太阳能+空气源热泵热水系统工程应用分析
摘要：关键词：太阳能，热水系统，宿舍应用
1工程概况
湖南大旺乳饮工厂食堂及倒班楼热水工程位于湖南省长沙市，该工程为屋顶热水系统，楼体建筑为六层，每栋设计日最大用热水量30m3，其中食堂供水由男生宿舍楼水箱供应，供水需多时段供水，系统拟采用太阳能+ 辅助加热(由于食堂每日蒸汽锅炉有多余热量无处使用，为充分利用热源及减少初投资，该项目辅助热源由蒸汽锅炉辅助和空气源热泵组成)的中央热水系统。
2系统原理
2.1补水工作原理系统采用定时定水位补水方式补水
在设定时间内，水位低于设定水位下限时，冷水电动阀打开补水，补水至设定水位上限时，冷水电动阀停止补水；当水位再次下降至低于水位下限时，冷水电动阀再次打开补水。
2.2太阳能循环工作原理
在集热器排空温度控制器无输出情况下，当T1-T2≥设定温差上限时，集热循环泵启动，当T1-T2降低至设定温差下限时，集热循环泵停止。
2.3辅助加热工作原理
为保障热水系统稳定供应热水，系统设辅助加热设备，在太阳能正常工作加热情况下系统优先利用太阳能加热。系统设随机检测装置，当太阳能不能加热或在设定时间内，当水箱水温T3≤设定温度下限时，蒸汽高温电动阀启动工作，至T3≥设定温度上限时蒸汽高温电动阀关闭。在设定时间内，当T6≤设定温度下限时空气源热泵启动工作，至T6≥设定温度时停止。
2.4宿舍楼加压供/ 回水工作原理
在设定时间内，供水泵自动启动加压供水，以确保各用水终端有足够的水压，为保证供水终端供水温度，系统设回水电磁阀，在供水时间内，当回水管末端温度T4≤设定温度下限时，回水电磁阀自动打开，管道内的冷水回流至水箱内重新加热，热水自动补充到管道内，当T4≥设定温度上限时，回水电磁阀自动关闭，停止回水。
2.5食堂供/回水工作原理
系统供水采用落差压力供水，由于食堂与男生宿舍楼顶水箱落差较大，能满足低区用水端水压。为保证低区供水终端供水温度，系统低区设回水泵，当低区回水管末端温度T4'≤设定温度下限时，回水泵启动工作，管道内的冷水回流至水箱内重新加热，热水自动补充到管道内，当T4'≥设定温度上限时，回水泵停止工作，停止回水。
2.6集热器防冻工作原理
当集热器组入口处温度T5≤排空温度下限(一般5℃)时，隔离电动阀关闭，排空电动阀打开，集热器组内的水利用集热器安装坡度自流排空；当集热器排空电动阀处温度T5≥设定排空温度上限(一般7℃)时，排空电动阀关闭，隔离电动阀打开，太阳能循环系统恢复工作状态。
2.7缺水保护
为防止水泵空转、加热设备干烧，当保温水箱水位低于设备工作最低水位下限时，加压供水泵、热泵、热泵循环泵、集热循环泵停止工作，系统强制启动补水至设定最低水位上限，所有保护设备恢复正常工作状态。
2.8所有水泵、热泵、电磁(动)阀具备手动、自动启动工作功能系统所有温度、定时、延时控制均可以根据使用情况进行调整。
3系统设计
3.1直接系统的集热器面积的确定
为充分利用发挥太阳能集热器作用，太阳能集热器面积按日平均供热负荷设计，根据有关资料，长沙为太阳能资源四类地区，本方案太阳能保证率按0.4 设计。
直接系统需要集热面积计算公式：
经计算，该项目共需要集热面积814m2，根据屋面实际情况，该项目两套系统总共安装集热器394块，共788m2。
3.2辅助加热功率计算及选型
由于太阳能是一种不稳定的热源，受当地天气因素的影响很大，阴雨天则几乎不能利用；所以，为保证热水系统供水的连续性及稳定性，必须和其他能源的水加热设备联合使用，才能保证稳定的热水供应。该项目太阳能系统采用空气源热泵及蒸汽辅助加热，阴雨天太阳能不足时保障热水供应。空气源热泵及蒸汽辅助加热按最大日供热负荷最大时设计。
3.2.1最大日供热负荷为：
3.2.2蒸汽锅炉提供的热量
根据甲方提供的数据，蒸汽锅炉每天可提供给热水系统的热量约为300kW，即1080000kJ。
3.2.3热泵需提供的热量
除去蒸汽锅炉提供的热量，空气源热泵机组需要提供的热量为：
3440kW-300kW=3140kW
按机组每天加热时间不超过12h 计算，结合实际要求，该工程选用制热量为45kW的空气源热泵6 台。
3.3减震降噪
考虑到空气源热泵及水泵等动力设备安装在宿舍楼屋顶，为最大限度降低热水设备噪音对宿舍楼的影响，该工程主要从两个方面进行控制：
1. 声源控制：所有设备均选用低噪音设备，降低噪声源；
2. 传播途径控制：所有动力设备与水管的连接均设置橡胶软接头；
所有动力设备与地面(或基础)接触处均采用减震器进行隔振。
4工程效益分析
4.1系统全年所需热负荷
4.3空气源热泵节能量计算
4.4整套系统全年节能量
整套热水系统全年节能量为太阳能集热器全年提供有效热量与空气源热泵全年节能量之和，计算可得为776842kW·h。
4.5太阳能热水系统减排量
太阳能热水系统的社会效益体现在因节省常规能源而减少了污染物的排放，主要指标为二氧化碳，二氧化硫和粉尘的减排量。
电与标煤的等价折算系数为：每节约1kW·h 电，就相当于节约了0.4千克标准煤，同时减少污染排放0.997千克CO2、0.03千克SO2和0.015NOX。
计算可得整套热水系统相当于每年节约标煤310.7吨，每年减少CO2排放774.5 吨，每年减少SO2排放23.3吨，每年减少NOX排放11.65吨。
5 结论
由上面的数据可见，采用太阳能+ 空气源热泵热水系统节能减排效益十分明显。如今所面临着能源紧缺的情况下，不仅节约了能源和费用，同时为环保事业做出贡献，响应了国家提倡的节能与环保政策，真正达到社会利益和企业利益双赢的目的。
