)備的情況下，由于受多種因素影響，熱水供應(yīng)不穩(wěn)地，影響洗浴效果，在人員比較密集學(xué)生公共浴室中尤為明顯.

6.2 空氣源熱泵具有熱效高、節(jié)能、環(huán)保、安裝方便、系統(tǒng)穩(wěn)定、使用壽命長等優(yōu)點，在青島地區(qū)可以作為太陽能熱水系統(tǒng)的輔助熱源.

6.3 與其他輔助熱源相比，空氣源熱泵輔助太陽能熱水系統(tǒng)的節(jié)能效益非常顯著.

〔1〕李素花，代寶民，馬一太.空氣源熱泵的發(fā)展及現(xiàn)狀分析[J].制冷技術(shù)，2014,34（1）：42-48.

〔2〕中國建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計研究院.全國民用建筑工程設(shè)計技術(shù)措施給水排水 (2009年版)[M].北京:中國計劃出版社,2009.