五星太阳能长沙麓山国际学校平板太阳能热水系统
广东五星太阳能股份有限公司 夏晨星 孙铁军 李志伏
长沙麓山国际实验学校是1993年经长沙市人民政府批准成立，由长沙市教育局直接创办的一所集小学、初中、高中于一体的寄宿制学校。实行“学校国有、校长负责、经费自筹、办学自主”的新型办学体制。2001年，学校与誉满三湘的百年名校——长郡中学组建成长郡教育集团。学校座落在岳麓山下，湘江河畔，环境优美，景色怡人，宛如一颗璀璨的明珠，镶嵌在望月湖文明小区的青山绿水之间，是读书求学、陶冶性情的理想园地。
该校有学生宿舍楼一栋，共10层，共住宿学生2160人，五星太阳能公司为该校设计安装了一套平板太阳能配套空气源热泵的热水系统，满足了学生的洗浴需求，运行效果良好。
一、一、太阳能系统设计
1、设计用热水资料
（1）、用水人数：学生宿舍楼1~10层，每层27间宿舍，每间宿舍8人计，共计2160人；
（2）、用水定额：学生用水按40L/人 d计；
（3）、日用热水总量：86.4吨/日；
（4）、热水供应方式：早中晚三个时间段集中供水，花洒淋浴；
（5）、冷水计算温度：15℃；
（6）、热水计算温度：55℃；
2、当地气候和太阳能资源情况
（1）、年太阳总辐照量约为：4048.902MJ/㎡ a（倾角为等于当地纬度）
（2）、年平均日太阳辐照量约为：11.061MJ/㎡ d（倾角为等于当地纬度）
（3）、平均年日照小时数：1636.0h
（4）、年平均环境温度：17.5℃
（5）、太阳能保证率：长沙市为太阳能资源贫乏区（IV），太阳能保证率取f＝35%
（6）、集热器的年平均效率：ηcd按我公司产品取0.55(国标参考范围0.2～0.5)
※ 我国的太阳能资源区划指标
资源区划分 年太阳辐照量【MJ/（㎡ a】 太阳能保证率
Ⅰ资源丰富区 ≥6700 ≥60
Ⅱ资源较富区 5400～6700 50％～60％
Ⅲ资源一般区 4200～5400 40％～50％
Ⅳ资源贫乏区 ＜4200 ≤40％
3、太阳能集热器面积计算
工程概况：该工程位于湖南省长沙市，长沙市的地理位置为：北纬28.2°，东经112.9°；平板太阳能集热器以30°倾角安装在平屋面上；系统要求满足日用热水总量86.4吨，计算太阳能系统所需集热器面积；
（1）直接系统集热器总面积可按下式计算：
（式1）
式中：
——直接系统集热器采光面积，㎡；
——日均用水量，86400kg；
——储水箱内水的终止温度（用水温度），55℃；
——水的定压比热容，4.187KJ/（㎏ ℃）；
—— 水的初始温度，15℃；
——集热器倾斜面上的年日均辐照量 ＝11061KJ/㎡；
——太阳能保证率，选35%；
——集热器全日集热效率，我公司产品的国家检测数据取55％；
——管路及储水箱热损失率，无量纲，此处取0.2。
经计算得： =1040.6㎡。
（2）间接系统集热器总面积可按下式计算
……………………………（式2）
式中：
— 间接系统集热器总面积，㎡；
— 集热器总热损失系数，W/（㎡ ℃）；对平板型太阳能集热器，宜取4~6 W/（㎡ ℃），取4.2 W/（㎡ ℃）；
— 换热器传热系数，W/（㎡ ℃），取2500W/（㎡ ℃）；
— 换热器换热面积，㎡；取48㎡（4套12㎡）；
— 直接系统集热器总面积，㎡；公式1计算得：1040.6㎡。
经计算得： =1078.5㎡，由于宿舍平屋面安装面积有限，实际安装面积为610㎡。
4、工程设计方案
本优化设计方案针对屋面面积不足，造成太阳能安装面积不足，产水量不足的情况，采用空气源热泵辅助加热产热水系统，按春、夏、秋、冬四季晴天情况下优先利用太阳能加热，减少热泵辅助加热能源消耗，在太阳能加热后，温度不足时由热泵机组来进行辅助加热；为保证系统在冬季最不利情况下仍能满足正常热水供应，系统配备足够的高效空气源热泵机组进行辅助加热。系统以太阳能加热为主热泵机组加热为辅，为了节能，太阳能辐射强度够时，太阳能系统按照温差循环方式工作，热泵机组少运行或不启动；当太阳能辐射强度不够时热泵机组运行，不仅太阳能、热泵皆可在有效时段高效率独立工作，又能相互弥补，确保系统的热水供应。
本优化设计，充分利用太阳能集热器在日照有效时间来加热冷水，因为热泵机组不同于锅炉加热设备，同等投资条件下，热泵机组单位时间的产热量远低于锅炉类加热设备的出热量，所以，太阳能热水系统利用热泵作辅助时，尽可能延长热泵机组工作时间，对此，可以按照近似相等原则，把系统总用水量按照每日8小时有效加热时间，先由太阳能系统进行加热（也称预热），经过太阳能系统预加热的水的水温达不到设定时间段的温度值时{如：（9:30,25℃）,（11:30,35℃）,（13:30,45℃）,（15:30,55℃）}，再由热泵热水机组以定温方式进行辅助加热，加热至设定温度时，热泵辅助加热停止，太阳能系统继续按设定要求以温差循环的方式工作。这样太阳能系统与热泵辅助加热系统均可在日照有效时间或环境温度较高的时段同时工作，既达到了最大限度利用太阳能，又能使热泵机组工作时间相对延长，合理的解决热泵机组单位时间产水量较小的问题，能够控制初期投资在一定范围内，实现环保节能的目的。所以本优化设计综合了太阳能集热器及热泵工作特点，具有良好的性价比；所配备的辅助加热系统，即使在冬季或阴雨天等最不利情况下，单独热泵系统也完全能满足正常的热水供应：
按照校方用水的实际要求和楼面的结构特点，充分利用太阳能集热器在日照有效时间来加热冷水，结合五星公司多年设计安装各种大型及特大型太阳能-热泵热水工程的丰富经验，对该项目设备进行优化组合，以保证校方的用水质量。
※主要大型设备配置如下：
楼面共设计安装610㎡太阳能集热器，分成13个阵列区（9个50㎡+4个40㎡）4套太阳能（3套150㎡+1套160㎡）温差强制循环系统，配备2个40m3储热水箱，为不锈钢方形拼装保温水箱，安装在楼面，专业设计承重反梁（设计院设计出图）上，并用型钢固定。为确保热水供应温度的恒定及阴雨天或日照不足情况下仍能满足热水供应并有足量热水储备，系统配置了五星公司生产的型号为KRS-10S的空气源热泵热水机组（并联方式工作10台作为系统进行辅助加热。
二、热泵太阳能系统运行原理说明
根据设计要求，本项目热泵太阳能热水系统共配备610㎡平板型集热器、10台KRS-10S型空气源热泵、24支功率为12KW的辅助电加热管，宿舍楼早中晚定时段集中供应热水；系统各部分工作原理阐述如下：
a、集热温差循环：
当集热器阵列上循环出口温度T1和太阳能储热水箱的温度T2的温差到达设定值时（如8℃），集热循环水泵和换热循环泵启动，通过循环换热加热储水箱内的水，当温差低于设定温度时（如3℃），集热循环水泵和换热循环泵停止，停止循环换热；
b、系统补水：
考虑到学校宿舍学生早、中、晚都有用热水需求，而太阳能热泵加热过程比较缓慢，如果早上将全天的用水量全部补到水箱加热，在早上用热水时间会没有热水供使用，因此，本系统的补水根据学校的这个供水特点，将补水设置如下方式：
（1）学生早上用水为洗漱用热水，一般在6:00~8:00这个时间段，系统将在晚上用水后有一个补水的保底水位，即水箱的1/5水位（根据早上用热水量确定），并由热泵将其加热，以备早上用水段学生使用热水;
（2）学生中午用热水（这个时段建议不供水,用水量过渡会造成晚间热水供应量不足），在早上8:00以后，早上的热水供应段完毕，将储热水箱补冷水至1/2处，同时保证后续的加热的负荷，在上午8:00~12:00这个时间段内，太阳能和热泵的共同加热，储热水箱内的1/2已经加热的热水满足中午12:00~14:00供水段热水的需求；
（3）学生晚上热水供应（按照正常的用水习惯，17：30～21：30为用热水高峰期）储热水箱储存有足量、足温的热水备学生使用，在中午学生热水使用段后，将储热水箱补水至满水位，由系统配置的补水电磁阀控制，以定时、定量方式自动从天面冷水管网补充到储热水箱中，确保在用水前2小时把储热水箱补满。当供水系统出现超量用水时，在供水的前半时间段中（假定用水时间为4个小时，前3个小时为冷水补水时间段，后1个小时不补冷水），水箱水位低于保底水位时（保底水位为水箱水位的1/5，用户可自行设定），补水电磁阀启动，定量补充冷水到储热水箱中，水位高于保底水位100mm时，停止补水，同时系统配置的热泵热水机组和热泵循环泵启动，系统进行定温加热，确保在后面冲凉的学生有热水使用，满足系统超量用水的要求。在供水的后半时间段中，考虑到热泵热水机组加热时间缓慢，补入的冷水无法短时间内加热到设定温度，所以冷水电磁阀不启动，即系统不再补冷水，储热水箱水位降到水箱控制水位下限时（或储热水箱中的水用完，用户可自行设定），不再供应热水。
c、空气热泵辅助加热控制：
空气热泵机组辅助加热受储热水箱中的水温、水位和设定的时间段控制{如：上午水箱在1/2水位时（9:30,25℃）,（10:30,35℃）,（11:30,45℃）,（12:30,55℃）；下午水箱满水位时，（15:30,45℃）,（16:30,55℃）}。如果储热水箱中的水温达不到设定时间段的温度，热泵机组和热泵循环泵就按照定温方式来进行辅助加热，储热水箱中的水在空气热泵机组和水箱之间循环加热，直至达到设定的温度时，空气热泵机组和热泵循环泵停止工作。当储热水箱中的水经过太阳能系统温差强制循环后达到设定的温度，空气热泵机组和热泵循环泵就无需启动进行辅助加热；如此反复，确保系统可靠的热水供应。系统配备的24支12KW的电加热管在热泵不利工况下启用。
d、热水加压及回水：
在供热水管上安装加压回水泵，受管网压力、温度、供水时间段控制，当管网有用水时，启动加压泵供应热水。在管网末端设定温回水电磁阀，管网末端温度低于35℃时电磁阀（和低区回水泵）开启回水，高于45℃时回水电磁阀关闭。
三、安装效果
