空气源热泵辅助加热太阳能泳池系统设计

蓝焰高科1.工程概况该工程为太原市住宅小区会所的游泳池，长25m，宽12m，设计水深为1.5m，池水温度要求为26℃。游泳池位于1层，室内辅助设

1.工程概况

该工程为太原市住宅小区会所的游泳池，长25m，宽12m，设计水深为1.5m，池水温度要求为26℃。游泳池位于1层，室内辅助设施包括更衣室等。根据业主要求，太阳能集热器仅供游泳池加热。

2.系统分析

游泳池设置在首层，游泳池水处理设备、加热设备以及太阳能储热水箱置于地下1层，太阳能集热器置于屋面。辅助热源采用空气源热泵机组，同样置于屋面。为了尽可能最大化利用太阳热能，其太阳能加热部分采用直接加热方式，同时为保证游泳池水质安全，池水加热采用间接加热的方式。空气源热泵机组采用间接加热方式。所有间接加热换热器均采用板式换热器，既可以提高换热效率，也能减少占地面积。空气源热泵辅助加热太阳能泳池系统示意图如1所示。该系统共有四个循环过程，分别为太阳能集热循环、游泳池水加热热媒循环、游泳池池水加热循环以及辅助热源加热循环过程。

3.设计依据

（1）GB50736-2012《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》；

（2）GBT22069-2008《燃气发动机驱动空调（热泵）机组》；

（3）GB50015-2003(2009年版)《建筑给水排水设计规范》；

（4）CJJ122-2017《泳池给水排水工程技术规程》；

（4）《实用制冷与空调工程手册》；

（5）《空气调节用制冷技术》（第四版）；

（6）《小型制冷装置设计指导》；

（7）根据用户所提要求。

4.基本计算

4.1 游泳池传热分析

根据国家现行游泳池的规范，游泳池的热损失主要包括泳池表面蒸发损失的热量，泳池水表面、池底、池壁、管道和设备等传导损失的热量，泳池补水加热所需要的热量等，综合上述热损失可得到游泳池的总热损失，此数据是计算太阳能集热板面积和辅助热源设备选型的依据。本工程中游泳池的总耗热量为136.4kW，并由此可计算出太阳能集热器的加热面积。

（1）泳池水表面蒸发损失的热量计算：

Qz=αγA(0.0174Vf+0.0229)(Pb-Pq)(760/B)

式中：

Qz——泳池表面蒸发损失的热量，kJ/h；

α——热量换算系数，α=4.1868kJ/kcal；

γ——与泳池水温相等的饱和蒸汽的蒸发汽化潜热，kcal/kg；

A——泳池的水表面面积，m2

Vf ——泳池水面上的风速；一般按下列规定采用：室内水池Vf =0.2~0.5m/s；露天水池Vf=2~3m/s；

Pb——与泳池水温相等（26℃）的饱和空气的水蒸汽分压力，mmHg；

Pq——与泳池的环境空气温度相等的水蒸汽分压力，mmHg；

B——当地的大气压力，mmHg.

查相关参数表计算可得：

Qz=4.1868×582.5×300×（0.0174×0.2+0.0229）×（25.2-17）（760/700）=171831.82kJ/h

（2）泳池的水表面、池底、池壁、管道和设备等传导所损失的热量计算：

按泳池表面蒸发损失热量的20%计算：

Qc=0.2Qz=0.2×171831.82=34366.36kJ/h

（3）泳池补水加热所需的热量计算：

Qb=αqbρ(tr-tb)/t

式中：

α——热量换算系数，α=4.1868kJ/kcal；

qb——游泳池每日的补充水量；按泳池水量的7%确定，L；

ρ——水的密度，ρ=1kg/L;

tr——游泳池水的温度，℃；

tb——游泳池补充水水温，℃；

t——加热时间，h。

春秋季183天，平均环境温度20℃，平均水温15℃；夏季92天，平均环境温度28℃，平均水温20℃；冬季90天，平均环境温度13℃，平均水温10℃。查相关参数表计算可得：

（4）泳池恒温总耗热量计算：

Q=Qz+Qc+Qb

即不同季节泳池恒温总耗热量如下：

（5）泳池初次加热耗热量计算：

考虑水池传导蒸发热损失，取补偿温度1℃。从冷水10℃加热到使用温度26℃，若考虑首次加热时间为24个小时，则每小时加热量为：

式中：

c——水的定压比热容，4.18kJ/(kg·℃)；

m——热水量，kg；

t2——热水加热温度，取26℃；

t1——冷水温度，取10℃。

h——运行时间，h

代入数据得：Qh=370.72kW。

4.2 太阳能集热器面积计算及选型

本项目每天设计产水量为45t/d，所需集热器面积为：

Ac=Qw×Cw(tend-ti)×f/[Jrηcd(1-ηL)]

式中：

Qw——日均用水量，45000kg；

ηcd——集热器全日集热效率50%~60%，取55%；

Ac——直接系统集热器采光面积，m2；

Jr——所在地集热器总面积的月平均日太阳辐照量，MJ/m2；

f——太阳能保证率0.4~0.8，取0.55；

tend——储水箱内水终止温度，26℃；

Cw——水的定压比热容，4.18kJ/(kg·℃)；

ti——水的初始温度，取10℃；

ηL——管道及储水箱热损失率0.20~0.30，取0.20。

其中Jr为所在地集热器受热面上月均辐照量，根据全国主要城市太阳辐照量，可得太原地区Jr=16.89MJ/m2，太计算得阳能集热器面积Ac＝223m2。

由于建筑物屋面面积的限制，所设太阳能集热总面积为223m2，热量不足部分由辅助热源提供。太阳能集热器按形状分为平板式和真空管式两大类。其中真空管式又分为U形管式、直插式和热管式。平板式成本低、承压高但热效率较低；而真空管式集热器成本较高，但启动快，保温好，运行更加可靠。根据本工程的特点，选用真空管式集热器。本系统集热器选用横式方柱型集热器，每台集热器的集热面积为7.7m2，总计使用29组太阳能集热器，每组使用50支真空管，直径58mm、长1.8m。

因露面造型和设备问题导致安装太阳能使用面积有限，设置辅助热源时，辅助热源的供热量：

QF=Qh-Qg

式中：

QF——辅助热源供热量，kW；

Qh——设计小时供热量，kW。

式中适用于空气源燃气机热泵作为主热源、其他热源作为辅助热源的情况。太阳能集热系统作为主热源、其他热源作为辅助热源时，计算辅助热源供热量的方法同。

4.3 辅助热源的配置方案与选型

根据当地的实际情况及与业主沟通，在无市政热网且对燃煤、燃油锅炉的使用有一定限制的前提下，采用空气源热泵作为辅助热源。空气源热泵机组采用的是热泵技术，是把热量从低温热源转移到高温热源的一种装置。根据逆卡诺循环原理，高压的液态工质经过膨胀阀后在蒸发器内蒸发为气态，并大量吸收空气中的热能，气态的工质被压缩机压缩成高温高压的液态，然后进入冷凝器放热。空气源热泵作为辅助热源，更加节能环保，且安装方便。

系统虽然设置了太阳能储热水箱，但考虑到太阳能系统在连续阴天等光照条件不足时，为保证游泳池加热系统仍能正常运行，空气源热泵的选型依据仍按满负荷考虑。

方案一：空气源电热泵。空气源电热泵中的压缩机做功，将空气中的热能转移到水中，并将热水送至水箱。系统组成为空气源电热泵、热水循环泵、换热器。

采用30P电空气源热泵，单台制热量72kW。根据计算所得该改造项目最大热负荷为371kW，故设备选择如下：

371÷72=5.15，取6台。

因此选择6台型号为30P的空气源电热泵可满足要求。

方案二：空气源燃气机热泵[蓝焰高科（天津）燃气技术有限公司]。空气源燃气机热泵由燃气发动机带动压缩机做功，将空气中的热能转移到水中，并将热水送至水箱。系统组成为空气源燃气机热泵、热水循环泵、换热器。

由上面可知满足热水供应需求的空气源燃气机热泵供热量为371kW

采用空气源燃气机热泵机组GEHP-KXLY-195，单台额定制热量195kW，设备选择如下：

371÷195=1.90，取2台。

因此选择2台型号为GEHP-KXLY-195kW的空气源燃气热泵可满足要求。

5.费用分析

5.1 主设备配置及初投资

2种方案主设备配置及初投资情况如表1所示。

表 1 方案设备配置及初投资价格

5.2 运行成本分析

运行费用分析采用的数据为：商用天然气价格为3.0元/m3；电费为1.0元/kWh。

泳池恒温小时耗热量：春秋季91kW，夏季76kW，冬季107kW。

环境温度20℃时，空气源电热泵机组COP值5.19。环境温度28℃时，热泵机组COP值6.69。环境温度13℃时，热泵机组COP值4.22。

环境温度20℃时，空气源燃气热泵机组PER值2.06。环境温度28℃时，热泵机组PER值2.51。环境温度13℃时，热泵机组PER值1.77。

全年热水太阳能预热量为：223.3×16.89×365×0.55÷0.55×（1-0.2）=1101GJ；热泵系统按照每天20小时工作时间计算，各方案运行费用如下：

（1）方案一：

采用30P空气源电热泵全年运行费用：

春秋季：1.0×（91×3600×20×183-1101×106÷365×183）÷3600÷5.19≈34629；

夏季：1.0×（76×3600×20×92-1101×106÷365×92）÷3600÷6.69≈9380元；

冬季：1.0×（107×3600×20×90-1101×106÷365×90）÷3600÷4.22≈26513元。

总费用：34629+9380+26513=70522元，

（2）方案二：

采用GEHP-KXLY-195kW[蓝焰高科-空气源燃气机热泵]全年生活热水空气源燃气机热泵全年运行费用：

春秋季：3.0×（91×3600×20×183-1101×106÷365×183）÷3600÷2.06÷10≈26173元；

夏季：3.0×（76×3600×20×92-1101×106÷365×92）÷3600÷2.51÷10≈7500元；

冬季：3.0×（107×3600×20×90-1101×106÷365×90）÷3600÷1.77÷10≈19863元。

总费用：26173+7500+19863=53536元。

5.3 结果与讨论

分析2个方案初投资及运行费用，结果如表2所示

表2 方案初投资及运行费用情况

综合考虑，我们采用方案二[选用蓝焰高科（天津）燃气技术有限公司生产的空气源燃气机热泵]作为此项目最终方案，虽然空气源燃气热泵作为辅助热源初投资较空气源电热泵高，但运行费用低，而且空气源燃气机热泵不仅仅能供热水使用，同时还可满足供冷供热的需求。冬季供热可利用发动机排热，供热能力大，不受外界环境温度影响,特别适用于冬季寒冷地区，无需辅助热源，可快速除霜，也特别适合夏季炎热冬季湿冷地区。综合考虑，推荐考虑空气源燃气机热泵作为太阳能辅助热源。