毛 凱，丁 毅，費(fèi) 淞，操 愷

（江蘇省產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)研究院，江蘇南京 210000）

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)，能源緊張與環(huán)境污染日益突出，為了人類(lèi)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展，世界各國(guó)目前都將目光轉(zhuǎn)向可再生能源的開(kāi)發(fā)與利用。太陽(yáng)能加熱以其良好的節(jié)能環(huán)保性能，在大型熱水系統(tǒng)中得到越來(lái)越多的應(yīng)用。

太陽(yáng)能是一種清潔無(wú)污染的可再生能源。我國(guó)在太陽(yáng)能熱水器方面已經(jīng)做了很多研究，目前在技術(shù)上已達(dá)到較高的水平，產(chǎn)品的性能可靠、質(zhì)量高。但隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和建筑設(shè)計(jì)的問(wèn)題，其安裝和使用對(duì)城市景觀美化、建筑維護(hù)等都帶來(lái)一定的影響。因此，太陽(yáng)能和建筑一體化這項(xiàng)新的課題引起了各界各地的關(guān)注?！疤?yáng)能與建筑一體化”就是把太陽(yáng)能產(chǎn)品作為建筑部件安裝，使其與建筑有機(jī)結(jié)合起來(lái)，既符合建筑美學(xué)要求，又能盡可能地利用太陽(yáng)能等新能源替代常規(guī)能源以減少建筑能耗對(duì)常規(guī)能源的依賴(lài)，以降低建筑能耗占我國(guó)總能耗的比例。

熱泵技術(shù)是一種很好的節(jié)能制冷供熱技術(shù)，它利用少量高品位的電能作為驅(qū)動(dòng)能源，從低溫?zé)嵩锤咝〉推肺粺崮埽⑵鋫鬏斀o高溫?zé)嵩?，從而轉(zhuǎn)能質(zhì)系數(shù)低的能源為能質(zhì)系數(shù)高的能源（節(jié)約高品位能源），是一種提高能量品位的技術(shù)。使用熱泵技術(shù)，利用空氣或水中所蘊(yùn)藏的趨于無(wú)限的能量，一年四季都可以將空氣或水中的熱量取出來(lái)制造熱水，實(shí)現(xiàn)全天候供熱［1-2］。

太陽(yáng)能與空氣源熱泵結(jié)合使用，形式多樣、布置靈活、一機(jī)多用、應(yīng)用范圍廣，不僅能克服空氣源熱泵的不足，而且能較好地滿足“太陽(yáng)能與建筑一體化”的要求。同時(shí)，由于太陽(yáng)能具有低密度、間歇性和不穩(wěn)定等缺點(diǎn)，常規(guī)的太陽(yáng)能供熱系統(tǒng)很難滿足“全天候”的要求。為滿足“全天候”的要求，常規(guī)方法是采用電加熱或燃?xì)饧訜釣檩o助熱源，但這樣容易引發(fā)安全問(wèn)題，且消耗了大量?jī)?yōu)質(zhì)能源。而太陽(yáng)能與空氣源熱泵系統(tǒng)聯(lián)合使用就能較好地解決“全天候”這一問(wèn)題。

1 工程概況

本工程案例的游泳池大小為 50×25×2m（長(zhǎng)×寬×深），池水溫度保持在27±1℃；淋浴水溫度保持在55±1℃；室內(nèi)有空調(diào)，溫度保持在28±1℃。本系統(tǒng)采用空氣源熱泵和太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)相結(jié)合的方式，共同加熱游泳池水和淋浴用熱水。太陽(yáng)能和空氣源熱泵互為輔助能源，解決了陰雨天氣、太陽(yáng)能資源不足時(shí)的供熱，做到全天候供熱。

游泳池是大型的水體系統(tǒng)，在自然條件下，特別是在冬季，為延長(zhǎng)游泳池的使用時(shí)間并保持適宜的池水溫度，需要對(duì)池水進(jìn)行加熱，這需要消耗大量的能量。游泳池的熱損失一般包括：a.水面蒸發(fā)散熱 Q1；b.水面?zhèn)鲗?dǎo)散熱 Q2；c.池底，池壁傳導(dǎo)散熱Q3；d.設(shè)備及管道散熱 Q4；e.補(bǔ)水加熱量 Q5；f.游泳館淋浴水用熱Q6［3］。各項(xiàng)熱損的計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 游泳池水的各種熱損

可見(jiàn)，泳池開(kāi)放時(shí)所需的保溫負(fù)荷為：285.5+0+16.2+45.3+133.3≈480.3kW。

2 系統(tǒng)的組成

本系統(tǒng)采用“空氣源熱泵+太陽(yáng)能”的節(jié)能系統(tǒng)，由太陽(yáng)能集熱器陣列和空氣源熱泵聯(lián)合加熱游泳池水和淋浴用熱水，并保證全天候的熱水供應(yīng)。游泳池初次加熱時(shí)由空氣源熱泵和太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)聯(lián)合供熱，整個(gè)加熱系統(tǒng)優(yōu)先使用太陽(yáng)能，太陽(yáng)能供熱不足時(shí)由空氣源熱泵補(bǔ)充。系統(tǒng)主要由空氣源熱泵主機(jī)、太陽(yáng)能集熱器陣列、板式熱交換器、儲(chǔ)熱水箱、泵與管路系統(tǒng)及控制系統(tǒng)組成。

2.1 空氣源熱泵

空氣源熱泵的工作原理是根據(jù)逆卡諾循環(huán)原理，采用極少的電能驅(qū)動(dòng)，通過(guò)吸熱工質(zhì)把空氣中的熱源傳遞到空氣發(fā)生器中，將空氣交換器內(nèi)的冷媒受熱升溫汽化產(chǎn)生的熱量釋放到水中，使水溫升高［4］。熱泵主機(jī)的選型根據(jù)游泳池開(kāi)放時(shí)所需的熱量來(lái)確定。游泳池開(kāi)放所需的熱負(fù)荷功率為：928.1kW，其中池水加熱所需功率480.3kW，淋浴用熱水加熱功率447.8kW。

2.2 太陽(yáng)能集熱器

太陽(yáng)能集熱器是太陽(yáng)能熱利用中最重要的組成部分。本工程的建筑屋面為角度很小的斜屋面，要真正實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能與建筑的有機(jī)結(jié)合，必須是集熱器平鋪在屋面上，而真空熱管式太陽(yáng)能集熱器和真空管式太陽(yáng)能集熱器一般都有聯(lián)箱，無(wú)法完全平鋪在屋面上，因此本工程選擇平板型太陽(yáng)能集熱器。

平板型太陽(yáng)能集熱器是當(dāng)今世界上應(yīng)用最廣泛的太陽(yáng)能集熱產(chǎn)品，具有集熱效率高、耐空曬、免維護(hù)、可承壓、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，而且其中超過(guò)90%的部件均采用金屬材料，因此特別適合用于大型商用太陽(yáng)能熱水工程及太陽(yáng)能與建筑一體化等領(lǐng)域。并且平板型太陽(yáng)能集熱器的價(jià)格相對(duì)其他太陽(yáng)能集熱器產(chǎn)品來(lái)說(shuō)較低，具有很高的性?xún)r(jià)比［5］。

2.3 板式熱交換器

板式熱交換器的型號(hào)由熱交換負(fù)荷、兩側(cè)進(jìn)出水溫度確定。本系統(tǒng)初步設(shè)計(jì)游泳池水加熱系統(tǒng)板式換熱器的功率為690kW（一用一備），淋浴水加熱系統(tǒng)板式換熱器功率為350kW。游泳池初次加熱時(shí)啟動(dòng)2臺(tái)板式換熱器，保溫時(shí)啟動(dòng)1臺(tái)，另1臺(tái)作為淋浴熱水的備用熱源，在太陽(yáng)能不足時(shí)使用。

2.4 淋浴水箱

按60個(gè)淋浴頭設(shè)計(jì)，每個(gè)龍頭平均每小時(shí)的流量為164L，最大淋浴熱水用量為9.84t/h。因此設(shè)計(jì)一個(gè)10t的儲(chǔ)熱水箱和一個(gè)10t的恒溫水箱，以保證全天淋浴熱水的供水量與供水溫度。

3 系統(tǒng)的控制

熱泵主機(jī)的開(kāi)啟根據(jù)熱泵主機(jī)進(jìn)出口水溫來(lái)控制，同時(shí)，熱泵主機(jī)、循環(huán)泵和電磁閥進(jìn)行電氣連鎖控制，任一電磁閥開(kāi)啟時(shí)，循環(huán)泵和熱泵主機(jī)開(kāi)啟。電磁閥全部關(guān)閉時(shí)，循環(huán)泵和熱泵主機(jī)停機(jī)。

游泳池水加熱系統(tǒng)根據(jù)游泳池回水溫度來(lái)控制池水加熱換熱器的冷側(cè)循環(huán)泵與熱側(cè)電磁閥。

太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)采用溫差強(qiáng)制循環(huán)控制，根據(jù)集熱溫度與儲(chǔ)熱水箱內(nèi)溫度之差來(lái)控制集熱循環(huán)泵。

儲(chǔ)熱水箱的控制采用恒定水位控制。恒溫水箱的控制采用恒定水位和恒定溫度控制，溫度達(dá)不到要求時(shí)，由空氣源熱泵輔助加熱。

4 系統(tǒng)的節(jié)能效益分析

太陽(yáng)能是清潔無(wú)污染的可再生能源，空氣源熱泵是一種能效比很高的節(jié)能設(shè)備。所以，二者的結(jié)合可非常有效地節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用。在游泳池水初次加熱時(shí)，由空氣源熱泵和太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)共同加熱游泳池水，以進(jìn)一步減少對(duì)電能的消耗。其中太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)提供的能量占總能量的25.36%。為了說(shuō)明本系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性，下面對(duì)本系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)行分析，并分別針對(duì)燃?xì)忮仩t、燃油鍋爐進(jìn)行運(yùn)行費(fèi)用的比較。其中電的價(jià)格為0.52元/kWh，柴油熱值為9000kcal/L，價(jià)格為4.86元/L；天然氣熱值為8200kcal/m3，價(jià)格為2.35元/m3。

4.1 初次加熱

根據(jù)建筑給水排水設(shè)計(jì)手冊(cè)，可計(jì)算出初次加熱時(shí)所需要的熱負(fù)荷為230285MJ，則太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)與空氣源熱泵系統(tǒng)分別提供的熱量為58400MJ、171885MJ，系統(tǒng)的運(yùn)行總費(fèi)用為6769元。

a.在晴好天氣下，泳池開(kāi)放時(shí)所需的熱負(fù)荷由空氣源熱泵提供，淋浴水加熱負(fù)荷由太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)提供。在晴好天氣下太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)平均每天可提供的能量計(jì)算得Q=4637MJ/天。

淋浴水加熱所需負(fù)荷為2094MJ/h，按每天用水時(shí)間為4h設(shè)計(jì)。泳池保溫負(fù)荷為13830MJ，所以空氣源熱泵提供的加熱負(fù)荷為17569MJ，則系統(tǒng)總花費(fèi)691.95元/天。

b.在陰雨天氣下，整個(gè)系統(tǒng)的熱負(fù)荷全由空氣源熱泵提供，整個(gè)系統(tǒng)的每天運(yùn)行費(fèi)用為874.59元。

4.2 該系統(tǒng)與傳統(tǒng)加熱方式的比較

表2 本系統(tǒng)與傳統(tǒng)加熱方式運(yùn)行費(fèi)用的比較

由表2可見(jiàn)：相對(duì)于燃?xì)忮仩t和燃油鍋爐加熱系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，本系統(tǒng)具有顯著的節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用的效果。

5 系統(tǒng)性能測(cè)試

系統(tǒng)調(diào)試完畢后，根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 20095《太陽(yáng)熱水系統(tǒng)性能評(píng)定規(guī)范》和DGJ32/TJ90-2009《江蘇省工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)》的要求，利用自行研制的基于現(xiàn)場(chǎng)的太陽(yáng)能熱水工程檢測(cè)設(shè)備，對(duì)系統(tǒng)的熱性能項(xiàng)目進(jìn)行了測(cè)試。

太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)檢測(cè)設(shè)備可測(cè)量日有用的熱量、升溫性能及水箱保溫性能等項(xiàng)目。硬件設(shè)備由以下幾部分組成：

①數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)：包含溫度、風(fēng)速、太陽(yáng)輻照等采集模塊；

②氣象監(jiān)測(cè)系統(tǒng)：包含百葉箱、環(huán)境溫度測(cè)量探頭、風(fēng)速儀、輻照表和支架等部件；

③數(shù)據(jù)測(cè)量系統(tǒng)：包含Pt100介質(zhì)溫度探頭、流量計(jì)等。設(shè)備的構(gòu)成原理如下：

①外部環(huán)境需要實(shí)時(shí)監(jiān)控，尤其是太陽(yáng)輻照需要累加輻照量，因此環(huán)境溫度，風(fēng)速、太陽(yáng)輻照都是單獨(dú)占用1個(gè)采集通道。介質(zhì)的測(cè)試溫度，我們采用切換方式獲得，公用4路采集通道；

②溫度探頭采用Pt100鉑電阻溫度探頭，溫度采集模塊配備了研華的ADAM4015+，共有6路采集通道，可采集3線制Pt100探頭信號(hào)；

③輻照表的輸出信號(hào)是電壓信號(hào)，風(fēng)速儀的輸出信號(hào)是電流信號(hào)，因此配備了研華ADAM4118電流電壓采集模塊，共有8路采集通道；

以上采集模塊均采用RS485通訊端口、Modbus RTU通訊協(xié)議，可通過(guò)485接口連接編制的檢測(cè)軟件更改每個(gè)通道采集的信號(hào)類(lèi)型和范圍。

為了配合檢測(cè)設(shè)備的使用，自行研制開(kāi)發(fā)了一套測(cè)試軟件，可以滿足國(guó)標(biāo)GB/T 20095-2006《太陽(yáng)熱水系統(tǒng)性能評(píng)定規(guī)范》和地標(biāo)DGJ32/TJ90-2009《江蘇省工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)》的太陽(yáng)能工程熱性能測(cè)試要求。軟件可實(shí)時(shí)監(jiān)控保存環(huán)境溫度、介質(zhì)溫度、太陽(yáng)輻照、風(fēng)速等技術(shù)參數(shù)，設(shè)定完畢后可自動(dòng)完成數(shù)據(jù)采集，不需要人員在現(xiàn)場(chǎng)操作，檢測(cè)數(shù)據(jù)保存在設(shè)備自帶的存儲(chǔ)卡里，方便隨時(shí)調(diào)用。同時(shí)，軟件預(yù)留了接口，可以進(jìn)行進(jìn)一步升級(jí)和改造。

通過(guò)測(cè)試，系統(tǒng)的日有用的熱量、升溫性能和水箱的保溫性能均符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 20095-2006和江蘇省地方標(biāo)準(zhǔn)DGJ32/TJ90-2009的要求。

6 結(jié)語(yǔ)

太陽(yáng)能是無(wú)窮無(wú)盡無(wú)公害的清潔能源，也是21世紀(jì)人類(lèi)最有希望加以利用的能源。太陽(yáng)能與空氣源熱泵技術(shù)結(jié)合相應(yīng)用，具有節(jié)能環(huán)保、形式多樣、布置靈活、一機(jī)多用等優(yōu)點(diǎn)，能較好地解決“太陽(yáng)能與建筑一體化”和“全天候”的問(wèn)題,具有廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景。

［1］姚楊，馬最良.空氣源熱泵冷熱水機(jī)組結(jié)霜工況研究現(xiàn)狀與進(jìn)展［J］.哈爾濱建筑大學(xué)學(xué)報(bào)，2002（5）:66-69，.

［2］錢(qián)付平，范樹(shù)華，張吉光.空氣源熱泵空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能分析［J］.能源研究與信息，2004（1）:23-28.

［3］陳耀宗.建筑給水排水設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2001.

［4］柴沁虎，馬國(guó)遠(yuǎn).空氣源熱泵低溫適應(yīng)性研究的現(xiàn)狀及進(jìn)展［J］.能源工程，2002（5）：25-31.

［5］畢文峰，王侃宏，喬華，崔堅(jiān).平板集熱器冬季工況集熱性能分析［J］.煤礦現(xiàn)代化，2005（1）：57-59.