太陽能及空氣源聯(lián)合熱水系統(tǒng)設(shè)計探討

解戰(zhàn)虎（中航長沙設(shè)計研究院有限公司，湖南　長沙　410000）

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太陽能及空氣源聯(lián)合熱水系統(tǒng)設(shè)計探討

解戰(zhàn)虎（中航長沙設(shè)計研究院有限公司，湖南長沙410000）

本文介紹了太陽能及空氣源聯(lián)合熱水系統(tǒng)的原理、分類及用范圍，同時介紹了太陽能以空氣源設(shè)計計算時需考慮的因素及參數(shù)的選擇。

太陽能；空氣源；熱水

1　應(yīng)用背景

隨著經(jīng)濟發(fā)展，節(jié)能減排的大力實施以及《民用建筑綠色設(shè)計規(guī)范》和《建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》等技術(shù)規(guī)范的出臺，太陽能熱水水系統(tǒng)得到快速的發(fā)展，但太陽能的輔助熱水一直是廣大設(shè)計設(shè)計者頭痛的問題，由于電輔熱的使用受到限制，燃?xì)鉄嵩吹暮笃谶\行費用過高，從而孕育了空氣源輔熱系統(tǒng)。

2　應(yīng)用范圍

由于空氣源目前的工作環(huán)境溫度為-7℃，因此空氣源的使用也受到地理條件的限制，我國長江以南地區(qū)可以優(yōu)先考慮空氣源做為太陽能系統(tǒng)的輔助熱源。同時由于太陽能空氣源聯(lián)合熱水系統(tǒng)初期投資較大，因此比較適合應(yīng)用在規(guī)模較大的集中熱水系統(tǒng)。

3　系統(tǒng)原理及分類

（1）整個系統(tǒng)由太陽能集熱系統(tǒng)及空氣源機組兩部分組成，包括太陽能集熱板、太陽能熱水循環(huán)泵、熱水水箱、空氣源熱水機組、空氣源熱水循環(huán)泵、生活熱水循環(huán)泵及控制器等。

（2）系統(tǒng)分類

①依據(jù)水箱可將系統(tǒng)分為單水箱和雙水箱，見圖1～2。

圖1　單水箱系統(tǒng)原理圖

圖2　雙水箱系統(tǒng)原理圖

②依據(jù)太陽能和空氣源組合形式可分為并聯(lián)式和串聯(lián)式，見3～4。

圖3　并聯(lián)式系統(tǒng)原理圖

圖4　串聯(lián)式系統(tǒng)原理圖

（3）設(shè)計運行工況

太陽能及空氣源聯(lián)合熱水系統(tǒng)主要運行工況為以下幾種：

（1）太陽能系統(tǒng)直接加熱生活熱水。在日照充足的白天，系統(tǒng)按此工況工作，此時太陽能熱水循環(huán)泵的工作由系統(tǒng)控制器根據(jù)太陽能集熱器和熱水水箱水箱進行控制。

（2）空氣源輔助太陽能集熱系統(tǒng)加熱生活熱水。當(dāng)光照不足或陰雨天時，太陽能集熱系統(tǒng)不足以使生活熱水水箱溫度達(dá)到設(shè)計溫度，則啟動空氣源熱水機組加熱熱水，當(dāng)水箱溫度達(dá)到設(shè)定值時，空氣源熱水機組自動關(guān)閉。

（3）太陽能和空氣源熱水機組同時加熱生活熱水。在日照良好情況下，如果熱水系統(tǒng)的耗熱量大于太陽能集熱系統(tǒng)的有效供熱量或太陽能集熱器的數(shù)量少，不能滿足熱水系統(tǒng)的用熱需求，則太陽能和熱泵機組同時工作向熱水系統(tǒng)供熱。系統(tǒng)采用自動溫差控制循環(huán)加熱，根據(jù)太陽能熱水系統(tǒng)的運行情況、環(huán)境狀況，結(jié)合空氣源熱泵的性能特點來自動切換熱泵機組的運行，最大限度少開機或不開機，從而確保熱水在不低于設(shè)計溫度供應(yīng)下限的前提下，為太陽能的充分利用提供保障，同時也為機組的節(jié)能利用和安全運行提供可靠的保證。

（4）空氣源熱泵機組直接加熱生活熱水。在連續(xù)的雨雪天氣，熱水系統(tǒng)所需熱量完全由空氣源熱泵機組提供。此時，太陽能系統(tǒng)處于待機狀態(tài)，熱泵機組單獨工作對熱水水箱加熱。

4　設(shè)計計算及參數(shù)選取

4.1水量選擇

由于該系統(tǒng)以太陽能系統(tǒng)為主，因此熱水用水定額依據(jù)規(guī)范取下限，詳見表1。

表1　

4.2太陽能系統(tǒng)計算

式中：Ac——直接系統(tǒng)太陽集熱器采光面積，m2；

Qw——日均用水量，kg；

tend——儲水箱內(nèi)水的終止溫度，℃（設(shè)計用水溫度）；

Cw——水的定壓比熱容，4.18kJ/（kg·℃）；

ti——水的初始溫度，℃（依據(jù)當(dāng)?shù)刈罾湓缕骄疁卮_定）；

Jt——傾角等于當(dāng)?shù)鼐S度時，傾斜表面平均日太陽總輻照量，kJ/m2·d；

f——太陽能保證率，%；根據(jù)系統(tǒng)使用期內(nèi)的太陽輻照、系統(tǒng)經(jīng)濟性及用戶要求等因素綜合考慮后確定，宜為30～80%；

ηcd——集熱器的年平均集熱效率；根據(jù)經(jīng)驗取值宜為0.25～0.50，具體數(shù)值應(yīng)根據(jù)集熱器產(chǎn)品的實際測試結(jié)果而定；

ηL——貯水箱和管路的熱損失率；根據(jù)經(jīng)驗宜取值為0.20～0.30。

（2）太陽能集熱面積的補償計算

當(dāng)集熱器的的方位角偏離正南和傾角不等于當(dāng)?shù)鼐S度時，集熱器面積應(yīng)按下式計算：

式中：A——補償后的集熱面積（m2）；

R——對應(yīng)集熱器安裝傾角、方位角時的面積補償比。（參照06SS128附錄二選?。?/p>

4.3空氣源系統(tǒng)計算

由于太陽能受天氣影響嚴(yán)重，考慮到最不利運行工況，因此空氣源應(yīng)按日均用水量考慮。

式中：Qg——熱泵機組設(shè)計小時平均秒供熱量，kW；

T1——熱泵機組工作時間，h；

k1——安全系數(shù)，（1.05-1.10）。

式中：q——單臺產(chǎn)品樣本中的名義制熱量 （標(biāo)準(zhǔn)工況下室外環(huán)境溫度20℃DB/15℃WB，進水溫度15℃，出水溫度55℃）；

K2——使用地區(qū)室外計算溫度修正系數(shù)；

室外計算溫度應(yīng)根據(jù)建筑用水安全性及用水要求確定：民用住宅以冬季供熱室外計算干球溫度（歷年平均不保證5d的日平均溫度）計；營業(yè)建筑以冬季空調(diào)室外計算干球溫度（歷年平均不保證1d的日平均溫度）；星級酒店以及重要場所以最低日平均溫度計。

K3——機組融霜系數(shù)，每小時融霜一次取0.9，兩次取0.8；

n——機組臺數(shù)。

4.4水箱計算

4.4.1單水箱

由于太陽能與空氣源均為不穩(wěn)定熱源，因此采用單水箱時，水箱有效容積應(yīng)為Qw。

4.4.2雙水箱

式中：qrjd——集熱器單位采光面積的平均每日產(chǎn)水量（根據(jù)產(chǎn)品實測結(jié)果確定），L/m2·d；

式中：T0——貯熱時間（按最大小時用水時間確定），h；

Qrh——設(shè)計小時熱水量，h；

4.5水泵計算

4.5.1太陽能循環(huán)泵

式中：qxz——單位采光面積對應(yīng)的工質(zhì)流量，由廠家提供（可按0.015～0.020?。?，L/s.m2；

式中：hjx——集熱系統(tǒng)循環(huán)管道的沿程與局部阻力損失，kPa；

（熱水流速：DN15～DN20，≤0.8m/s；DN25～DN40，≤1.0m/s；≥DN50，≤1.2m/s）

hj——循環(huán)流量流經(jīng)集熱器的阻力損失，由廠家提供，（無資料可按0.5kPa/m2），kPa；

hz——集熱器頂與貯熱水箱最低水位的幾何高差，kPa；

hf——附加壓力（取20～50），kPa。

4.5.2空氣源循環(huán)泵

式中：Qg——熱泵機組的設(shè)計小時平均秒供熱量，kW；

△tj——熱泵機組進出口溫差（根據(jù)機組的工作模式選定，分出水溫度恒定和升高水溫恒定兩種），℃；

ρr——熱水密度，kg/L；

Hkx——空氣源系統(tǒng)循環(huán)管道的沿程與局部阻力損失，kPa；

（熱水流速：DN15～DN20，≤0.8m/s；DN25～DN40，≤1.0m/s；≥DN50，≤1.2m/s）

Hk——空氣源機組入口壓力，kPa；

Hkf——附加壓力（取20～50），kPa。

5　存在問題

（1）由于目前空氣源熱泵的技術(shù)的限制，空氣源只能在平均溫度較高的地區(qū)應(yīng)用。

（2）太陽能與空氣源聯(lián)合熱水系統(tǒng)自動控制較為復(fù)雜，同時初期投資較大。

［1］《太陽能集中熱水系統(tǒng)選用與安裝》（06SS128）.

［2］《熱泵熱水系統(tǒng)選用與安裝》（06SS128）.

［3］《建筑給水排水設(shè)計規(guī)范》（GB50015-2003，2009版）.

解戰(zhàn)虎（1984-），男，研究生，工程師，主要從事給排水設(shè)計等工作。

TU83

A

2095-2066（2016）19-0133-02

2016-6-20