空氣源熱泵輔助太陽能系統(tǒng)在學(xué)生公寓淋浴系統(tǒng)中的應(yīng)用

上海海洋大學(xué)節(jié)能與環(huán)保辦公室 趙海鵬 俞 淵 王彥偉

上海海洋大學(xué)臨港校區(qū)自建設(shè)之初就在節(jié)能方面做了充分的準(zhǔn)備，但是隨著學(xué)校辦學(xué)規(guī)模不斷擴(kuò)大，師生人數(shù)與教學(xué)生活設(shè)施的大幅度增加，學(xué)校的能源需求也急劇上升，因此推行節(jié)能減排措施勢在必行。本文以學(xué)生公寓淋浴系統(tǒng)中空氣源熱泵輔助太陽能制備熱水為例，分析該項(xiàng)目試點(diǎn)的必要性和效果，以期為后續(xù)節(jié)能改造提供參考和借鑒。

1 高校樓宇熱水供應(yīng)系統(tǒng)熱源種類及分析

高校樓宇熱水供熱系統(tǒng)中傳統(tǒng)的供熱方式主要包括：燃煤鍋爐加熱、燃?xì)忮仩t加熱、燃?xì)鉄崴骷訜帷㈦姛崴骷訜幔鲜鏊姆N取熱方式都直接或間接的來自不可再生能源，同時(shí)燃煤、燃?xì)猱a(chǎn)生的二氧化碳、硫氧化物、氮氧化物等會(huì)加劇溫室效應(yīng)、酸雨等環(huán)境問題。在當(dāng)今大力提倡節(jié)能、低碳、環(huán)保的新形勢下，各高校也逐漸淘汰了以傳統(tǒng)熱源為主的供熱方式，轉(zhuǎn)而使用安全環(huán)保、高效、無污染的太陽能和熱泵技術(shù)進(jìn)行校園供熱。

1.1 太陽能熱水供應(yīng)系統(tǒng)

目前，很多高校在建設(shè)節(jié)約型校園過程中紛紛采用太陽能在各個(gè)領(lǐng)域供熱，太陽能的利用為校園節(jié)能減排做出了重要貢獻(xiàn)。

（1）太陽能熱水系統(tǒng)優(yōu)缺點(diǎn)

太陽能在校園樓宇中作為熱水供應(yīng)的熱源的優(yōu)點(diǎn)是太陽能為免費(fèi)能源，降低學(xué)校供熱運(yùn)行成本；節(jié)約大量不可再生能源；太陽能為清潔能源，使用無污染。缺點(diǎn)是初期設(shè)備投資大；供熱系統(tǒng)供熱不穩(wěn)定因素多；太陽能熱水系統(tǒng)維修、維護(hù)成本高。

（2）太陽能熱水系統(tǒng)的原理

太陽能熱水系統(tǒng)主要是利用專用的太陽能集熱器進(jìn)行光熱轉(zhuǎn)換，整個(gè)系統(tǒng)通過定溫放水、溫差強(qiáng)制循環(huán)兩個(gè)操作單元來完成。定溫放水是在集熱器與貯熱水箱中各設(shè)一個(gè)溫度探頭，當(dāng)集熱器出水末端的溫度探頭測到水溫T1高于預(yù)先設(shè)定的T0時(shí)，系統(tǒng)就啟動(dòng)熱水循環(huán)泵，將熱水輸入貯熱水箱,低于T0時(shí)熱水循環(huán)泵就自動(dòng)關(guān)閉；溫差強(qiáng)制循環(huán)是當(dāng)貯熱水箱中的溫度探頭測到水箱與集熱器的水溫差達(dá)到預(yù)設(shè)值T時(shí)，啟動(dòng)熱水循環(huán)泵，使集熱器與水箱中的水進(jìn)行交換循環(huán)。

1.2 空氣源熱泵熱水供應(yīng)系統(tǒng)

（1）空氣源熱泵熱水系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)

空氣源熱泵熱水系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)有：成本低，獲取熱源免費(fèi)，為學(xué)校節(jié)約大量的能源費(fèi)用；安全，運(yùn)行過程中水與電分離，消除了電熱水器的安全隱患；環(huán)保，直接從空氣中獲取熱量，無廢氣排放，無空氣污染；安裝、使用便捷，只要有適當(dāng)?shù)陌惭b空間，就能從空氣中獲取熱量；運(yùn)行穩(wěn)定，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)基本不受天氣影響，晴雨、晝夜均可運(yùn)行；效率高，只需輸入少量電能即可獲得3～4倍的熱能。缺點(diǎn)有：低溫條件下制熱量顯著下降，制熱COP值降低，需要其他能源輔助。

（2）空氣源熱泵熱水系統(tǒng)原理

氣源熱泵是指通過空氣換熱器與室外空氣進(jìn)行換熱制取冷量或熱量的熱泵系統(tǒng)（見圖1），空氣源熱泵系統(tǒng)主要由蒸發(fā)器、冷凝器、壓縮機(jī)、膨脹閥4部分組成。空氣源熱泵熱水系統(tǒng)就是空氣源熱泵制取熱水的裝置系統(tǒng)，它根據(jù)逆卡諾原理，通過系統(tǒng)少量的電力驅(qū)動(dòng)將空氣中難回收的低位熱能轉(zhuǎn)變?yōu)楦呶粺崮茚尫诺剿校瑥亩迫崴瑵M足生活和供暖的需求。

圖1 空氣源熱泵熱水系統(tǒng)原理圖

1.3 太陽能與空氣源熱泵有機(jī)結(jié)合的熱水供應(yīng)系統(tǒng)

太陽能熱水供應(yīng)系統(tǒng)與空氣源熱泵熱水供應(yīng)系統(tǒng)各有利弊，除了在使用中有很多共性的優(yōu)點(diǎn)以外，二者可以優(yōu)劣互補(bǔ)，實(shí)現(xiàn)高效運(yùn)行。第一，太陽能熱水系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)最大化的利用免費(fèi)能源，但制熱效率容易受地域、季節(jié)、天氣等因素的影響，即穩(wěn)定性不強(qiáng)。第二，空氣源熱泵熱水系統(tǒng)除了在低溫下運(yùn)行效率較低外，受天氣、晝夜等因素的影響較小，即穩(wěn)定性較好，但是空氣源熱泵熱水系統(tǒng)沒有最大限度的利用免費(fèi)能源。基于上述兩點(diǎn)，兩者的優(yōu)缺點(diǎn)可實(shí)現(xiàn)極好的互補(bǔ)，兩者結(jié)合使用制熱效率將進(jìn)一步提高。

兩者結(jié)合的應(yīng)用方式主要有2種：第一，以太陽能為主，空氣源熱泵為輔。在光照充足的時(shí)候以太陽能制熱為主，充分利用免費(fèi)能源，在光照不足時(shí)為了保證水的熱度，使用空氣源熱泵輔助加熱。第二，以空氣源熱泵為主，以太陽能為輔。主要通過太陽能集熱來解決冬季夜晚低溫環(huán)境下空氣源熱泵效率下降的問題,其余時(shí)間利用空氣源熱泵單獨(dú)制熱,從而可通過空氣熱能補(bǔ)償太陽能的不確定性,最大限度地利用可再生能源來實(shí)現(xiàn)樓宇供熱的需求。

2 學(xué)生公寓太陽能熱水供應(yīng)系統(tǒng)應(yīng)用及改進(jìn)實(shí)施案例

為推進(jìn)建設(shè)節(jié)約型校園建設(shè)，上海海洋大學(xué)在新校區(qū)建設(shè)中有學(xué)生公寓太陽能中央熱水系統(tǒng)。目前，該項(xiàng)工程為全國最大的太陽能建筑一體化工程，總集熱器面積為6472m2，系統(tǒng)日產(chǎn)熱水量為845m3，可同時(shí)滿足32棟宿舍樓的近16000人的每日熱水需求。

2.1 燃?xì)鉄崴仩t輔助太陽能熱水供應(yīng)系統(tǒng)

2008年9月學(xué)校啟用新校區(qū)之初，學(xué)生公寓的熱水是由太陽能集熱器（板狀）與燃?xì)猓ㄌ烊粴猓崴仩t相結(jié)合的方式所產(chǎn)生的。每棟樓安裝一套獨(dú)立的熱水系統(tǒng)，每套系統(tǒng)在樓頂放置了2個(gè)10m3或15m3的水箱，鋪設(shè)了420m2左右的太陽能集熱器。同時(shí)，每套熱水系統(tǒng)配備了一個(gè)0.3t/h的天然氣鍋爐作為輔助熱源，以確保在太陽能不穩(wěn)定的環(huán)境中也能為學(xué)生提供熱水。

但是在實(shí)際的運(yùn)行過程中發(fā)現(xiàn)：一，太陽能集熱板面積不足；二，受氣候、天氣等因素的影響太陽能系統(tǒng)供熱不穩(wěn)定。因此，整個(gè)熱水供應(yīng)系統(tǒng)在運(yùn)行中實(shí)際上變成“以燃?xì)饧訜釣橹鳎蕴柲転檩o”，即燃?xì)忮仩t實(shí)際上承擔(dān)了系統(tǒng)大部分的加熱任務(wù)，使得燃?xì)忮仩t的熱效率急劇下降，造成能源成本大幅攀升。2010年4月的燃?xì)赓M(fèi)用與去年同期相比，上漲了72.5%；2010年5月的燃?xì)赓M(fèi)用與去年同期相比，更是上漲了136.3%。

2.2 空氣源熱泵輔助太陽能熱水供應(yīng)系統(tǒng)

為了更好的利用好已有的太陽能集熱系統(tǒng)，同時(shí)進(jìn)一步減少電和燃?xì)饽茉聪模瑢W(xué)校2010年11月試點(diǎn)改造公寓熱水供應(yīng)系統(tǒng)，試點(diǎn)范圍是第十小區(qū)的1幢自然樓（A085、A086、A087）。此次試點(diǎn)主要建成了空氣源熱泵輔助太陽能熱水供應(yīng)系統(tǒng)（保留了原來的燃?xì)忮仩t熱水系統(tǒng)以備極端天氣使用），并于2011年1月5日正式投入使用。經(jīng)過一年的試點(diǎn)，該幢自然樓的節(jié)能性與經(jīng)濟(jì)性均達(dá)到較好效果，因此學(xué)校于2013年年初開始對(duì)本科生A區(qū)28幢自然樓進(jìn)行改造，并于2013年9月1日正式投入使用。

表1 改造前后學(xué)生公寓A區(qū)淋浴熱水系統(tǒng)的水、電和天然氣消耗

2.3 改造前后節(jié)能量和經(jīng)濟(jì)性分析

下面根據(jù)2013年9-12月與2012年9-12月的運(yùn)行數(shù)據(jù)（見表1），從節(jié)能性和經(jīng)濟(jì)性的角度對(duì)空氣源熱泵改造效果進(jìn)行比較，以討論空氣源熱泵輔助太陽能系統(tǒng)在學(xué)生公寓淋浴系統(tǒng)的節(jié)能和降低成本方面的優(yōu)勢。

（1）改造前后節(jié)能分析

從表1可以看出，整個(gè)系統(tǒng)嵌入了空氣源熱泵后天然氣的消耗量大大下降，2013年9～12月比2012年同期下降了74%，但是改造后系統(tǒng)的用電增加了53.45萬kWh。根據(jù)《綜合能耗計(jì)算通則》（GBT2589-2008）[1]天然氣折標(biāo)系數(shù)為1.2143kg/m3，電折標(biāo)系數(shù)為0.1229kg/kWh，計(jì)算得出各個(gè)月份淋浴系統(tǒng)的總能耗如圖1。可以看出，雖然淋浴系統(tǒng)改造后增加耗電量，但是總能耗卻大大降低，尤其是在9、10、11三個(gè)月份空氣源熱泵效率較高，改造后在加熱水量增加的情況下每月淋浴系統(tǒng)的能耗僅為改造前的25%，節(jié)約了75%的能耗。2012年9-12月淋浴系統(tǒng)能耗為376.4t標(biāo)煤，而2013年9-12月淋浴系統(tǒng)能耗僅為164.6t標(biāo)煤，4個(gè)月共節(jié)約211.8t標(biāo)煤，節(jié)約率57%，效果顯著。

圖1 2012與2013年同期能耗標(biāo)煤對(duì)比

（2）改造前后經(jīng)濟(jì)效益分析

根據(jù)各類能源實(shí)際價(jià)格，所在地區(qū)的水價(jià)為3.68元/m3，電價(jià)為0.636元/kWh，天然氣價(jià)格為2.50元/m3，根據(jù)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算匯總得出系統(tǒng)改造前后運(yùn)行費(fèi)用的對(duì)比，如圖2。

圖2 2012與2013年同期淋浴系統(tǒng)能源費(fèi)用對(duì)比

由圖2可以看出：隨著氣溫降低，淋浴系統(tǒng)能源費(fèi)用呈逐月上升趨勢，改造后能源支出費(fèi)比改造前下降幅度較大，顯示在學(xué)生洗澡用水量上升的現(xiàn)實(shí)情況下，該節(jié)能改造項(xiàng)目節(jié)約了大量能源費(fèi)用，據(jù)測算，2012年9-12月學(xué)生宿舍淋浴系統(tǒng)能源支出費(fèi)用為77.5萬元，2013年9-12月能源支出費(fèi)用為54.36萬元，能源費(fèi)用減少了23.14萬元，費(fèi)用減少了29.86%，系統(tǒng)改造后的經(jīng)濟(jì)效益十分明顯。

3 結(jié)論

上海海洋大學(xué)學(xué)生宿舍淋浴系統(tǒng)建設(shè)之初采用的是太陽能加天然氣鍋爐進(jìn)行加熱的方式，2010年學(xué)校對(duì)A085-A087一幢樓進(jìn)行了嵌入空氣能熱泵輔助加熱方式，經(jīng)過1年的試點(diǎn)，能源運(yùn)行費(fèi)用減少了23.63%，隨后學(xué)校采用合同能源管理模式擴(kuò)大改造范圍至整個(gè)學(xué)生宿舍，整個(gè)系統(tǒng)于2013年9月開始運(yùn)行，2013年9-12月能源支出費(fèi)用與去年同期相比下降了約30%，效果顯著。本案例對(duì)目前高校既有建筑的淋浴系統(tǒng)改造提供了較好的示范意義。

[1]國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)一部.GB/T2589－2008:綜合能耗計(jì)算通則［S］.北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.6.