太阳能联合空气源热泵（太空能）热水系统优化设计

1   概述

我国能源消费结构向清洁低碳加快转变。2019年煤炭消费量占能源消费总量比例为57.7%。天然气、水电、核电、风电等清洁能源消费量占能源消费总量比例为23.4%，非化石能源占能源消费总量比例达15.3%。随着国家对可再生能源利用的重视，许多地区鼓励在建筑中推广应用太阳能热水系统、太阳能光伏发电、自然采光照明、空气源热泵热水系统、空调热回收等可再生能源利用技术^［1-2］。本文针对有生活热水需求的某高铁站公寓楼，对太阳能联合空气源热泵热水系统优化设计进行分析。

2   工程概况

湖南某高铁站站房总建筑面积约60 000 m²，附属房屋包括信号楼、公寓楼、综合楼、门卫室等，本文以建筑面积较大的公寓楼为例进行分析。公寓楼总建筑面积8 581.3 m²，为7层建筑，建筑高度23.9 m。项目地处湖南，建筑无供暖需求，仅考虑生活热水需求。公寓楼设计热水定额为100 L/（人·d），定员按308人考虑，日用水量为30.8 t/d。自来水平均温度取7 ℃，热水供水温度60 ℃。水的比定压热容取4 200 J/（kg·K），可计算得到生活热水日加热量为1 904.47 kW·h。公寓楼的热水使用时间设定为12 h/d，且逐时负荷接近，热水负荷均由空气源热泵机组（简称热泵机组）承担。由此可计算得到，热泵机组的设计制热量为158.7 kW。

3   系统设计

3.1  系统流程

太阳能联合空气源热泵热水系统（简称联合系统）流程见图1。联合系统由太阳能热水系统、热泵机组热水系统组成。太阳能热水系统主要由太阳能集热器、太阳能储水罐、集热器侧循环泵组成。热泵机组热水系统主要由热泵机组、保温水箱、热泵侧循环泵组成。太阳能集热器、太阳能储水罐、集热器侧循环泵均设置在公寓楼屋顶上。

图1   联合系统流程

冷水经太阳能集热器加热后，进入太阳能储水罐。当太阳能储水罐水温达到要求后，送入保温水箱。保温水箱内的水由热泵机组加热。满足要求的保温水箱内热水经用户侧加压泵加压后供应用户。太阳能储水罐、保温水箱液位低于设定值后，由自来水补充。

3.2  控制策略

当太阳能集热器出水温度高于50 ℃时集热器侧循环泵工作，太阳能集热器出水温度低于40 ℃时集热器侧循环泵停机。当太阳能储水罐水温高于45 ℃后，电磁阀开启，将热水输送至保温水箱。当太阳能储水罐水温低于40 ℃后，电磁阀关闭，停止向保温水箱输水。当保温水箱水温低于50 ℃时，热泵机组工作。当保温水箱水温高于65 ℃后，热泵机组停机。用户分区设置，当某区域用户有用水需求时，开启对应区域的用户侧加压泵。

3.3  设备选型

联合系统设备数量、单价、单台额定参数见表1。出于余量考虑，单台热泵机组额定制热量选取75.6 kW。太阳能储水罐采用承压钢质储水罐，太阳能集热器选用平板型太阳能集热器。集热器侧循环泵、热泵侧循环泵、用户侧加压泵均为1用1备。由表1可知，联合系统设备购置费为148.33×10⁴ 元。经测算，安装费为29.70×10⁴ 元，则联合系统造价为178.03×10⁴ 元。

表1   联合系统设备数量、单价、单台额定参数

4   系统优化

4.1  设备优化

①太阳能热水系统太阳能热水系统的原设计采用承压钢质储水罐、平板型太阳能集热器。承压钢质储水罐的价格明显高于常压储水罐，平板型太阳能集热器维修成本高，损坏后需要整块拆除更换。将6 m³承压钢质储水罐改为6 m³常压储水罐，不仅设备购置费降低，后期维护检修也更加方便。将平板型太阳能集热器改为真空管太阳能集热器，与平板型太阳能集热器相比，真空管太阳能集热器价格低廉，有效风荷载面积小，损坏后仅更换破损的单根玻璃管即可。

②热泵机组热水系统由计算结果可知，热泵机组的设计制热量为158.7 kW。按3台热泵机组考虑，单台热泵机组设计制热量为52.9 kW，因此选用额定制热量为60 kW的热泵机组即可满足要求，原设计75.6 kW偏大。原设计中，1台热泵机组配置1个8 m³保温水箱，这样的设计易导致3台热泵机组同时频繁启动，不仅耗电，也影响热泵机组使用寿命。通过优化，将3个8 m³保温水箱合并成1个24 m³保温水箱。取消用户分区设置，将生活热水用户管路合并，在确保生活热水系统稳定的前提下，优化用户侧加压泵数量，将原设计的6台减为3台（2用1备）。4.2  系统优化优化后联合系统流程见图2。优化后联合系统流程、运行策略与改造前基本一致，但优化后，随着取消用户分区设置，受控变量减少，运行调节更加便捷。

图2   优化后联合系统流程

4.3  经济性分析

优化后联合系统设备数量、单价、单台额定参数见表2。集热器侧循环泵、热泵侧循环泵仍均为1用1备。由表2可知，优化后联合系统设备购置费为99.1×10⁴ 元。经过测算，优化后安装费降至19.46×10⁴ 元，因此优化后联合系统造价为118.56×10⁴ 元。与优化前相比，优化后系统造价降低33.4%。

表2   优化后联合系统设备数量、单价、单台额定参数