高延峰
（中国铁路郑州局集团有限公司，河南 郑州450052）
摘要：通过对空气源热泵和太阳能集热系统技术原理的介绍，结合系统在铁路建设工程项目中的实际应用情况，通过集中热水制备方式的能耗分析，实现项目节能降耗、绿色低碳、安全可靠、智能控制的目的。
关键词：节能降耗；太阳能；空气源热泵；智能控制
近年来，随着经济的快速发展，如何处理好绿色低碳发展和减污降碳的关系，形成节约资源和保护环境的生产、生活方式，坚持生态优先、绿色低碳的高质量发展理念也深入到建设领域中。对于铁路建设项目，配套建设的列车乘务员公寓和单身宿舍，要求全日制提供恒温生活热水已经是必备条件。在生活热水的供应中采取合适的制备方式至关重要，要实现节能降耗、绿色低碳和便捷智能控制的目的。
1 工程概况
本工程为郑州市铁路站区某综合维修车间五层单身宿舍，建筑为南北向布置，坡屋面。单宿定员160人，热水定额为70L/人.天，热水日用量为11.20T，用水温度45℃，设计储水温度55℃，全天24小时供应热水。热水制备采用空气源热泵+太阳能集热器集成技术，以太阳能集中供热为主，空气源热泵为辅，可以满足节能降耗和绿色低碳的要求。
2 空气源热泵优点
空气源热泵和太阳能集热系统具有绿色环保，高效节能，安全可靠，安装简便，稳定耐用，操作方便，智能除霜，全天候使用，适用范围广以及可定时开关等优点。
系统采用太阳能、空气能等干净能源，无废气污染，无可燃烧排放物，无有毒气体排放，保持清净环境。系统运行充分利用空气中大量天然热能，集热效率高、运行成本低，可以实现节能降耗的目的。通过介质换热，电加热元件不与水接触，水质洁净、不使用燃料，不存在易燃、易爆、中毒现象。设备可以安装在建筑屋顶、室外等处安装方便简单，可实现多点同时供水。系统操作便捷可靠，由微电脑系统实现智能控制，根据需要设定水温，自动启停、具有记忆功能、无需专人值守。系统具有防冻和自动除霜功能，有效解决了换热器易结霜、融霜不干净引起的能效降低等相关问题。不受夜晚、阴雨天气影响，一年四季全天候供应热水，广泛适用于宾馆、公寓、单宿等全天候需要制备热水的场所，使用过程中可一根据需要自行设定设备设施的开/关机时间，可实现电价低谷时段工作，减少用电费用。
3 热水系统设置
热水系统在单身宿舍一层热力间内设置8m3太阳能储热水箱一座，6m3供热水箱一座，空气源热泵循环泵、热水循环泵、太阳能集热器循环泵各一套。室外设置空气能热泵机组3台，屋面设有效采光面积为2.8㎡的太阳能集热器54套。
4 系统运行控制
4.1 系统原理
太阳能集热器将太阳光能转换成热能，集热器内的水温不断升高，当集热器水温和储热水箱水温差值大于8℃时，太阳能集热器循环水泵自动启动，进行热交换；当集热器水温和储热水箱水温差值不大于3℃时，循环水泵自动停止工作，集热器与储热水箱之间不断的进行温差循环，储热水箱内的水温慢慢升高。
空气源热泵加热设备采取节能控制，以太阳能加热优先满足系统热水需求，太阳能系统热能不足时，空气源热泵机组设备才启动运行。热泵为防止水系统冻结，设置了由微电脑控制的防冻措施。当热泵机组在冬季长期停机时，将水系统放干，以节省循环泵和主机为防冻所耗费的能源。
热水使用时为保证用水终端始终有热水或只有少量冷水，在热水管网的末端及回水管道上安装热水循环泵及电磁阀，循环泵与电磁阀受热水管网水温控制，自动启停循环泵换热，保证热水管道的水温。
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维修车间单宿热水制备原理图
4.2 热水系统运行
4.2.1 太阳能热水系统运行
太阳能热水系统采用强制温差循环，集热器最高处设置温度传感器T1，太阳能储水箱设置温度传感器T2，集热器循环泵控制要求为：
T1-T2≧8℃时，循环泵开启；T1-T2≦3℃时，循环泵停止。
当循环管道内的水温低于2℃时，循环泵自动开启进行防冻循环，当水温达到5℃时，防冻循环自动停止。当水位传感器检测到水位低于所设置的最低水位时，电磁阀打开，自动补水。
4.2.2 热水循环系统运行
供热水箱设置温度传感器T3，热水循环回水管设置温度传感器T4，当T4<40℃时，且T3-T4≧5℃时，热水循环泵自动开启；当T4≧50℃时，热水循环泵自动开关闭。
4.3 热泵系统运行
4.3.1 热泵循环控制
空气源热泵作为热水辅助加热系统，在阴雨天或低温恶劣天气太阳能即热系统不具备制备热水条件，空气源热泵循环泵和机组控制要求：
T3≦45℃时，依次开启空气源热泵循环泵和机组；T3≧55℃时，依次关闭空气源热泵循环泵和机组。
当室外气温度低于2℃时，由微电脑控制自动开启热泵循环泵进行，当热泵主机出水温度<5℃时，自动启动主机运行制热，使水温上升至15℃后停机。
4.3.2 热泵除霜控制
热泵机组在冬季制热工况运行时，当湿度高于50%，气温较低时，蒸发器就会发生潜热交换，引起蒸发器结霜。热泵机组在进行除霜循环时，不仅不能给系统提供热量，反而会吸收热量，影响了热泵机组的平均制热量和平均制热效率。因此选取热泵机组除霜技术的先进性与如何减少机组的结霜量，是节能减排的关键要求。
热泵除霜控制采用压力、温度、时间三个参数联合控制智能除霜。除霜过程要保证压缩机不停机，才能避免除霜中压缩机频繁停机对压缩机的寿命的影响。并在除霜结束，恢复制热的瞬间，由微电脑自动将压缩机卸载至50%工况运行，以保护压缩机。
热泵机组实现全智能化自动除霜，不仅可以提高热泵机组的冬季平均制热效率达30%以上，还可以降低除霜工况时压缩机的负荷，延长压缩机的使用寿命，同时将除霜时水系统水温波动准确控制在1℃内，实现热泵机组节能降耗的目标。
5 热水制备智慧云APP控制
系统可以在水箱间采用微电脑集成智慧控制以外，还可以利用公网信号通过热水工程智慧云服务平台，在手机端APP远程设置供热参数并根据实施情况进行监控和调整，在节能降耗的同时，提高系统运行的稳定性和智慧控制体验感。
智慧云服务平台根据本系统特点，采用太阳能双水箱工程控制系统。通过手机APP功能界面设置温差循环、管道回水、自动补水、液位控制等参数，还可以根据使用条件、天气和季节变化进行参数调整。比如设定循环（用水）供回水温差和运行时间段进行精准循环和热水供应；设定水箱水位上下限和起始、结束时间、温度上下限进行确保系统定时补水和恒温运行；通过设置温差，水位等参数设置，预设报警功能。
6 能耗比较分析
常见热水制备加热方式能耗比较分析：
能耗分析对比(按一年90天阴雨天，日产1吨温升40度的热水)
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通过表中能耗数据比较分析，太阳能+空气源热泵系统制备热水最为节能，平均每吨水温升40度，日运行费用仅2.41元。比较电热水器的加热方式节能92.7%，即使与比较节能的空气源热泵相比，也达到70%的节能效果。
7 应用控制要点
7.1 河南地区屋面集热器安装应朝向正南或正南偏西5°，集热器必须有可靠的防风固定措施，能经受不低于10级风的负载，固定支架或墩台防止破坏防水层导致屋面渗漏。
7.2 太阳能集热器高于屋顶的避雷带时，系统必须要独立设置避雷带或避雷针，并与房屋避雷系统可靠连接。
7.3温度传感器的定位和安装与被测部位必须要有良好的热接触，要对温度传感器进行良好的保温。
7.4 管路的坡向及坡度按设计要求安装，沿工质流动方向上有3%o-5%。的坡度。
7.5 系统设置的电磁阀两端必须安装旁通管及手动阀，当发生故障时用应急调节。
7.6 当热泵机组在冬季长期停机时，应将循环管道内的水放空，以节省能源。
8 结束语
通过工程实例应用分析，可以看出空气源热泵+太阳能集热器系统，对于铁路站区职工单身宿舍和列车行车公寓等人员密集型且需要全天不间断提供生活热水的建筑来说，不仅施工便捷、管理方便，在保障热水供应安全可靠的前提下，还能实现节能降耗、减污降碳的目的，具有很好的经济效益和社会效益。
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