空气能与太阳能双热源热水系统设计方案.docx

空气能与太阳能双热源热水系统设计方案 李 昌 坤黄 亚 波龙 素 沅丁宁（ 湖南省建筑设计院，长沙 ； 湖南美的暖通设备销售有限公司，长沙 ； 河南岩创商贸有限公司，郑州 ）摘 要 总 结 了 空 气 源 热 泵 热 水 机 与 太 阳 能 两 种 热 源 联 合 制 热 热 水 系 统 的 三 种 典 型 方 案 ，包 含 了 商 用 热 水 和 家 用 热 水 两 个 领 域 。给 出 了 三 种 方 案 的 原 理 示 意 图 ，并 分 析 了 两 种 商 用 热 水 方 案 的 控 制 逻 辑 ，以 便 于 实 际 工 程 设 计 参 考 。其 中 家 用 热 水 双 热 源 系 统 为 在 高 层 住 宅 建 筑 中 应 用 太 阳 能 光 热 提 供 了 一 种 较 为 理 想 的 方 案 。关 键 词 双 热 源 热 水 系 统 空 气 源 热 泵 热 水 机太 阳 能 集 热 器 并 联 串 联太阳 能热水 器作为一种节能低碳的热水 制 取 设备 已 经 被 学 者 和用户所接受并 获 得了广泛的使 用 ， 但 是 其 应 用 也 受到天气的限制 ，很 多时候都不得不 使 用 辅 助 电 加 热 器 制 取 热 水 ，浪费了大量的优质能 源 ，在 冬 季 日 照 率 比 较 低 的 湖 南 、贵 州 等 地 尤 其 如 此 。空气 源热泵 热水机是一种节能环保的热 水 制 取 设 备 ，其 耐 候 性 非 常 强 ，应 用 广 泛 ；但 是 空 气 源 热 泵 热 水 机 却 无 法 利用免费的太 阳 能 ，即使是在晴朗的 夏 日 也 需 消 耗 一 定 的 电 能 。怎样在同一个热 水 系 统 当 中 应 用 这 两 种节能环保的 热 水制 取设 备 ，并 且 能 够 发 挥 二 者 的 优 点 ，就 成 了 多 数 人 关 注 的 问 题 。 本文 分 析 了 太 阳 能 热 水 器 和 空 气 源 热 泵 热 水 机 两 种 设备 的 特 点 ，设 计 出了双热源热泵热水系统的三种应 用 方 案 ，供 各 位 同 行 参 考 、指 正 。循 环 式 空 气 源热泵热水机与太阳能集热器并联 方 案 原 理循 环 式 热 水机加热方式与太阳能集热 器 相同 ，两 种 加 热 设 备 宜 并 联 使 用 ，即 热 泵 热 水 机 与 太 阳 能集 热 器 分 别 给 加 热 水 箱 中 的 水 加 热 （见 图 ）。 当 加 热 水 箱 中 的 水 温 达 到 （设 定 温 度 ）以 后 ，热泵 热 水 机 停 止 工 作 （太阳能集热器则继 续 加 热 ）。 储热 水 箱 的 补 水 通 过 电 磁 阀 和 浮 球 阀 控 制 ，当檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿小 结雨水系统在一般工程中相对比 较 简 单，但 在 这 个 山地、台地、平地 等 多种 山 形 地 貌的 低密度住宅小区 里，具有了多种排放形式、多专业交叉融合等特点。纵 观 该 小 区 的整个雨水收 集 利 用体 系 ，除 了 一 期 设 置 的 溪 塘 循 环 泵 系 统 ，没有其他的设备和特殊 设 施 的 使 用 和 建 设 ，而是通过合理 利用小区天然形 成 的 山 形 地 貌 、充分结合建 筑总规划的房 屋 布局和 路 网 设 计 、巧 妙 融合园林景 观的溪塘沟壑 水 体以及 与 道 路 结 构 的 有机结合等多 种 手段 ，最 终 实 现 雨 水 最 大 限 度 的 下 渗 、收 集 和 利 用 。该项目在年底通过了中法合作中国高环 境质量住宅示范项目验收，专家组对该项目雨水收集和排放系统涵养当地地下水的示范作用予以了肯定。整个 雨水系 统的实施将节能 、低 碳 、环 保 等 元 素运 用 得 淋 漓 尽 致 ，在 不 增 加建设成本的前 提 下 ，既 实现 对 区 域 地 下 水的回灌和补充 ，彰显了小区生态特 性 和 绿 色 品 质 ，又丰 富 了 项目整体的园林 景 观 效 果 ， 提 升 了 小 区 的 品 味 和 档 次 。参 考 文 献 王 大 伟 ，王 靖 华 丘陵缓坡地区低密度住宅小区给排水优 化 设 计 给 水 排 水 ，（增 刊 ）： 崔 俊 山 ，贺 妮 娜 ，戚 根 昌 住 宅 小 区 雨洪系统的开发 山 西 建 筑 ，（）： 通 讯 处 ： 北京市怀柔区红螺路 号 半 山 世 家售楼处转甲方预算部 电 话 ：收 稿 日 期 ： 给 水 排 水增 刊器 的 阻 力 损 失 比 较 大 ，在额 定流 量下可能会超过 ，所 以 循 环 水 泵 应 设 置 在 热 水 机 的 上 游 ，以 保 证 换 热 器 中 的 水 处 于 正 压 状 态 ，避 免 汽 化 。一 般 设 备 产 家 都 会 提 供 热 水 机 的 额 定 循 环 流 量 ，但是这 个流 量是 热 水 机在额定工况下 （通 常 为 室外 温 度 ），进 出 水 温 差 为 时 的 流 量 。 在 冬 季 设 计 工 况 下 ，热 水 机 的 制 热 量 会 打 折 ，因 此 进 出 水温 差 也 会 下 降 。如 果 按照热水机的额定循 环 流 量 选 择 水 泵 ，则 冬 季 运 行 时 进 出 水 温 差 较 低 ，导 致 水 泵 的 输 送 能 效 降 低 （假定水 泵的输送能效为热水机制热 量 与 水 泵 电 机 功 率 的 比 值 ），会降低整个系 统 的 运 行能 效 比 。相 反 ，如 果 按 照 冬 季 设 计 工 况 下 热 水 机 的 实 际制 热 量 并 且 保 证 进 出 水 温 差 仍 然 为 ，由 此 也 可 以 计 算 出 一 个 循 环 流 量 。如果按照此流量 选 择 循 环水 泵 ，则 会 导 致 夏 季 时 进 出 水 温 差 很 高 （有 可 能 超 过 ），会 使 换 热 器 的 工 况 恶 化 ，不 利 于 热 水 机 的 正 常 运 行 。因 此 ，建 议 按 照 上 述 两 个 流 量 的 平 均 值 选 择 循 环 水 泵 。图 循环式热水机与太阳能集热器并联方案示意 时，电 磁 阀 打 开，此 时 如 用 户 端 用 水，则浮球阀打开，由加热水箱向储热水箱补水（见图）。 热 泵 热 水 机 停 机 温 度 与 电 磁 阀 开 启 温 度 热 泵 热 水 机 的 停 机 温 度 设 定 为 ，即 制 热 水箱 中 的 水 温 高 于 时 ，热 泵 热 水 机 停 机 。电 磁 阀的 开 启 温 度 设 定 为 ，即 制 热 水 箱 中 的 水 温 高 于 时 ，电 磁 阀 处 于 开 启 状 态 。这 样 设 置 可 以 增 加 电 磁 阀 的 开 启 时 间 ，方 便 向 储 热 水 箱补 水 。使 用 浮 球 阀 的 优 点 是 ，当 管 网 循 环 泵 开 启 的时 候 ，储 热 水 箱 里 的 水 位 会 降 低 ，此 时 浮 球 阀 便 会 打开 ，可 以 通 过 开 启 电 磁 阀 使 制 热 水 箱 与 储 热 水 箱 相 联 通 ，完 成 一 个 循 环 。加 热 水 箱补水方式的设计 加 热 水 箱 的 补 水 通 过 液 位 传 感 器 控 制 ，这 样 可 以 维 持 加 热 水 箱 向 储 热 水 箱 补 水 过 程 中 的 水 温 稳 定 ，提 升 加 热 水 箱 的 容 积 效 率 。 如 果 采 用 漏 斗 式 补 水 方 式 ，则 可能 导致 低 温 热水进入储热水箱 ，影 响 用 水 品 质 。加 热 水 箱 向 储 热 水 箱 补 水 完 全 依 靠 热 水 的 重力 ，因 此 两 个 水箱之间的高差 “ ”需 要 经 过 计 算 确 定 ，并且 其 流 量不应小于热水管网的回 水 流 量 。加 热 水 箱 容 积 的 确 定从 理 论 上 讲 ，加 热 水 箱 的 容 积 越 小 ，系 统 的 加 热 效 果 越 接 近 一 次加热式热水 机 的加 热效 果 ，水 箱 的利 用 率 就 越 高 。 但 是 加 热 水 箱 的 容 积 越 小 ，热 水 机和 水 泵 的 启 停 越 频 繁 ，容 易 增 加 设 备 故 障 率 。 所 以 加 热 水 箱 的 容 积 不宜低于热水机 的 产 水 量 。另 外 ，由 于 此系统中太阳能集 热 器 的 启 停 是 无 法 控 制 的 ，也就是说加热水箱里 的 水温 时 ，太 阳 能集热器还会继 续 加热 ，在 夏 季 时 ，加 热 水 箱 中 的 水 有 可 能 会 达 到 。当 加 热 水 箱 中 的 热 水 进 入 储 热 水 箱 时 ，储热水箱的水温会高于设 定 温 度 。为 了 使 储 热 水 箱 中 的 水 温 不 高 于 ，通 过 计 算 可 知 ，加热水箱的容积应小于储 热 水 箱 的 。综 上 所 述 ，建 议 加 热 水 箱 的 容 积 设 定 为 储 热 水 箱 容 积 的 。循环式热水机与太阳能集热器并联方案控制策略加 热 水 箱 中 的 水 位 低 于 时 ，自 来 水 补 水 ；高 于 时 ，停 止 补 水 。加 热 水 箱 中 的 水 温 低 于 时 ，热 水 机 开 机 ， 水 温 高 于 时 ，热 水 机 停 机 （或者根据热水机的 性 能 特 点 设 定 为 低 于 时 开 机 ，高 于 时 关 机）；水 温 低 于 时 电 磁 阀 关 闭 启 ，水 温 高 于 时 电 磁 阀 开 启 。 供 应 给 储 热 水 箱 中 的 热 水 温 度 不 低 于 。太 阳 能 集 热 器 为 自 然 循 环 ，有 太 阳 的 时 候 自 行启 用 ，无 太 阳 时 不 启 用 。热 水 机 循 环 水 泵 的 设 计热水 机循环 水泵的扬程需要克服该环路 当 中 各 管 件 及 热 水 机 换热器的阻力 损 失 ，以及加热水箱中 循环进水 管和循 环出水管的高差 。由 于 热 水 机 换 热给 水 排 水增 刊热 水 管 网 回 水 控 制 温 度 设定 为 ，但 是直热 式 热 水机与太阳能集热器串联 方 案 原理 将 直 热 式 热 水 机 与 太 阳 能 集 热 器 串 联 使 用 ，太 阳 能集热器仅 作 为 热 水的预处理设备 。经 太 阳 能 集 热 器 加 热 后 的 水再进入热水机 ，在热水机换热器里 被 加 热 到 再 进 入 储 热 水 箱 。如果太阳 能 集 热 器 中 的 水 温 高 于 （或 者 ，可视具体情况设定），则直接进入储热水箱，无需开 启热水机。这 样 既 可 以 充 分 利 用 太 阳 能，又 可 以 避 免热水机因进水温度过高而导致的高压保护停机现象。热 水 管 网 回 水 直 接 进 入 储 热 水 箱 ，当 储 热 水 箱 中 的 水 温 低 于 设 定 温 度 时 ，热水机循环模 式 启 动 ，将热 水 循 环 加 热 至 ，系统原理详见图 。必 须 要 在 电 磁 阀 处 于 开 启 状 态 时 ，才 启 动 回 水泵 。这 种 方 式 在 电 磁 阀 处于关闭状态下会 导 致 热 水 管 网 无 法 回 水 ，用 水 点 初 始 水 温 过 低 ，但 是可 以 避 免 热 水 资 源 的 浪 费 。 另 外 ，也 可 以 设 计 为 水泵 开 启 的 时 候 联 动 打 开 电 磁 阀 ，以 避 免 浪 费 ，但 这 样 可 能 会导致储热 水箱中的水温 进 一步降 低 。控 制 流 程 详 见 图 。图 直热式热水机与太阳能集热器串联方案示意 直 热 式 热 水 机 与 太 阳 能 集 热 器 串 联 方 案 控 制策 略当储 热 水 箱中的水位低于 时 ，开 启 增 压 水泵 ，向 储 热 水 箱 补 水 。当 集 热 水 箱 中 的 水 温 低 于 则 打 开 （关 闭 ），启 动 热 水 机 。 否则打开电磁阀 （关 闭 ）直 接 向 储 热 水 箱 补 水 。当 储 热 水 箱 中 的 水 位 高 于 并 且 水 温 低 于 时 ，开 启 循 环 泵 ，启 动 热 水 机 循 环 加 热 模 式 ，直 至 水 温 升 高 到 时 ，热 水 机 停 机 。热 水 回 水 管 中 的 水 温 低 于 时 ，回 水 电 磁 阀 开 启 ，启 动 管 网 循 环 泵 。 系 统 控 制 流 程 详 见 图 。图 循环式热水机与太阳能集热器并联方案控制流程 为 了 解 决 上 述 建 筑 回 水 问 题 ，当 系 统 规 模 比 较大 的 时 候 ，也 可 专 门 为 储 热 水 箱 配 置 加 热 热 水 机 ，当 储 热 水 箱 的 水 温降低的时候 即 可用 于加 热 ，而 建 筑 回 水 管 则 可 直 接连接到储热 水 箱上 ，避 免 回 水 外 溢导 致 的 浪 费 ，系 统 方 案 详 见 图 。空 气 源 商 用热水机与太阳能集热器联合 供 热 两种 方 式 的 比 较并 联 方 案 的 初 投 资 略 低 （因为循环式热水机的 造 价 比 一 次 加热式热水机稍低 ），控 制 也 比 较 简 单 。 但 是 管 网 回 水 受 到 加 热 水 箱 中 水 温 的 制 约 ，可 能 导 致 管 网 中 水 温 过 低 ，降 低 用 水 品 质 。 由 热 水 机 的 开 启 控 制 条 件 可 知 ，热 水机的开启时间 比 较 长 ，不图 循环式热水机与太阳能集热器并联方案示意 给 水 排 水增 刊设 置 集 中 式 太 阳 能 热 水 器 ，向安装在各用户 家 里 （阳台 或 者 卫 生 间 、厨 房 ）的 家 用 空 气 源 热 泵 热 水 器 供 水 。空 气 能 热 水器的启停完全由水箱中的水温控 制 ，热 水 机 通 电 以 后 ，当 水箱中的水温达到 时 自 动 停 机 ，低 于 时 自 动 开 机 。 该 方 案 简 单 易行 ，控 制 方 便 。 运行过程中的公摊费用只有 太 阳 能集 热 器 的 循 环 水 泵 电 费 ，该项费用金额很低 ，可 以 计 算 到 物 业 管 理 费 中 。 而 对 于 用 户 ，可 按 照 冷 水 价 格 计 费 。此 方 案 既 能 充 分 利 用 太 阳 能 ，又 可 避 免 家 用 分 散 式 太 阳 能 热 水 器 影 响 建 筑 外 观 。而 且 不 会 带 来 开 发 商 、物 业管 理公 司 和 用户之间的纠纷 ，不 失 为 各 方 都 能 接 受 的 方 案 。 由于供水立管的管径 、水 量 较 大 ，只 要 做 好 管 路 保 温 ，热 量 损 失 比 率 可 以 大 大 减 少 ，因 此 还 可 用 于 高 层 建 筑 。夏 季 时 ，生 活 热 水 用 量 较 少 ，而 太 阳 能 集 热 量 较 大 ，只需要将空气 能 热 水 器 的 控 制 水 温 调 低 ，即可 降低空气源热泵热水器的开 启 时 间 ，达 到 节省用电量的目的 。方 案 示 意 见 图 。图 直热式热水机与太阳能集热器串联方案控制流程 利 于 节 约 能 源 ；而且在日照 时间较长时可 能 导致热 水 温 度 远 远 高 于 设 定 温 度 。串 联 方 案 初 投 资 稍 高 一 些 ，控 制 也 比 较 复 杂 ，其 优 点 是 热 水 管 网 回 水 顺 畅 ，能够较好地控制储热水 箱 的 水 温 ，并 且 能够较好地 发挥太阳能集 热 器的加 热 能 力 ，可 更 为 充 分 地 利 用 太 阳 能 。这两种方案均有一个不足之处，如果热水系统用 户端的用水时间集中在晚上，