低品位多熱源聯供熱水系統的節能分析

山東科技大學機械電子工程學院 ■ 楊前明 李心靈 李亭 李凱

一 引言

太陽能熱利用技術的本質是利用太陽能集熱器將低品位太陽能轉化為高品位熱能。由于其自身集熱的不連續性以及隨季節變化較大等因素，目前還不能單獨滿足大量熱水的需求，必須與其他穩定性較好的熱源結合使用[1～5]。空氣源熱泵熱水系統是利用少量電能把不能直接利用的低品位熱源(空氣)轉化為可以直接利用的高位熱能的節能設備。廢水余熱回收設備主要是利用水源熱泵、板式換熱器等余熱回收裝置將洗浴廢水中的大部分熱量回收利用，減少能源的浪費[6～11]。近年來，太陽能熱水系統與空氣源熱泵熱水機組聯合供熱水工程已獲得更加廣泛的應用，由于全年四季均能充分利用低品位熱能，使組合后的太陽能-空氣能-污水余熱回收能量復合系統(Solar-Air heat pump-Waste heat recovery，SAW)較單一系統更具節能潛力。

二 SAW熱水系統的構成及運行原理

1 SAW熱水系統構成

圖1為SAW熱水系統組成示意圖。SAW熱水系統主要由太陽能、空氣源熱泵熱水機組和廢水余熱回收設備聯合提供熱源，主要包括太陽能集熱器、空氣源熱泵熱水機組、余熱回收裝置、蓄熱水箱、各類循環水泵、控制系統及管網等環節。

圖1 SAW熱水系統組成示意圖

2 SAW系統運行原理

SAW熱水系統主要由太陽能集熱、熱泵熱水、污水余熱回收加熱3個子系統組成。在整個循環過程中，自來水經過余熱回收裝置進行預熱，根據溫差、液位、防凍、排空、恒壓等控制系統控制程序實現系統各部分的循環功能。

(1) 太陽能集熱系統

太陽能集熱系統由太陽能集熱器、膨脹罐、蓄熱水箱、換熱器、循環泵及循環管路構成。集熱側，工質丙二醇通過溫差控制系統控制循環泵迫使工質進行強制循環；在冷水側，工質水通過溫差控制系統控制循環泵迫使工質進行強制循環。集熱側與冷水側通過換熱裝置不斷傳遞熱量，使冷水溫度升高，工質溫度降低。

(2) 空氣源熱泵系統

空氣源熱泵熱水系統主要由熱泵機組、蓄熱水箱、循環泵及循環管路組成。當太陽能熱水系統產生的熱量無法滿足系統的用熱水需求時，系統自動啟動空氣源熱泵進行輔助加熱。空氣源熱泵制熱系統采用蓄熱水箱內部水溫控制運行模式，當蓄熱水箱內部水溫低于所需供水溫度時，依次啟動循環水泵和空氣源熱泵機組，直至蓄熱水箱內部水溫達到設定值，再依次停止熱泵機組和循環水泵。

(3) 污水余熱回收能量系統

污水余熱回收系統主要由水源熱泵、板式換熱器、循環泵及蓄熱水箱構成。在余熱回收過程中，一部分自來水在循環泵的作用下，先經過板式換熱器進行換熱，最后進入蓄熱水箱，一部分冷水進入水源熱泵進行預熱，最后進入蓄熱水箱。在這一過程中廢水余熱得到利用，間接降低了SAW系統的能耗，同時洗浴廢水在經過廢水處理裝置后得到二次利用，減少了水資源浪費。

SAW熱水系統綜合利用太陽能、空氣能、污水廢熱能等低品位能源作為低溫熱源，通過系統整合與優化，建立全新的清潔能源利用系統，從而優化能源結構，減少常規能源消耗，促進建筑節能以及能源的可持續利用。

三 SAW系統的熱負荷計算與分析

SAW熱水系統不僅能使太陽能資源得到充分利用，避免夏季太陽能部分提供熱量過多造成資源與成本浪費，而冬季制熱量不足無法達到使用要求等缺點，同時利用余熱回收裝置將洗浴廢水中的熱量回收利用，還可減少能源浪費。

1 熱負荷計算

青島位于山東半島南端、黃海之濱，全年平均氣溫12.3℃，一年中1月為最冷月，平均氣溫?0.9℃，8月為最熱月，平均氣溫25.3℃。根據建筑給水排水設計規范[12]，查得青島地區的全年冷水計算溫度為10～15℃。結合青島地區的氣候變化情況，冬季取冷水計算溫度5℃，春秋季取10℃，夏季取15℃。該浴室每天需要40℃熱水150t，浴室四季所需熱負荷的計算公式為：

式中：Q為消耗熱負荷，MJ；c為水的比熱容，4.187MJ/(kg·℃)；m為所需質量，kg；t0為初始溫度，℃；t1為所需溫度，℃。

SAW熱水系統實際安裝場地東西長33.2m，南北寬30m，其中水箱占地面積55m2，空氣源熱泵系統占地面積60m2。由于受安裝設備及場地基礎設施的影響，實際安裝太陽能集熱器的有效集熱面積為455.04m2。根據中國氣象輻射資料年冊[13]中太陽能輻射量隨季節變化情況，太陽能熱水系統(QS)、空氣源熱泵熱水系統(QHP)、水源熱泵余熱回收系統(QW)在不同季節提供的熱量如表1所示。

根據表1繪制出全年各月SAW熱水系統各熱源隨著季節變化所提供的熱量占比曲線變化圖如圖2所示。從圖2可知，在SAW熱水加熱系統中，污水源熱泵所提供的熱量相對穩定，全年占比約為16.72%；太陽能熱水系統受建筑面積影響，提供熱量較少，且隨季節性太陽能輻照強度的變化而變化，全年占比約為12.79%；空氣源熱泵熱水系統受日照強度影響較小，全年可提供約70.49%的熱負荷。

表1 SAW熱水系統全年各月能源分配表

圖2 全年各月SAW系統各熱源提供熱量曲線圖

2 熱負荷占比分析

表2為SAW熱水系統全年四季在不同天氣情況下各系統提供的熱量分配表。由表2可知，受環境溫度影響，SAW熱水系統夏季提供熱量較少，冬季較多；同時受氣候變化影響，太陽能集熱器供熱不穩定，在余熱回收系統提供熱量一定的情況下，熱泵提供熱量隨太陽能提供熱量的減少不斷增加。

圖3～圖6分別為春、夏、秋、冬4個不同季節氣候條件下SAW提供總熱負荷與各組成熱源占比變化規律曲線圖。

表2 SAW熱水系統提供能量分配表

從圖3可看出，夏季外界環境溫度及補水溫度相對較高，系統所需熱負荷總量(Q)在全年四季中為最低量。由于夏季太陽能輻射強度相對較高，所以夏季是全年四季中太陽能熱水系統提供熱負荷(QS)最富裕季節，應優先采用太陽能集熱系統。

從圖4分析可看出，冬季外界環境溫度及冷水溫度相對較低，系統所需熱負荷總量(Q)在全年四季中為最高量。由于冬季太陽能輻射強度相對較低，所以冬季是全年四季中太陽能熱水系統提供熱負荷(QS)最少的季節，應優先采用空氣源熱泵熱水機組。

從圖5、圖6可看出，春秋季外界環境溫度及補水溫度相對全年居中，系統所需熱負荷總量(Q)在全年四季居中。由于春秋季太陽能輻射強度相對居中，所以春秋季也是全年四季中太陽能熱水系統提供熱負荷(QS)相對居中的季節，應合理調配太陽能與空源熱負荷。

就全年四季而言，每個季節熱水熱負荷總量(Q)與污水余熱回收熱負荷(QW)相對穩定。當天氣條件由晴天－多云－陰雨變化時，太陽能系統的供熱負荷(QS)逐漸減少，熱泵提供的熱負荷(QHP)逐漸增加。也就是說，由于季節與天氣條件由好變差而導致的太陽能供熱負荷的減少須由熱泵進行補充。

3 合理用能策略

綜上所述，為優化能源結構，充分合理利用太陽能、空氣能、污水廢熱回收等低品位熱源，實現SAW系統聯合供熱水，不難獲得以下結論與運行策略：

(1) SAW系統熱水熱負荷總量Q相對不變的情況下，太陽能熱負荷QS、空氣能熱負荷QHP與污水余熱回收熱負荷QW構成系統總熱負荷Q，即Q=QS+QHP+QW。

(2) 由于污水余熱回收熱負荷QW相對穩定，系統運行的成本取決于太陽能集熱系統與空氣能熱泵熱水機組的運行成本。即太陽能熱負荷和空氣能熱負荷是系統熱負荷供應主流。

(3) 同一季節、同樣天氣、太陽光輻射強度高的工況下，應優先采用太陽能集熱系統加熱熱水，不足部分由空氣源熱泵熱水機組進行熱負荷補充。這是因為在同樣投資總量、單位能耗等條件下，太陽能集熱系統的運行成本低于空氣源熱泵熱水機組。

(4) 在冬季、陰雨天氣條件下，太陽能輻照強度較低，空氣源熱泵熱水機組是系統的主要熱負荷來源，優先采用空氣源熱泵機組、太陽能集熱系統作為輔助熱源應是SAW系統運行的基本策略。

四 結論

通過介紹SAW熱水系統的組成、運行原理及循環方式，對SAW熱水系統各子系統的運行過程進行能源占比分析，提出SAW熱水系統全年合理用能運行策略，實際系統運行用能結果驗證了本文的用能分析與運行策略的合理性。

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