江苏泰州水上消防中心太阳能结合空气能热水工程浅析
来源：太阳能工程
1项目概况
本工程为消防中心浴室生活用热水，系统需满足20多位消防官兵淋浴用热水需求，设计总用水量约为3.5t。采用空气源热泵机组结合太阳能系统方式满足该系统生活用热水需求。热泵机组、保温水箱及太阳能集热器与其他相关设备均安装在工程地点屋面上，采用24h供水方式，设计有回水。
2地理位置及气候
泰州市在北亚热带湿润气候区，受季风环流的影响，具有明显的季风性特征。这里四季分明，夏季高温多雨，冬季温和少雨，具有无霜期长，热量充裕，降水丰沛，雨热同期等特点。泰州市的气温最高在7月，最低在1月，冬夏季南北的温差不大，年平均气温在14.4℃～15.1℃，年平均降水量1037.7mm，降雨日为113d，但受季风的影响，降水变率较大，且南北地域之间亦存在着差异。泰州市地区的温度带属亚热带、干湿区属湿润区。泰州地区一般在3月底、4月初进入春季，6月上、中旬进入夏季，9月中旬开始进入秋季，11月中旬转入冬季。大致每年冬季有4个多月，夏季有3个多月，春、秋季各2个多月。
3设计依据
1.建筑给水排水设计手册
2.建筑给水排水设计规范（GB50015—2003）
3.建筑给水排水和热水供应设计规范
4.给水排水国家建筑标准设计图集
5.商业或工业用及类似用途的热泵热水机（G21362-2008）
6.热泵热水系统选用与安装（06SS127）
7.热泵产品样本及说明书
8.热泵智能环境模拟实验室的运行数据
9.太阳能集中热水系统选用与安装（O6SS128）
10.客户提供的数据
4设计参数
最冷月冷水设计温度：5℃；
热水最高设计供水温度：55℃；
设计总用水量为3.5t；
水的比热：C=4.187kJ/kg·℃=1kJ/kg·℃
当地年平均日辐照量：12156kJ/（m2·d）
5设计计算
5.1每天耗热量计算
3.5t热水，3.5t冷水加热到55℃的日耗热量按公式计算得：213.66kW。以机组工作18h计，小时耗热量为12.46kW。
5.2太阳能集热面积根据计算公式计算，太阳能集热面积需：
5.3设备选型
1热泵
根据经验初定选用1台DKFXRS-15Ⅱ型热泵机组。
参照低温（7℃）工况检测报告的数据，DKFXRS-15Ⅱ热泵机组制热量为15.4kW，那么初定热泵数量的总制热量为：15.4伊1=15.4kW/h＞12.46kW/h（热泵机组设计小时供热量）那么，初定1台热泵基本满足热水制备需求。
2太阳能
由以上计算公式可得：太阳能集热面积为67.8m2。初定选用58伊1800伊50横插式太阳能集热器，每台集热器的集热面积约为8.4m2。
3辅助电加热
当环境温度低于5℃时，热泵制热量衰减，同时机组出水温度也会略有下降，为保证在环境温度为-5℃时仍能满足热水的生产要求，系统配备电辅助加热。环境温度-5℃时，DKFXRS-15Ⅱ型空气源热泵热水机组的制热量约为9.5kW，那么电辅助功率需达到：（12.46-9.5伊1）伊1.1=3.256kW/h
其中1.1为经验系数。（考虑冬季热泵机组结霜化霜修正系数、电辅助加热效率）
考虑当地气候状况，系统配置总功率为3kW的电辅助加热器1台。
4）水箱
a.太阳能集热水箱
太阳能水箱只是作为冷水的预热水箱，所以体积不需要太大，考虑项目的投资成本，取太阳能集热水箱容积约为2t。
b.热泵储热水箱
因空气源热泵机组为缓慢蓄热式加热设备，储水箱需保证全天足够的用水量，但考虑太阳能系统已设置2t不锈钢内胆保温水箱，则热泵储热水箱设置为2t，依然能够满足用水需求。
5水泵
a.热泵机组循环泵
循环水泵是用来连接水箱与热泵热水机组，与之连接成一个完整的循环系统。为了确保系统运行的安全和稳定性，本案将按一机一泵的方式选用水泵。
根据热泵热水机组的各项功能参数，可确定循环泵的参数必须满足：Q逸3m3/h，H逸15m，储热水箱与机组安装在同一地点。（DKFXRS-15Ⅱ空气源热泵热水机组的循环流量3m3/h）可选用南方水泵CHL4-20，1台。
b.供水泵
本工程用水点为10个，按24h供水方式。水泵扬程需满足顶层最不利点的流出水头，初步估算应不小于15m。
可选用南方水泵CHL2-30，2台，压力开关控制。
c.太阳能集热器循环泵（需经太阳能厂家校核）
太阳能集热器作为一个模块，与太阳能水箱循环加热。循环泵的循环流量按太阳能集热面积确定，循环泵的参数必须满足：Q≥1m3/h，H≥6m，太阳能水箱与太阳能集热器安装在同一地点。每模8台太阳能集热器的循环流量约为1m3/h（估算数值）。
可选用威乐水泵PH-101E，1台。
d.倒水泵
主要用来将太阳能水箱的水输送到热泵水箱，流量满足设计小时用水量，扬程需满足热泵水箱的高度及管路损失，初步估算应不小于10m。
可选用南方水泵CHL2-20，2台（一用一备）。
6系统运行方式
1.为了能够充分利用太阳能，系统采用双水箱，太阳能循环系统单独设置一台水箱，在运行过程中，太阳能集热器能够不断地对水箱进行加热。热泵系统的水来自太阳能系统水箱，保证进入热泵系统的水都是经过太阳能系统预热的，如果水温达到供水要求，那么热泵系统不再启动，如果水温达不到供水要求，热泵启动继续加热。
2.系统组成：一只2t热水箱与1台DKFXRS-15II热泵机组加热，一只2t太阳能集热水箱与68m2太阳能集热器连接循环加热。
3.系统初始运行时，手动补水至水箱溢流水位后，停止补水转由系统自动控制。
4.太阳能水箱通过浮球阀补水，随时保证水箱满水位。热泵水箱根据水箱液位和水箱水温控制，当SL低液位信号和水箱内部高温信号同时送至太阳能倒水泵时，倒水泵启动进行倒水；当SL高液位信号和水箱内部温度开关低温信号任一送至倒水泵时，倒水泵关闭停止倒水。水箱液位、温度的设定可根据用水实际情况调整。
5.太阳能集热系统采用温差循环。当集热器内的水温比水箱内水温的高出值大于设定温度时，集热器循环泵启动；当集热器内的水温比水箱内水温的高出值小于设定温度时，集热器循环泵关闭。
6.热泵系统配置3kW电加热器1只，由系统主板控制或手动控制。
7.热泵的启停受水箱温度控制，也可以手动控制。当水箱温度低于设定温度时，热泵启动加热；当水箱温度高于设定温度时，热泵关闭。
8.热水供水采用水泵增压供水方式，压力开关控制。回水由电磁阀及回水管上温度控制。
9.太阳能集热器管路设有防冻循环措施。当循环管路水温低于设定温度时，开启太阳能循环泵；当循环管路水温达到设定温度时，关闭水泵。
7经济性分析
1.计算前提
1）春秋季183d，平均环境温度18℃，平均水温15℃；夏季92d，平均环境温度26℃，平均水温22℃；冬季90d，平均环境温度5℃，平均水温5℃。每年阴雨天气占全年的1/3。
2）每t冷水加热到55℃的日耗热量：春秋季42000kJ，夏季34650kJ，冬季52500kJ。（不计回水消耗热量）
3）电价0.8元/kW·h，天然气单价3元/m3，柴油单价8.34元/kg，蒸汽单价200元/m3。天然气热值8600kJ/m3
，热效率75%；柴油热值10200kJ/kg，热效率85%；蒸汽热值600000kJ/m3热效率90%；电热值860kcal/kWh，热效率95%。
4）环境温度18℃时，DKFXRS-15Ⅱ热泵机组COP值4.25。环境温度26℃时，DKFXRS-15Ⅱ热泵机组COP值4.75。环境温度5℃时，DKFXRS-15Ⅱ热泵机组COP值3.5。
2.空气源热泵+太阳能系统运行费用
在太阳能足配的情况下，全年除了阴雨天气，热泵几乎不用启动加热，那么本系统的运行费用也就阴雨天气热泵运行产生的费用。
1）春秋季：42000÷860÷4.25×0.8×183×1/3=561元
2）夏季：34650÷860÷4.75×0.8×92×1/3=208元
3）冬季：52500÷860÷3.5×0.8×90×1/3=419元
冬季启用电辅天气的平均温度0℃，计有20天。其中5℃温升需要电辅加热，即5250kJ热量需要电辅完成。那么，冬季电辅助加热设备的运行费用为：
5250÷860÷95%×0.8×20×1/3=34.27元
4）每t水运行费用：（561+208+419+34.27）÷365=3.35元
3.燃气锅炉系统运行费用
1）春秋季：42000÷8600÷75%×3×183=3575元
2）夏季：34650÷8600÷75%×3×92=1483元
3）冬季：52500÷8600÷75%×3×90=2198元
4）每t水运行费用：（3575+1483+2198）÷365=20元
4.燃油锅炉系统运行费用
1）春秋季：42000÷10200÷85%×8.34×183=7393元
2）夏季：34650÷10200÷85%×8.34×92=3066元
3）冬季：52500÷10200÷85%×8.34×90=4545元
4）每t水运行费用：（7393+3066+4545）÷365=41.1元
5.蒸汽系统运行费用
1）春秋季：42000÷600000÷90%×200×183=2847元
2）夏季：34650÷600000÷90%×200×92=1181元
3）冬季：52500÷600000÷90%×200×90=1750元
4）每t水运行费用：（2847+1181+1750）÷365=15.83元
6.电锅炉系统运行费用
1）春秋季：42000÷860÷95%×0.8×183=7526元
2）夏季：34650÷860÷95%×0.8×92=3121元
3）冬季：52500÷860÷95%×0.8×90=4627元
4）每t水运行费用：（7526+3121+4627）÷365=41.8元
8投资效益
注：表1中的相关数据虽不能完全反映全部的运行数据，但可从比较宏观的方面反映出系统主要的运行费用。B、C、E为锅炉类方案，需增加锅炉的日常维保、检测及管理人员费用，其中天然气管路敷设需要增加开户费用等；D为蒸汽换热方案，同样需要开户费用增加，设备日常维保、检测及管理人员费用。A为热泵热水方案，可实现全年无人管理，系统自动运行，不存在压力容器等高危设备，安全性能较锅炉强。
