太陽能系統(tǒng)、風冷熱泵系統(tǒng)、燃氣鍋爐聯(lián)合制熱水的節(jié)能效益分析

上海煙草集團有限責任公司 施全臻

0 前言

空氣源熱泵技術(shù)是可再生能源應用的主要應用方向之一。空氣源熱泵熱水機組的制造、推廣和使用在我國只是最近10年的事，但由于其相對于傳統(tǒng)制取熱水設備的高效節(jié)能、環(huán)保、安全、智能化控制、不占用永久性建筑空間等優(yōu)點而引起了市場日益廣泛的關(guān)注。熱泵熱水機組以清潔再生原料(空氣+電)為能源，既不使用也不產(chǎn)生對人體有害的氣體，同時也減少了溫室效應和大氣污染。目前，在我國電力資源短缺的前提下，采用熱泵熱水機組制取熱水，即能以最小的電力投入獲得最大的供熱效益。將熱泵熱水機組放在建筑物的頂層或室外平臺即可工作。

太陽能技術(shù)也是可再生能源應用的主要應用方向之一。上海地區(qū)的太陽能年輻射量近年來平均值為4700MJ/m2，按照太陽能資源帶劃分，上海在我國屬三類地區(qū)，與江蘇、浙江兩地相當，具有開發(fā)利用太陽能的資源條件。其中各類建筑是利用太陽能資源的良好載體，太陽能熱水系統(tǒng)與建筑一體化是實現(xiàn)太陽能資源規(guī)模化利用的重要途徑。太陽能是永不枯竭的清潔能源，量大，資源豐富，綠色環(huán)保。但太陽能也具有一些缺點：

1)太陽能的能流密度低。

2)太陽能具有間歇性和波動性。太陽能的輻照度受氣候條件等各種因素的影響不能維持常量。

3）太陽能是一種輻射能，具有即時性，不易儲存，必須即時轉(zhuǎn)換成其它形式能量才能利用和儲存。

1 熱水系統(tǒng)應用案例

海煙大酒店每天洗浴等熱水日用水量30m3，熱水系統(tǒng)由太陽能熱水系統(tǒng)、風冷熱泵熱水系統(tǒng)及燃氣鍋爐熱水系統(tǒng)組成。其中風冷熱泵為海煙大酒店空調(diào)冷源備機，為提高設備及能源利用效率，此臺備機通過管道閥門切換同時參與到酒店空調(diào)系統(tǒng)及洗浴熱水系統(tǒng)。平時制熱水用作洗浴，當空調(diào)系統(tǒng)其余設備故障時，切換至空調(diào)系統(tǒng)使用。

1）熱水系統(tǒng)簡介：

海煙大酒店屋頂設置2個10m3不銹鋼水箱，分為上水箱與下水箱，上水箱為預熱水箱，分別與太陽能系統(tǒng)、風冷熱泵系統(tǒng)相連，利用太陽能及風冷熱泵加熱的熱水進入上水箱。（風冷熱泵通過板式熱交換器間接加熱）。下水箱為用戶水箱與鍋爐系統(tǒng)相連，當太陽能與風冷熱泵不能滿足用熱需求時開啟鍋爐供熱。

2）鍋爐系統(tǒng)

海煙大酒店鍋爐熱水系統(tǒng)由2臺力聚ZRQ-25W熱水鍋爐（制熱量為250000kcal/h，燃料為天然氣）通過2臺熱水泵與酒店下水箱相連。下水箱溫度設定后，鍋爐自動啟停。系統(tǒng)圖見圖1。

圖1 鍋爐系統(tǒng)圖

3）太陽能熱水系統(tǒng)

海煙大酒店太陽能熱水系統(tǒng)由屋頂太陽能集熱板、兩臺熱水循環(huán)泵通過管道與上水箱相連。太陽能集熱板品牌為北京天普，集熱面積100m2，系統(tǒng)圖見圖2。

圖2 太陽能系統(tǒng)圖

4）風冷熱泵系統(tǒng)

海煙大酒店風冷熱泵熱水系統(tǒng)由特靈RTXA+212風冷熱泵（制熱量345kw）通過2臺熱水循環(huán)泵與板式熱交換器相連，板式熱交換器通過2臺熱水泵與上水箱相連。系統(tǒng)圖見圖3

圖3 風冷熱泵系統(tǒng)圖

2 各類熱水系統(tǒng)的運行成本分析

針對上述3個系統(tǒng)，對各系統(tǒng)的制熱成本作一簡單分析。因風冷熱泵的運行成本與電價有關(guān)，所以分析時分為白天夜間兩個時段。因風冷熱泵在冬季制熱效率下降并且蒸發(fā)器表面結(jié)霜，故分析時分為冬季工況與其它三季工況。海煙大酒店每天熱水負荷平均為30m3，按此數(shù)據(jù)分析上述3種系統(tǒng)每天制30m3熱水的運行成本。太陽能系統(tǒng)為一次性投入，運行時基本不需費用，故分析時按其折舊成本計算。海煙大酒店太陽能系統(tǒng)購置價為50萬元，其使用壽命一般為15年，故每天折舊費用為：

以“對口幫扶，優(yōu)勢互補，互惠互利，共同發(fā)展”16字方針為指引，兩省市黨委、政府“真情實意、真金白銀、真抓實干”推進對口幫扶合作，形成了“政府援助、人才支持、企業(yè)合作、社會參與”的幫扶工作格局，滬滇幫扶合作漸入佳境。作為重要的橋梁和紐帶，在云南省扶貧辦的大力支持下，云南省投資促進局認真落實滬滇對口幫扶機制，扎實開展扶貧攻堅工作，推動各類扶貧項目落地，組織承辦滬滇經(jīng)濟合作及投資促進活動，滬滇經(jīng)濟合作規(guī)模和領(lǐng)域不斷擴大，滬滇經(jīng)濟合作呈現(xiàn)良好發(fā)展態(tài)勢。

50萬元/15年×365天=90元。

風冷熱泵屬酒店空調(diào)系統(tǒng)備機，故暫不計算其折舊值。

熱水鍋爐系統(tǒng)購置價也為50萬元，使用壽命一般為15年，故每天折舊費用也為90元。

1）春、夏、秋三季工況

運行費用計算公式：

式中N為設備每天運行費用，元；

Q為每天酒店熱水負荷：1.2×106kcal（30m3水，從15℃升溫至55℃）；

q為能源熱值：天然氣為8300kcal/m3，電力為860kcal/kWh；

表1 春夏秋季每天用能經(jīng)濟分析

表2 冬季每天用能經(jīng)濟分析

n為設備熱效率：鍋爐為85%，風冷熱泵性能系數(shù)COP為3.5；

f為能源單價：天然氣3.69元/m3，白天電力為1.2元/kWh，夜間電力為0.4元/kWh。

計算結(jié)果見表1。

2）冬季工況

因冬季溫度較低，風冷熱泵需要除霜。海煙大酒店風冷熱泵為2個壓縮機2個冷媒回路，通常在冬季開啟風冷熱泵制熱時，只有一個冷媒回路在制熱，另一個冷媒回路在制冷除霜，所以此時的效率極低，性能系數(shù)COP只有1.5左右。用能分析計算結(jié)果見表2。

可見，太陽能系統(tǒng)是一次性投入，在之后的運行過程中基本不需要費用，所以應該盡可能的利用太陽能來節(jié)省酒店的耗能。在春、夏、秋三季，風冷熱泵制熱效率較高的前提下，熱泵制熱水的成本白天比燃氣鍋爐制熱水低三分之一，晚上比燃氣鍋爐低四分之三，所以春、夏、秋季三季應盡可能的利用風冷熱泵。冬季風冷熱泵效率過低，白天電價高運行費用較高，所以冬季白天應用燃氣鍋爐提供酒店熱水。夜間電價較低，風冷熱泵運行成本比鍋爐低，可以利用晚間對水箱進行預熱。

3 運行管理

通過上述三個系統(tǒng)的制熱水運行成本分析可以發(fā)現(xiàn)，這三個系統(tǒng)的成本在春、夏、秋三季時從低到高依次為太陽能系統(tǒng)、風冷熱泵系統(tǒng)、燃氣鍋爐系統(tǒng)。冬季從低到高依次為太陽能系統(tǒng)、燃氣鍋爐系統(tǒng)、風冷熱泵系統(tǒng)。如何組織好節(jié)能運行管理，可遵循以下兩項原則：

一是利用夜間錯峰用電開熱泵機組與板交，減少能耗費用。當氣溫在10攝氏度以上時開始試運行，按照電能上的峰、谷、平價格，在晚上10點至次日凌晨6點時段充分利用階梯電價的優(yōu)勢開熱泵制熱水。

二是白天利用太陽能蓄熱作為補償，燃氣鍋爐作為應急使用與冬季使用。白天避開空調(diào)用電高峰時段，充分使用太陽能吸熱制熱水（根據(jù)統(tǒng)計，春夏秋三季光照充足的天氣下利用太陽能的話平均一天可產(chǎn)生51℃的熱水約30m3，基本可以滿足白天的熱水需求）。遇到用水高峰及冬季熱水不夠時再考慮使用燃氣熱水爐應急補償。盡量以熱泵和太陽能作為制熱水的主要手段，減少熱水爐使用頻率。

按照上述原則，再根據(jù)不同的天氣狀況及上海地區(qū)階梯電價現(xiàn)狀，上述三種系統(tǒng)應有不同組合方式才能實現(xiàn)高效節(jié)能運行。高效運行的組合方式簡介如下：

l)太陽能加熱生活熱水

在夏季日照良好的晴天，由于太陽輻射量大并且洗浴熱水溫度較冬季低，此時太陽能系統(tǒng)完全能承擔用戶所需的熱量，系統(tǒng)按此工況工作，此時太陽能循環(huán)泵的工作由系統(tǒng)控制器根據(jù)太陽能集熱器和熱水箱的溫度進行控制，源源不斷的利用集熱器采集的熱量輸送到熱水箱，若遇用水高峰，則由燃氣鍋爐補充。

2)夜間風冷熱泵制熱，白天依靠太陽能加熱生活熱水

在春、秋季節(jié)日照良好的晴天，此時太陽能系統(tǒng)不能完全承擔熱水箱所需的熱量。由于上海地區(qū)夜間谷電電價很低，在0.3元～0.5元/kWh左右，所以在夜間用風冷熱泵設備對2個10m3水箱水進行加熱至用水溫度并保持。白天依靠太陽能制熱維持這20m3水溫及另外10m3水的制熱負荷，若遇用水高峰時則由燃氣鍋爐補充。

3)夜間風冷熱泵制熱，白天依靠太陽能及風冷熱泵加熱生活熱水

在春、夏、秋季節(jié)陰雨天，此時太陽能系統(tǒng)基本獲取不到很多熱量。由于上海地區(qū)夜間谷電電價很低，所以在夜間用風冷熱泵設備對2個10m3水箱水進行加熱至用水溫度并保持。白天通過風冷熱泵完成另外10m3熱水的制熱負荷，此時太陽能系統(tǒng)只作輔助，若遇用水高峰時則由燃氣鍋爐補充。

4)利用燃氣鍋爐制熱水太陽能系統(tǒng)作輔助

在冬季天氣寒冷，日照很弱的天氣情況下，當環(huán)境溫度低于熱泵的經(jīng)濟運行溫度時，熱泵機組的制熱效率下降并且蒸發(fā)器表面結(jié)霜，此時使用風冷熱泵制熱水已經(jīng)不經(jīng)濟并達不到熱水箱的熱水溫度。所以只能利用燃氣鍋爐制熱水，太陽能系統(tǒng)作為輔助。

上述四種高效運行的組合方式，其熱水系統(tǒng)概述圖見圖4。

4 社會效益與節(jié)能效益

1）社會效益

一年三季不開燃氣熱水爐能夠有效減少二氧化碳的排放。據(jù)統(tǒng)計，酒店目前使用的25萬kcal燃氣熱水爐二氧化碳排放量為每小時31.33Nm3，按原來平均每天需要開燃氣熱水爐8.8小時算，從今年2月至10月的春夏秋三個季度，使用熱泵機組板交制熱水相當于減少了二氧化碳排放量7.5萬Nm3。

表1 海煙大酒店2011-2012年電費對比

表2 海煙大酒店2011-2012年鍋爐天然氣費用對比

2）經(jīng)濟效益

表1、表2為海煙大酒店2011年與2012年電費及天然氣費用臺賬，酒店天然氣全部用于制熱水用燃氣鍋爐，酒店用電量從往年的數(shù)據(jù)上來看基本比較一致。所以從表1、表2中我們可分析看出2012年起，采用太陽能系統(tǒng)、風冷熱泵系統(tǒng)、燃氣鍋爐聯(lián)合制熱水后酒店用電量及天然氣耗量的變化。從表中我們可以看到由于采用了以風冷熱泵加太陽能吸熱補償為主制熱水模式，使得燃氣熱水爐使用頻率大幅減少，所以2012年用于鍋爐房的天然氣費用由2011年的31.12萬元降為11.80萬元，同比減少了19.32萬元；2012年酒店電費由2011年的151.25萬元上升為165萬元，同比增加了13.75萬元。綜合核算，改進后實際節(jié)約能源費用約5.57萬元。

太陽能、空氣源熱泵作為可再生能源，在建筑領(lǐng)域的能源利用中發(fā)揮著越來越重要的作用，它們的應用是解決我國能源和環(huán)境問題的重要措施之一。通過本文分析，若能充分使太陽能、空氣源熱泵、燃氣鍋爐有機結(jié)合起來，在最經(jīng)濟的條件下運行，便能得到很好的社會效益與經(jīng)濟效益。