1 项目概况
天津市养老院始建于1953年，位于天津市南开区咸阳路，占地面积35亩，是一所集养老、护理、医疗、营养、康复、教育、培训、科研、娱乐、临终关怀为一体的综合性养老福利单位。有床位850张，主要收住社会孤老、企业孤老、社会自费托养老人及患有各种疾病和临终关怀的老人。
天津市养老院公寓楼为2004年建成的老年公寓楼，设有床位300张，其一楼为公共活动区域，二至五楼为自理老人住养区域，六、七楼为介助老人住养区域，相关配套设施齐整完备。原供热水系统为分户电热水器。
2 系统设计目标
天津养老院的管理者希望利用太阳能可再生能源利用技术，辅以电辅助加热，建立一套高效用能、洁净用能、操作简易、运行稳定、维护方便的热水供应系统。太阳能热水系统要实现节能减排、降低能源经费支出两利，为创建环保、低碳、节能的“绿色环境文化”树立标杆，并在此进程中开拓合作的新机制，实现经济发展和环境改善的双赢目标。
热水系统设计须满足老年公寓的日常热水用水需求；预计用热水人数约为300人，供水需全天候不定时供55-60℃洗浴用热水，系统拟采用太阳能配热泵中央热水系统。
图1 太阳能集热器阵列
3 太阳总辐射量
天津市地处中纬度，太阳辐射年总量平均为4935MJ/平方米(以天津单站实测资料为准)。按照太阳能丰富程度，中国划分为五类区域，天津市属第三类地区，太阳辐射比较丰富。
由于天津市地域面积不大，太阳总辐射的年际变化远远大于地区差异。以市区为例，年总辐射量最多的是1965年，总辐射量达到5932兆焦耳/平方米，而最少的1995年，总辐射量仅有3758兆焦耳/平方米，二者相差2174兆焦耳/平方米，达多年平均的44%。天津市的年总辐射量，80%的年份能达到5610兆焦耳/平方米。
4 集热器组数计算
太阳能光热集热器面积计算利用《民用建筑太阳能热水系统应用技术规范》（GB 50364-2005）对直接式太阳能热水系统集热器面积的计算公式进行计算：
式中：
— 直接系统集热器总面积，㎡；
— 日均用水量，kg，本项目设计水量为65L/日·人，则日均用水量为19500L/日；
— 水的定压比热容，KJ/kg·℃，取4.187KJ/kg·℃；
— 储水箱内水的终止温度（用水温度），取60℃；60℃时水的密度为0.983191 kg/L；
— 水的初始温度，℃，天津地面水取10℃，地下水10-15℃（建筑给水排水设计规范）；
— 太阳能保证率，%；根据系统使用期内的太阳辐照、系统经济性及用户要求等因素综合考虑后确定，宜为30%~80%，天津地区宜取50%；
— 当地集热器采光面上的年日均辐照量KJ/㎡，天津取15370 KJ/㎡（天津地区能源规划）；
— 集热器的年平均集热效率；根据经验值宜为0.25~0.50，取50%；也可具体根据产品的实际测试结果而定；
（集热器年平均集热效率计算可以依据国家太阳能热水器质量监督检验中心(北京)出具的平板型太阳能集热器国太质检(委)字(2009)第TJ012号检测报告提供的基于采光面积Aa和集热器进口温度Ti的瞬时效率曲线(线形拟合)
式中：
—集热器瞬时效率；
—基于进口温度的归一化温差，
——集热器进口工质温度； （双或多水箱系统）；
——年平均日室外温度，℃，本项目取12.2℃；
——年平均日射辐照度，W/m2；根据试验条件，G=700W；
计算得到太阳能集热器的集热效率为：
— 贮水箱和管路的热损失率；根据经验为0.15~0.30；取0.15；
将已知数值带入计算公式，得到 =210.63平米。根据产品规格参数确定集热器的组数应为105组，但是考虑到现场的实际安装情况和招标单位的要求，按100组集热器布置。
5 空气源热泵原理
天津市养老院每天约需19.5吨热水，热源由太阳能提供，如遇雨雪及阴天等极端天气，太阳能不能提供热量时需要由热泵机组供给，两种能源利用方式的配合使用，二者可以互相补充，可全天候、不定时满足热水需求，是节能运行方案的理想方式。
热泵，是一种热量转移装置，它的作用就是从低温热源中吸收热量，并转移到高温热源中去，将能把热量从低温热源转移到高温热源的装置，称之为“热泵”。
图2 空气源热泵及泵组
热泵的作用就是从低温热源中吸收热量（这些热源可以是水、土壤或空气），并把它传递给高温热源（如热水或热空气）。
空气源热泵的工作原理如下图：
如热泵工作原理图所示：热泵机组通过冷凝器向生活热水中输出的热量为QC，它一部分是通过蒸发器从外围大气环境中吸收的热量QA，另一部分是热泵压缩机消耗电能做功过程中产生的热量QB，即QC＝（QA+QB）。由于QA是免费从大气环境中得到的，机组的消耗仅为压缩机做功的电能消耗，近似等于QB，所以热泵热水设备的能效比COP为QC/QA。一般情况下，空气源热泵热水设备平均COP约为450% ～480%。换句说法，即机组每消耗1kw.h的电能，可以得到4.6kw.h的热能。由此可见，采用热泵热水技术来制取生活热水可以实现“低消耗、大产出”。
利用少量电能做功，将室外空气中的低品位热能提升到高品位热能中，是通过热泵做了一个能量搬运的过程，而不是直接消耗电能转化热能，从这个意义上来说，它的节能效果是非常明显的。
图3 泵房内水泵
6 系统设计方案
依据建设单位的要求，空气源热泵机组应满足制热量≥34KW，消耗功率≤8.4KW，则COP=4.05，热泵机组每日最大工作时间为10小时，共设计4台空气源热泵作为辅助热源。
空气源热泵机组的压缩机一般采用涡旋式压缩机，因其特性所致，空气源热泵机组制热量每台一般选38KW（10匹）左右，在该工程中选择34KW的热泵热水机组，但此类机组可以模块化组合，可以根据不同场所需要的热量需求自由组合。
空气源热泵热水机组选型如下：
热泵主机名称 空气源热泵热水机组整体式 单位 标书要求数值
热泵设备型号 SFR-360S/W
数量 4台 4台
电源形式 380V/3N/~50Hz V 380V/3N~50Hz
单台制热 36.8 KW ≥34
单台输入功率 8 KW ≤8.5
进、出口管径 DN32 DN 32
产水量 6.0-8.5m3/h L/h 800
加热方式 循环式加热 循环式加热
额定出水温度 55-60 ℃ 55
噪声 62 dB(A) ≤68
运行重量 280(480KG加水后) Kg 300
外形尺寸 1160*1100*1950（长宽高） mm 1320×695×1355
设计方案确定后，设计系统的运行流程及平面布置等相关图纸，系统原理图如下：
7 结语
泵房内水泵经过三个月的施工，天津养老院的项目终于在冬季到来之前完成施工、验收并正式投入使用。历经年底到春节前的正常运行，效果良好，得到了养老院中众多的老人肯定（ly）
来源：《中国太阳能工程》杂志
关键词：养老院设计 养老院空调解决方案