太阳能与空气源热泵配套热水工程实例技术分析
简介： 本文以设计工程为实例，介绍了太阳能－空气源热泵热水系统的工作原理和各组成部分的设计要求以及工程应用实例。通过对当初工程设计方案、具体施工情况用户回访等综合分析、比较，从而得出结论：太阳能+空气源热泵热水系统是一种实用的环保节能技术，具有很大的市场开发潜力。
关键字：太阳能 热泵 节能 热水系统
0 引言
目前，随着常规能源的紧缺及对环境污染的日益加据，太阳能已经成为人们关注的焦点。各种开发太阳能的方式层出不穷。无疑太阳能的热利用是目前最成熟的技术之一，太阳能热水系统已经被广泛推广。但是由于太阳能热水系统具有不连续性和受气象条件的影响大等缺点，因此常规利用太阳能热水系统一般采用各种能源的锅炉作为辅助热源，如电加热器或电锅炉、燃煤或燃油（气）锅炉、市政热力等。
空气源热泵技术是一种新型的节能制冷供热技术，但长期以来主要应用在采暖空调领域，空气源热泵节能降耗及环保方面的突出优点已经在这一领域得到证实。太阳能热水供应系统也越来越多的采用热泵设备作为辅助热源。目前两者结合的方式有两种：一种是直接以空气源热泵作为太阳能系统的辅助加热设备；另一种是利用太阳能热水为低温热源或将太阳能集热器作为热泵的蒸发器的太阳能热泵系统。两者的区别在于后者太阳能利用率更高，但具有不连续，仍然需要其他辅助热源。因此本次设计工程采用前者节能制热模式。
1 工程概况
杭州某宾馆位于杭州城区，由于长期以来使用电锅炉时期运行成本一直高持不下，因此为了提高其竞争力，决定采用太阳能热水+空气源系统。工程用水量10吨/天，温升为35℃。并且定温管道循环及加压供水。
2 太阳能+空气源热泵热水系统组成
太阳能+空气源热泵热水系统的主要组成部分为太阳能集热器、用于太阳能辅助加热空气源热泵机组、太阳能储热水箱、控制装置，热水泵等，其他辅助设备与常规的太阳能热水系统相同。如图1所示。
图1 系统组成框图
3 太阳能热水系统设计
3.1 气象参数
杭州位于其地理位置为：北纬29.07°，东经119.39°；年平均气温17.3℃-18.2℃，年太阳辐照量：水平面4069.89.99MJ/m2 ,年日照时数：1819.9h。 据资料计算杭州州地区40°倾角表面年平均太阳辐照量为5313.2MJ/m2，则太阳日辐照量为：14.6Mj/m2。
图2 太阳月平均辐照量图
3.2 热负荷计算
系统日耗热量：Qd=mс(tr-tL)ρr，通过计算可知：Qd=1465.45Mj；
集热面积确定：Ac=[Qwс(tend-tL)ρrf]/[JTηcd(1-ηL)]，通过代入参数计算：Ac=126m2。
系统小时耗热量Qh：Qh=Kh[mсqr(tr-tL)ρr]/86400；代入参数计算：Qh=86841.481W；
3.3 设计选型
3.3.1 集热管选型
采用的光芒φ58×1800新型全玻璃真空管，具有以下性能特点：
光芒新型全玻璃真空管技术参数
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真 空 管 |
高硼硅3.3玻璃 |
镀 层 |
吸收率 |
α≥0.92 |
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真 空 度 |
5×10-3Pa |
发射率 |
ε≤0.08 |
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抗 风 |
30m/s（11级） |
闷晒温度 |
200℃ |
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寿 命 |
≥15年 |
单管尺寸 |
￠58×1800 |
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抗 冰 雹 |
￠≤25mm |
吸 热 层 |
AL-ALNAL |
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3.3.2 储热水箱选型
设计水箱容积为10吨，太阳能储热水箱内胆采用1.0mm厚进口SUS304不锈钢板，厚度偏差符合GB/T 3280-1992的规定，外壳为0.5mm厚SUS202不锈钢板。保温材料为50mm的聚胺脂发泡保温，采用自动氩弧焊技术，保证焊缝平整，水箱侧面滚压加强筋。
3.3.3 热水循环泵选型
全日供应热水系统的热水循环流量计算：qx=Qs/(1.163△tρ) 则：qx=746L/h；此循环流量即为水泵的流量；水泵的扬程根据公式：Hb=hp+hx计算，即循环水量通过配水管网的水头损失和循环水量通过回水管网的水头损失之和；设计集热循环泵选用进口WILO热水循环泵，具有低能耗、高效率、寿命长、无噪音等优点。
3.3.4 控制系统选型
根据本系统要求，控制系统可以显示储热水箱水温水位、集热器温度等，各个参数可以根据需要随时更改。完全实现自动化智能控制，控制系统自动运行。另外系统设置了手动控制功能。
3.2.5 管道及保温选型
采用品牌PPR管。系统设有排气设备以防管路气塞；为方便维护，进出水口管道设有辅助阀门，电线等均选用优质国标线。管道保温采用30mm厚橡塑保温管保温。
3.3.6 支架选型
采用国标热镀锌角钢现场焊接，具有统一性和美观性，并喷塑处理。
4 空气源热泵系统设计
4.1 工作原理
空气源热泵机组主要有蒸发器、压缩机、冷凝器和膨胀阀四部分组成。空气源热泵热水机组是运用逆卡诺循环原理。热泵热水器借助一小部分电能带动压缩机工作，实现卡诺循环，在此循环过程中传热介质在蒸发器中蒸发，吸收空气中的热量，变成低温低压气体，经压缩机压缩后变为高温高压气体，然后在冷凝器中通过热交换器与冷水进行热交换，之后变为高温液体，经过膨胀阀节流，变成低温液体，再次进入蒸发器，如此往复循环。从而使水温不断提高。简单可以概述为：通过让工质不断完成蒸发（吸取环境中的热量） →压缩→冷凝（放出热量）→节流→再蒸发的热力循环过程，从而将环境里的热量转移到水中。如图3所示。
图3 空气源热泵原理图
4.2、太阳能热水系统设计
4.2.1 空气源热泵机组输出功率计算
根据前面的计算加热10吨水温升35℃，系统日耗热量为Qd=350000kcal；则通过计算：P＝301.2KW；设机组加热8小时计算，则机组输出功率为：P每小时功率＝37.65KW。
4.2.2 空气源热泵机组选型
热水加热设备的计算主要依据耗热量、热水量和热媒耗量来确定，同时也是对热水供应系统进行设计和计算的主要依据。通过上述计算，初步确定机组的输出功率，根据输出功率确定相近功率的热泵机组。本次设计选择光芒MD100机组一台。其性能参数如下。
MD100技术参数
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额定制热量 |
36.8KW |
额定工作电压 |
380V |
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额定输入功率 |
9KW |
额定工作电流 |
18A |
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额定制热水量 |
900L/H |
额定工作频率 |
50HZ |
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防护等级 |
IP65 |
额定出水温度 |
55℃ |
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噪音 |
≤62DB |
防触电等级 |
I级 |
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压缩机 |
谷轮 ZR62KH |
风机功率 |
250W |
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重量 |
330Kg |
管径 |
DN32 |
光芒空气源热泵机组具有高效节能、运行费用低等优点，能效比高达3.5--6，机组可以在环境温度-10℃-45℃的范围内工作，系统全自动运行。热泵机组采用美国谷轮原装高温型涡旋压缩机，完全适应热泵制热系统冷媒压力高、温度高的特点，长期运行性能稳定可靠。同时选用外螺纹同轴套管式换热器，具有耐压耐震、抗污能力强、换热面积大等优点，保证热泵机组充分地从空气中摄取热量，采用了大功率低噪音轴流式电机风机组件，使热泵机组的工作效率大幅度提高，同时减少了噪音污染。
热泵机组具有齐全的保护措施：高低压保护、水流不足保护、过载过流保护、相序保护、卸压保护等，冬季系统可以自动去霜。系统具有故障自检功能，可以查询相应的参数，高度智能化运行。
５、太阳能+空气源热泵热水系统原理
图4 太阳能+空气源热泵热水系统原理图
5.1、太阳能热水系统原理及运行方式
太阳能热水系统设计为直流系统+强制循环系统，采用定温进水与温差控制循环相结合的运行方式。当集热系统中的出水温度达到设定值时，自动打开上水设备把太阳能集热器中的热水顶入水箱并储存；低于启动温度某一值时，自动停止设备。补充的冷水在集热系统中吸收太阳能被加热，如此不断反复使水箱内水满，水箱水满后停止进水；当集热器中的出水温度与储热水箱中的水温温差高于设定温差时，集热循环泵自动启动，把储热水箱中的低温水与集热器中的高温水和进行交换；低于启动温差某一值时，集热循环泵自动关闭．如此不断反复从而使整个水箱中的水温升高达到用户要求。
5.2、空气源热泵辅助加热系统方式
当冬季或阴雨天光照不足，太阳能热水系统产生的热量无法使水箱水温达到设定温度时，系统自动启动空气源热泵工作辅助加热补充热量提高水温，当水温高于设定温度某一值时时，控制系统自动停止空气源热泵工作。
5.3、定温管道增压循环系统
当管道内温度低于设定值时，自动启动管道循环增压泵，将管道内的低温水与水箱内的高温水交换，从而保证管道内的水温在某一温度范围，保证用户一打开水龙头就有热水；当管道内水温满足要求时，自动关闭管道循环增压泵。当管道内水压低于设定值，增呀泵启动工作，保证水压满足要求。当太阳能集热水温低于设定温度时，自动启动集热循环泵,太阳能集热系统通过防冻循环控制，保证室外集热系统冬季不被冻结。
6、安装调试与运行
前期系统设备安装竣工并经试压，冲洗合格后。就可以投入试运行，进行测试和调整，主要测试项目包含：
①太阳能热水系统定温上水、温差循环功能测试；通过控制器调整参数试运行；
②试验远程控制功能，检验水温水位显示是否正确；测试远程设备相应按钮功能是否能实现；
③调整参数进行增压定温管道循环实验；检查水压是否符合标准；
④测试手动控制功能，检验是否可用；
⑤调整参数启动空气源热泵工作，测试工作是否正常；
⑥按比例调整各系统的水量分配，并将平衡阀的开度记录报告上。水量调整好以后，应将所有平衡阀锁定，并在调节手柄上以油漆刷上冷热标记。
⑦按不同的设计工况进行试运转，调整至符合设计规定的参数值。
⑧根据实际气象与水温工况，让系统连续地运行不少于24小时，并对系统进行全面检查，调整，考核各项指标，以全部达到设计要求为合格。
7、系统能耗分析
本次项目是采用太阳能+空气源热泵热水的运行方式，根据太阳集热器面积及集热性能参数、设计的集热器倾斜角及当地的气象资料等，计算得出年节能量。
项目为10T太阳能热水工程，倾角设计为40°，集热面积为126m2 ，其中工业用电按0.8元/度，电热水器效率为95%，燃气锅炉效率为80%，天燃气价格2.5元/m3；柴油4.5元/kg，燃油锅炉效率为80%；则太阳能热水系统年节能量：
△Qsave=AcJT(1-ηc)ηcd
=126m2×5313.2MJ/m2×（1-20%）×50%=1267785.28MJ；
如果采用天然气作为热源相当于每年可以节省费用为：
Wj=△QsaveCc=1267785.28MJ×0.07元/MJ=18744.9元/年
式中Cc为设计当年选择的常规能源的热价。
如果采用电加热系统作为热源相当于每年可以节省费用为：
Wj=△QsaveCc=1267785.28MJ×0.22元/MJ=278912元/年。
如果采用燃油系统作为热源相当于每年可以节省费用为：
Wj=△QsaveCc=1267785.28MJ×0.1元/MJ=126778元/年。
8、结论
通过对上述工程的实例分析，空气源热泵冷热水机组只是从空气中吸取热量或向空气中释放热量，对环境几乎不造成什么影响，这一点和太阳能相媲美，两者的结合更环保节能！另外，不需要设置单独机房、低能耗高效率，符合我国缺水国情。太阳能+空气源热泵做为一种环保节能制热方式，全年综合节能率85%以上，很值得推广！