广西汉和建筑规划设计有限公司 广西南宁 530020
摘要：集中热水供应系统是目前宾馆热水的主要选择，如何合理选取设计计算参数，太阳能集热系统，集热器产品及配套设备、附件，系统规模及管网循环系统是一个可行的太阳能集中热水供应系统的重要保证和节能关键。通过田阳东起假日酒店贵宾楼热水系统改造工程实践，分析和研究太阳能热水系统经济节能的设计思路，并讨论了太阳能+空气源热泵热水系统在宾馆热水系统的应用效果。
关键词：太阳能集中热水供应系统 集热器 空气源热泵 宾馆热水 能效比 循环系统 防爆防过热
1 项目背景
田阳东起假日酒店贵宾楼在2007年建成并投入使用，客房数总计为70套，其热水系统由主楼的太阳能+电辅助加热的干、立管热水循环系统，在使用过程中，检测发现热水水质中存在军团菌，水温波动较大、耗能耗水等问题，同时由于重新划分贵宾楼和主楼为不同经营单位，业主单位在贵宾楼重新设置一套他、独立的热水供水系统，以解决上述问题。
国家及地方对太阳能应用政策法规
为进一步推动可再生能源在建筑领域规模化，促进绿色建筑发展，加快城乡建设发展模式转型升级，‘十二五’期间，财政部、住房和城乡建设部进一步加大推广力度，2011年发布了‘关于进一步推进可再生能源建筑应用的通知’，该通知明确目标为确实提高太阳能、浅层地能、生物能等可再生能源在建筑用能中的比例，到2020年，实现可再生能源在建筑领域消费比例占建筑能耗的15%以上。
《广西壮族自治区民用建筑节能条例》中提出，广西拟对获得标志的绿色建筑项目给予补贴奖励，对利用可再生能源将实行电价优惠。为促进节能减排，对可再生能源利用将实行电价优惠，其可再生能源设备设施用电价格不得高于居民用电价格。具备可再生能源利用条件的四类建筑应当至少应用一种可再生能源：建筑面积一万平方米及以上使用中央空调的公共建筑和机关办公建筑;集中提供热水的宾馆、酒店、医院、学校、宿舍建筑;十二层及以下的住宅建筑;建筑面积五万平方米及以上的建筑群。
太阳能集中热水供应系统的特点及其与常规热源集中热水供应系统的差异太阳能与常规能源相比，具有低密度、不稳定、不可控三个主要特点，与常规热源集中热水供应系统之间主要差异详见表1
2 方案比较和选定
由于能源价格的不断攀升和过多应用化石燃料对生态环境和气候状况所带来的巨大影响，寻求可再生能源的利用是大势所趋。《南宁市民用建筑节能管理规定》已经2009年7月17日南宁市第十二届人民政府第68次常务会议审议通过，自2009年10月1日起施行，规定中明确要求，新建下列民用建筑，应当从建筑物使用功能、规模、场地条件等方面，对可再生能源的应用进行研究论证，并至少选择一种可再生能源在建筑中的规模化应用：
（一）有集中供应热水要求的医院、宾馆酒店建筑；
（二）用于学生、教师集体宿舍及企业职工集体宿舍的建筑；
（三）总建筑面积在2万平方米以上的住宅小区；
（四）根据国家、自治区、南宁市的有关规定，应当采用可再生能源的民用建筑。
为此本工程热水系统选用太阳能结合空气源热泵热水系统。
3 方案的系统原理
太阳能是绿色环保的理想热源，本工程选取太阳能集热系统和空气源热泵共同组成热源，在热水控制系统设计时，太阳能集热器出水温度大于40℃时，开启太阳能热水循环泵，太阳能集热器出水温度小于40℃时，关闭太阳能热水循环泵，开启热泵热水循环泵同时开启空气源热泵热水机组，热水控制系统设计首先考虑利用太阳能制取热水，在太阳能集热系统供水不足时用空气源热泵补充供水。系统在不同检测点的每台设备都安装了电能量计、流量、温度、温湿度传感器进行实时采集。系统设备配置与参数见表2，系统原理见图1。
本系统加热水箱加热侧设计为2个独立的加热系统：太阳能热水加热系统和空气源热泵热水加热系统。太阳能集热器为非承压式真空管太阳能集热模块，控制系统设计为优先利用太阳能热源。在太阳能热水加热不能满足热水使用要求时，开启空气源热泵热水加热系统。控制系统具有温差循环、定时补水、定时供水、回水、水温水位显示功能及相对应的手动功能。全自动运行控制系统能实现手动和自动两种功能，同时具有显示、设置整个系统的工作状态，数据采集功能，并具有过热保护和恒温供水调节功能。
4 工程技术方案
4.1 热水小时用量
按照建筑给水排水设计规范 （GB 50015-2003）（2009年版）
式中: Qh -- 设计小时耗热量（KJ/h）；
m -- 用水计算单位数（人数或床位数）；
qr -- 热水用水定额（L/人·d或L/床·d）；
C -- 水的比热 ，C=4.187（KJ/kg·℃）；
tr -- 热水温度，tr=60℃
tl -- 冷水温度，tl=10℃；
ρr -- 热水密度（kg/L），ρr＝0.9832；
T -- 每日使用时间（h）；
Kh -- 小时变化系数；
式中: qrh -- 设计小时热水量（L/h）；
Qh -- 设计小时耗热量（KJ/h）；
tl -- 设计热水温度，tl=60℃；
tr -- 设计冷水温度，tr=10℃；
各用水部位统计结果如下
总计如下
设计小时热水量：1665.00 (L/h)设计小时耗热量：342711.81 (KJ/h)
热负荷计算
太阳能集热系统
根据《建筑给排水设计规范》(GB 50015-2003，2009年版)太阳能集热器面积计算公式如下：
AjZ=qrmCρr(tr-tl)f/[Jtηj（1-ηl）] （1）
式中AjZ-太阳能集热器面积，㎡；
qr-平均日热水量，L/d；
m-用水单位数；
C-水的比热，取4.187J/(kg. ℃)；
ρr-热水密度，取1kg/L；tr –热水温度，取50℃；tl -冷水温度，取10℃；f-太阳能保证率，按50％计；
Jt-当地集热器采光面上年平均太阳能辐射量，取11695KJ/(㎡.d)(取春分、秋分所在月平均日辐照量)[1]；
ηj-太阳能集热器年平均集热效率，按50％计；
ηl –储水箱和管路的热损失率，按20％计。
计算得太阳能集热器面积AJZ=30000x4.187x1x(50-10)x50％/[11695x50％x(1-20％)]=537.02(㎡),采用国际φ58-1800真空管，管径58mm，长度1800mm，采用集热器模块规格为φ58-1800x50支插式集热模块，每个模块面积6.24㎡，考虑陈列排布因素，太阳能采用集热模块90组，总面积为561.6㎡。
根据布置的可行性，集热器安装角度取200，集热器长度1.6m，一排安装5组，其总高度 H=1600x5xsin200+300x4xsin200+200=3350(mm),每排间距D=3.35/tan300=5.80(m)
对于用热水人数m取值，在计算AjZ时，宜根据工程特点，使用情况等与使用单位协商确定。如住宅及住宅小区目前设有集中热水供应系统的这类建筑的入住率分析，一般不超过70%，因此m值宜按总人数的70%左右计算；宾馆、旅店等可按50%~70%取值；医院、学校、职工浴室等人数较固定的建筑，则m值可按总人数计算。故本次设计按客房总人数的70%计算，约为100人。
太阳能保证率f的参考值为0.3~0.8,f取值是关系到整个集热系统设计是否合理的重要参数，根据相关研究资料数据，f=0.5时，一年中太阳能的利用率最为充分，即夏季太阳能富余量与冬季不够量，基本相等，春秋两季太阳能供热与用户耗热基本齐平；f>0.5,则会造成太阳能供热量>耗热量，既造成一次投资的浪费，又加重了夏季处理集热系统过热的负担。故在本次设计改造中，f值取用0.5。
集热器年平均集热效率ηj与集热系统热损失率ηl的ηj（1-ηl）的值是太阳能集热系统平均每天制备生活热水有效得热量的重要参数，是衡量集热器产品质量及整个集热系统设计合理与否的重要指标。本次选择太阳能设备厂家，并根据其实际运行类此项目的系统集热效率测试数据，ηj取值为0.5；同时减少集热系统热损失的ηl途径为做好管道及设备、水箱等的保温和避免集热系统过大及集热管道不宜过长。
热泵系统
热泵热水机组制热量下式计算：
Qg=k1mqrCρr(tr-tl)/(3600T) (2)
式中Qg –热泵机组设计小时供热量，KW；
k1 –安全系数，取1.2；T–热泵工作时间，取12h。
计算得Qg=1.2x30000x4.187x1x(50-10)/(3600x12)=139.57(KW)
热水系统能效比COP取2.5，选用热泵机组5台，每台功率11.5KW，共57.5KW，每台制热量28.75KW，共143.75KW。
在选用空气源热泵设备的型号和台数时，应尽量结合太阳能不稳定的特点，选用2台或多台设备与之匹配，即无太阳能时，2台或多台设备同时投入运行，有太阳能或半太阳能时，可2台运行，这样可达到空气源热泵设备的效率高、节能；同时空气源热泵设备控制的原则应是保证太阳能热源的充分利用，控制原则为：①热水系统均采用定温放水加热系统；②定温加热系统优先考虑使用太阳能集热系统，其次是空气源热泵集热系统; ③具体控制：定时控制（可设定），水温未达到设定值时，开启空气源热泵加热; ④本系统采用全自动控制，无需专人管理。
水箱储热总容积
Vrx=qrjd·Aj
Vrx:储热水箱有效容积(L)
qrjd:集热器单位采光面积平均每日产热水量[L/(m2·d)]
Aj:集热器总面积（m2）
经计算，水箱储热总容积30?，分为2个，其中储热水箱为20?，供热水箱容积15?，水箱直径2.6m,高度3.18m。
系统工作时，如太阳能能将冷水充分预热到所需温度，则可通过储热水箱直接供水，储热水箱还能起到储存太阳能过热量的作用；当有太阳能但不充足时，储热水箱也能起到将冷水预热的作用，节省空气源热泵；当无太阳能时，空气源热泵只需将加热水箱的水加热，即保证供热，又不影响储热水箱的集热。
管网系统
管网循环系统运行效果对集中热水供水影响很大，究其原因：一是循环效果不好，即意昧着供、回水管道存在滞水死水区，而30℃左右的滞水区正是致病的军团菌及其他细菌适宜繁殖生长的环境，给循环系统提供了水质不安全的隐患；二是循环系统不好，开启淋浴器1~2min出不了热水，淋浴者不仅使用不舒服而且还可能受冷水冲击而致病；三是打开水龙头或淋浴器放出冷水被白白浪费掉，浪费水资源；四是循环系统及管道布置不合理将增大系统热损失，增大能耗，增加运营成本。
保证循环效果的方式有：一是循环管道采用同程布置；二是循环管道异程布置，为解决因至配水点处供、回水管总长不同产生循环短路的问题，部分工程采用了如下措施：①采用导流三通为循环元件；②采用温控循环阀、流量平衡阀为循环元件；③小区或多栋建筑共用循环系统，单栋建筑回水干管加小循环泵，总回水干管加大循环泵作循环元件。
根据工程实践及最新研究理论，本工程循环方式为了干、立管全日循环系统，采用温控调节平衡法来满足系统的循环效果，温控调节平衡法的作用原理，是通过设在热水回水干、立管的温度控制阀、小回水泵等由温度控制其开关或启停以实现各回水干、立管内热水的顺序有效循环。
安全措施
太阳能集中热水供应系统的安全措施主要是防爆、防过热、防冻。本工程常年平均气温在15℃以上，不考虑防冻措施。目前一般的防爆、防冻的安全处理措施有以下3点：①集热系统管路上设膨胀罐、安全阀、放气器；②设空气散热器，即集热器内水温过热时，通过空气散热器将其过热量散出，国内工程应用不多；③采取遮阳措施，集热系统的防爆除采取上述措施外，系统采用的管材、管件、阀门等应用耐高温的材质。本工程结合造价及系统设置特点，采用了①和③安全措施。
运行数据的检测与分析
本工程热水管网及热源改造项目2009年4月开始施工到2009年10月安装完毕开始运行，2010年2月开始有完整的数据记录。在热源侧冷水进水管上装有水量及记录仪，记录每月数据；在热源侧变配电柜设有电能计量表，记录每日数据。
逐月热水用水量分析。通过每月水量记录仪分析得出，热水使用量具有不均匀性，基本随着室外温度及冷水温度的升高而减少。
逐月需热量与电耗的分析。根据电能计量表数据可以看出，实际热水用量和用电量不完全成正比。6月的实际热水用量比9月的高，用电量反而减少。用电量与需热量、室外月平均温度、太阳辐射总量、月平均冷水温度等因素有关。室外月平均温度越高，太阳辐射总量越大，热水系统用电量就越小。
系统中太阳能与热泵的作用分析。根据实际运行情况得出，4~10月月太阳辐射总量较大，太阳能热水加热系统能满足热水使用需求，空气源热泵热水使用需求，空气源热泵热水加热系统不运行，1~3月及11、12月，需要空气源热泵热水加热系统辅助加热，才能满足心热水使用需求，太阳能热水加热系统不足部分，由空气源热泵热水加热系统补充。在最冷月空气源热泵热水加热系统的月平均使用效率约为55％。
5 结语
4～10月月太阳辐射总量较大时，本项目太阳能热水加热系统能满足热水使用需求，空气源热泵热水加热系统基本不运行，建议在太阳辐射量为Ⅲ、Ⅳ类地区设计宾馆热水加热系统时优先利用太阳能热源。
太阳能结合空气源热泵热水系统的经济效益，取决于设备的规模及太阳能集热系统的利用率。根据本热源改造项目实施后的运行数据分析（日供热水总量均超过30?），4~10月太阳能热水加热系统满足热水使用需求，在年平均温度最低的10月中，空气源热泵热水加热系统的月平均使用效率约为55％。因此在利用太阳能作为热水加热系统的热源时，合理确定太阳能集热系统规模，在太阳能集热系统计算时，设计参数可以取规范要求的下限值，同时可适当减少辅助热源的配置。
参考文献
[1]邓瑞澄主编.民用建筑太阳能热水系统工程技术手册.第二版.北京：化工工业出版社2011
[2]刘振印.集中热水供应系统循环效果的保证措施-热水循环系统的测试与研究.给水排水2015（09）
[3] 刘振印.太阳能集中热水供应系统的合理设计探讨.给水排水2011（01）
[4]GB5036-2005民用建筑太阳能热水系统应用技术规范
[5]GB50015-2003(2009年版)建筑给排水设计规范
[6]中国建筑标准设计研究院.全国民用建筑工程设计技术措施 给排水.北京：中国计划出版社，2009
论文作者:李文广
论文发表刊物:《基层建设》2016年7期
论文发表时间:2016/7/5
标签：热水论文; 太阳能论文; 系统论文; 空气论文; 热源论文; 源热泵论文; 建筑论文; 《基层建设》2016年7期论文;