熱泵+太陽能供熱水系統探討實例

一、太陽能熱水系統項目說明

（一）項目基本情況如下：

1、項目共供800人使用熱水,人均日用熱水量（淋浴）60L,共需熱水48,000L。

2、太陽能熱水系統設計標準：每天不定時供應45℃～55℃熱水48,000L。

（二）設計參數

1、熱水用水標準

根據《建筑給排水設計規范》GB50015－2003的熱水用水定額，按60L/人·d計算。

2、供水溫度

設計熱水溫度50℃，冷水年平均計算水溫22℃。

3、水源及水質

水源由城市自來水管網供給，水質符合《生活飲用水衛生標準》。

4、全年日平均太陽輻照度為13.74MJ/m2。

5、太陽能日平均熱效率55%。

6、全年平均進水溫度22℃。

每噸水所需的集熱面積A為：A=4.18kJ/kg·℃×1000kg×（50-22）℃÷13740kJ/m2÷0.55≈15m2

（三）設備選型：

根據計算情況，選用澳倫公司研發的型號為L50/1.5GF型全玻璃真空集熱管太陽能集熱器。該型集熱器的主要參數如下：

每組真空管數量為50支，真空管規格為φ47×1500mm。

每組集熱面積為5m2，占地面積約為6m2，即每噸水3組。

所需集熱器數量：48×3=144（組）。

（四）系統設計

1、系統運行原理（全自動運行）：

⑴系統的進冷水控制

 定時、定水位進水：太陽能中央熱水系統進冷水采用時間和上、下限液位（雙液位）裝置控制進水，即每天早上7:30分前系統必須進冷水，水箱液位到達上限時，系統停止進水，在使用熱水過程中，水箱液位低至下限時，系統自動補水，補水至液位上限時，系統停止進水。

⑵溫差強制循環系統控制：

本套太陽能系統集熱循環方式為溫差式強制循環（與傳統的自然循環方式對比；熱效率可提高15%），溫差強制循環加熱系統由微電腦控制，采用可編程定溫差進行交換加熱，其工作原理為：在溫差器上編程設定工作溫差（+5℃），即當集熱器的水溫高出保溫水箱水溫5℃時，集熱循環泵啟動運行，把水箱底部的低溫水輸送到集熱器加熱，而集熱器的高溫水被泵回水箱里，在交換過程中溫差回復到2℃時，循環泵停止工作。

⑶系統的出熱水控制：

太陽能中央熱水系統的熱水在集中加熱水箱中經輔助加熱設備檢測水溫后采用全天開放。為保證各用水點熱水質量，系統熱水管網配置了自動回水裝置。

2、輔助加熱系統的設計：

為保證陰雨天氣時太陽能生產的水溫達不到要求時能正常供應熱水，太陽能中央熱水系統采用空氣能熱泵熱水機作輔助加熱器，輔助加熱由微電腦控制，具有可編程定時、定溫全自動運行功能,具有缺水保護和超溫保護功能，具有故障自檢功能。工作原理：在設定時間如15：00保溫水箱的水溫未達到設定下限值45℃時，系統啟動熱泵加熱，在運行過程中，保溫水箱水溫升高到上限溫度值55℃時，系統的熱泵停止運行；在運行過程中，在供熱水時間內，輔助加熱熱泵處于待命狀態，以保證供水溫度的穩定性。

3、供熱水系統：

集熱器、水箱、熱泵機組等所有設備在樓面上，每間宿舍一套獨立的淋浴具。系統的冷水進水管及供熱水管道均設置在管道井內。所有的室內熱水系統及其保溫均由設計院設計。每間宿舍一套獨立的洗浴系統，控制簡單，管理、維護方便。

（五）保溫技術

1、保溫材料的選用：系統的回水管、供熱水管以及太陽能真空管集熱器的上下循環管均采用橡塑保溫材料保溫，所有的管道保溫厚度為40mm，水箱內膽采用食品級SUS304不銹鋼板，外殼采用SUS202B不銹鋼板，內膽與外殼之間采用環戊烷HCF141B聚氨酯整體發泡，發泡保溫層厚度為60mm。

2、保溫的方式：管材采用SUS304不銹鋼，駁接處采用氬弧焊接，采用橡塑保溫材料保溫，厚度為40mm，扎防曬扎帶后外層采用0.4mm鋁板扣接保護。

（六）性能論述

目前國內使用的太陽能集熱器主導產品為真空管集熱器，采用“澳德紳”品牌真空管，技術參數為：

材料為高硼硅特硬玻璃，吸收率≥94%；

太陽吸收比：α≥0.86（AM1.5）

半球發射比：εh≤0.080（80℃±5℃）；

平均熱損系數：ULT≤0.85W/m2·℃；

真空度低于：5.0x10-2Pa；

真空管承壓：≥0.6Mpa；

真空管的外形尺寸：φ47mm×1500mm。

（七）系統配置主件

主體工程

（八）太陽能熱水系統照片

二、空氣能熱泵熱水系統項目說明

（一）項目基本情況如下：

按照廣東歷年氣象資料統計，平均每年有290天為太陽能采光良好天氣，即有75天需要輔助加熱。

1、熱水總供應需求量：48噸55℃熱水

2、取用數值指標

（1）室外環境溫度：

夏季32℃過度季24℃冬季12℃

全年平均氣溫：22℃冬季最低氣

溫7℃

（2）冷水溫度：夏季28℃過度季18℃冬季12℃

全年平均水溫：22℃冬季最低水溫10℃

全天候供熱水，24小時有熱水供應。

3、機組選型（1）日用熱負荷：

根據公式：Q熱=c×m×△T（按進水溫度15℃，出水溫度55℃計算）

注明：Q熱:熱負荷（kcal）

C:水的比熱（1kcal/㎏·℃）；m:日用水總量（㎏）；

△T:水溫差，出水溫度-進水溫度（℃）

系統日用熱負荷：Q熱=1×48,000×（55℃-15℃）=1,920,000kcal

以上耗熱負荷按滿足冬天最低補水溫度15℃所耗熱量計算。

系統均選用ARG-12S型熱泵熱水機組。根據系統需求日用熱負荷和單臺產品ARG-12S型熱泵熱水機組技術指標。工程熱水系統需配制熱泵主機如下：

換算單位：1kcal=1.163×103kJ

系統：（1,920,000×1.163×10-3）/（11kw×3.6×9小時）≈ARG-12S6臺；

系統為保證正常安全地供應熱水，計劃主機按每天工作9小時計算，系統保證24時供熱水，需采用六臺ARG-12S型熱泵主機。

（二）空氣能熱泵熱水機技術性能參數

ARG—12S型空氣能熱泵熱水機主要技術性能參數

注：本技術參數是在名義工況:室外干球溫度20℃，進水溫度為15℃，出水溫度為55℃下測得。

（三）空氣能熱泵熱水機節能分析

1、運行后：實際工作時間為75天

實際工作時間為：

48噸熱水所需吸熱量為：Q熱=1×48,000×（55℃-18℃）=1,776,000kcal

六臺機組天實際平均加熱時間為：（1,776,000×1.163×10-3）/（11kW×3.6×6）kW≈8.7小時

2、機組效率計劃：

熱水系統溫度平均變化量T0：55℃-18℃=37℃

每天加熱48噸水到55℃耗電量：8.7h×11kW×6臺=574kW·h

全年耗電量≈574kW·h×75天≈43,050kW·h

綜上分析，太陽能+熱泵供熱水系統在陰雨天需啟動熱泵輔助加熱時，加熱時間在9小時左右制熱水量可達48噸以上，熱水運行費用約為34,440元(電價按每kW·h0.8元計算)。

（四）經濟運行對比分析

1、各種熱源熱值

2、每噸熱水成本比較（以1噸15℃的冷水加熱到55℃，需吸收40000kcal的熱量為例）

（五）實際運行情況測定與分析

1、為驗證整個熱水系統的所產生的經濟效益，該企業為整套系統加裝了水表和電表，通過兩年的運行測定統計數據如下：

從使用情況看，實際用水量略低于設計用量，這與設計意圖相符，同時使用單位把熱泵的主要運行時間設定在谷底用電時間，平時只做保溫運行，因此節能效果更加明顯，運行費用也更加低廉，達到了經濟效益和社會效益最大化。