高效空气源与太阳能热水系统设计

摘要：从系统能效、优化选型、系统耦合、配水管网节能及管径设计等各方面详细介绍了某高校的高效空气源与太阳能热水系统设计，根据精准的PLC控制逻辑实现节能。

关键词：高效；空气源热水；节能；太阳能；控制 0引言

随着碳中和的到来，国家对能源的把控要求越来越高，对系统的能效要求也更高。热水作为人民日常生活中的必须品，总的能耗巨大，如何降低热水系统能耗是一个需要迫切解决的问题。

1 项目概况

山东济南某高校一女生宿舍楼，总人数1972人，浴位均放于一层，总数量40个，根据以往多项实际数据，测得人均洗浴频次约36%，人均日用水量按照50L计算，则总用水需求约36m3/天。根据数据采集，白天用水量较少，用水高峰主要集中在18:00-23:00之间，按照学校要求，晚间24:00-7:00停止用户侧供水。

2 热源选择

本方案拟采用直热循环型空气源热泵结合太阳能一起的形式，春夏秋季太阳能比较充裕，可以充分利用太阳能系统节能的优势，冬季太阳能效果较差，为防止冬季太阳能集热管冻裂，可以直接关闭太阳能循环侧，由空气源热泵系统对水进行加热循环。由于冬季最冷的时候学生已经放假，所以本案考虑热泵最低使用温度约-2℃，选用额定制热量60KW的机组3台，额定产水量1.3 m3/h，在-2℃工况下机组制热量33KW，产水量0.633m3/h。济南属于太阳能资源一般区，按照太阳能资源满足夏季使用设计，计算得出需要500平米太阳能集热面积。

3 系统形式

如上图所示，设计一个45吨的开式热水水箱，有效液位36吨，水箱尺寸4*4*2.8米，水箱设置1（0.63米，10吨水）、2（1.13米，18吨水）、3（1.5米，24吨水）、4（2.25米，36吨水）四档液位，水箱一侧接入太阳能加热循环，一侧接入直热循环机组进行加热循环。

4 控制逻辑

水箱设置两组自来水补水，其中一路经过电磁水阀F1直接补入机组，另一路经过电磁水阀F2直接补入水箱。水箱设计温度50℃，F1通过检测水箱液位补水，比如当水箱液位低于设定高度后开启F1并联动机组开启制热补水，将水温一次性升温到50℃后补入水箱。F2通过水箱温度控制补水，当水箱温度高于53℃时开启补水，直到水温降到48℃后关闭补水（设置最高液位控制，当水位达到最高液位时关闭补水）。

太阳能循环保温模式：当检测到T1-T2≥5℃，开启太阳能循环加热，直到T1-T2≤2℃或T2达到70℃关闭太阳能循环，当水箱液位低于最低液位时，关闭太阳能循环模式。以保护水泵不至于吸空。

热泵机组冬季机组衰减较大，夏季能效较高，按照冬季机组需要加热20个小时计算，夏季机组只需要运行10个小时就可以满足用户用水需求。太阳能侧，春夏秋季太阳能比较充足，可充分利用太阳能，但也要考虑阴雨天气太阳能不足

时热泵机组的能量补充，冬季基本不考虑太阳能。所以整个系统分春夏秋（气温高于10℃）、冬（气温低于10℃）两个模式进行区别控制。

春夏秋季考虑太阳能比较充足，考虑白天用水量较少，在24:00-14:00设定1、2两档液位（10-18吨水）控制，即当水位下降到1档及以下液位时，开启机组补水模式，一直补水到2档液位关闭机组补水模式，进入循环保温模式。用水高峰在18-23点之间，按照高峰用水需求18-24吨设置，考虑机组制热预留时间，要求下午15:00开始调整液位控制在2-3档之间。

24:00-15:00 15:00-24:00 1-2档（10-18吨）水位控制 2-3档（18-24吨）水位控制 24:00-7:00关闭用户侧用水开关信号 7:00-14:00开启用户侧用水开关信号 始终开启用户侧用水开关信号 太阳能与自来水补水之间是一个耦合关系，即当太阳能充足的时候，集热器温度升高，开启集热循环，将水箱的水温升高，当温度达到53度的时候，自来水会补入大量冷水，将水箱温度降低，这样能保证太阳能的水温一直不会太高，充分利用太阳能能量，另外也可以防止集热器温度过高导致的爆管问题。空气源热泵机组与太阳能系统之间也是一个耦合关系，通过液位控制，空气能机组可以根据太阳能产水量的多少，自动控制加热时间，以保证在太阳能充足的时候节约空气能能耗，而在阴雨天气太阳能不足的时候，自动补充热水加热量。

冬季不考虑太阳能，三台机组每小时产水量约1.9吨，大约需要19个小时左右将水箱的水加热完成。则要求空气能全天始终控制在3-4档（24-36吨）液位运行。

冬季关闭时段内，关闭配水管网用水开关信号，开启防冻模式：当室外环境温度≤4℃，监测到回水管网温度T3≤10℃，开启回水电磁阀联动供水循环泵，进行管网水循环，直到监测到回水管网温度T3≥15℃，关闭供水循环泵。

5 配水管网

以往的管网设计一般将机组放置于一层的空地，采用一台配水泵进行配水，反馈有以下几个问题：1、单台泵受最低频率，导致水泵最小流量较大，不能适应末端管网的低水量需求，导致水泵长期运行在较高频率下，耗电量增加，2、机组、水箱设置于一层，对于很多高校每层楼都有洗浴间的地方，重力水头加大，约占总配水泵能耗的1/2-2/3，能耗巨大。针对以上问题，提出以下解决措施：

措施1：将原来的一台大泵改成两台小泵，水泵互为备用，水泵变频的最低流量更小，更能适应末端管网低用水量需求。

措施2：适当增加配水管网管径，采用低阻力阀门，降低管道阻力以减小水泵杨程及运行费用。

措施3：有条件的情况下，将水箱及机组设置于屋顶，考虑承重问题，底部设置长方形基础分散单位面积重量，利用梁柱承重。可以大大减少重力水头，减少水泵杨程。

6 结论

采用直热循环热泵机组与太阳能结合的形式，充分利用直热机组的节能优势，将自来水直接补入机组进行升温，冷凝平均温度降低，比常规循环机组高温补水模式节能约15%，此外，春夏秋季太阳能较富裕，利用液位控制的形式，可以保证太阳能足够的时候，充分利用太阳能，太阳能不足或阴雨天气，热泵机组可以根据太阳能产热水的差距自动补齐剩余的热量。即保证了用水安全，又达到了节能目的。此外太阳能补水与机组补水分开，当太阳能热量充足时，会使得水箱的水温升高，此时太阳能补水开启，利用自来水将水箱温度降到设定温度停止补水，

这样设计可以降低太阳能集热器温度，充分发挥太阳能集热的作用。水箱按照一天的日用水量设计，可以储存更多的水量，减少机组配置，节约初投资。

参考文献

苏丹 高层酒店空气源热水系统设计/福建建筑.No 06.2017 任天宇 江苏某高校热水系统节能优化设计/上海节能. No 07.2021 宋风英.浅谈空气源热泵热水机组在学校中的应用[J].给水排水，2008，34:248-249