空氣源熱泵輔助太陽能熱水系統效益分析

許浩天 （安徽省建筑科學研究設計院，安徽 合肥 230001）

空氣源熱泵輔助太陽能熱水系統效益分析

許浩天 （安徽省建筑科學研究設計院，安徽 合肥 230001）

以合肥地區某培訓中心宿舍生活熱水工程為例，建立了空氣源熱泵輔助太陽能熱水系統的可視化系統模型，計算了該系統的常規能源替代量、二氧化碳減排量、二氧化硫減排量、粉塵減排量等數據，對比分析了該系統和其他熱水制備方案的節能效益、環保效益和經濟效益。研究結果表明，該系統在對比的幾種方案中具有最優的節能性和環保性；而該系統的經濟性受貸款利率影響較大，當貸款利率低于11.02%時，該系統具有最優的經濟性，但其經濟性優勢隨能源價格的上漲而更加明顯，因而在合肥地區具有很高的推廣價值。

空氣源熱泵；太陽能熱水；效益分析

本文研究的空氣源熱泵輔助太陽能熱水系統中，太陽能集熱單元與空氣源熱泵單元并聯，熱水供應按全日24h供應設計，并采用雙水箱設計。集熱水箱容量按一天用水量設計，至每天某一既定時刻之前，須將集熱水箱中的自來水加熱至所需溫度，并將既定溫度的熱水全部供至恒溫水箱供用戶取用，集熱水箱則在第二天開始加熱前補滿自來水，如此循環。系統原理圖如圖1所示。

圖1 空氣源熱泵輔助太陽能熱水系統原理圖

根據天氣條件的不同，優先使用太陽能單元進行加熱，僅在太陽輻射不能滿足制熱水要求時，才開啟空氣源熱泵進行補充。

本文研究的系統服務于合肥地區某培訓中心宿舍，該宿舍樓按II類宿舍設計，設計使用人數100人，用水定額80L/(人·日)[1]，日熱水用量為8000L/d。選取的空氣源熱泵額定功率為19.6kW，太陽能集熱器面積為265.90m2。選擇《中國建筑熱環境分析專用氣象數據集》中的合肥典型氣象年的逐時數據作為本文的氣象數據[2]，并采用TRNSYS軟件建立系統模型（圖2）。

圖2 空氣源熱泵輔助太陽能熱水系統的TRNSYS模型

系統運行以太陽能集熱單元為主，太陽能集熱單元單獨供熱不滿足熱水水溫55℃要求時，則開啟空氣源熱泵單元。保證每日24:00水溫達到55℃的同時，為使系統具有較低的能耗值，故通過比較，設定每月的熱泵開啟時刻（該時刻下若水溫已達到55℃，則熱泵默認不開啟）。分別計算每月設定13:00、13:30、14:30、15: 00、15:30、16:00、16:30、17:00、17:30及18:00開啟熱泵的當月系統總能耗，得出了每月的最佳開啟時刻，并計算出了該模式下的系統全年總能耗（表1）。

每月熱泵開啟時刻、各單元集熱量及系統能耗 表1

上文計算了該系統的全年能耗（電耗）為8587.73kWh，參考《可再生能源建筑應用示范項目測評導則》，全年常規能源替代量可用如下的計算方法[3]：

式中：Qbm——系統的全年常規能源替代量（tce）

Qce——使用常規能源制備相同的熱水消耗的標準煤量（tce）

Qsys——系統的全年一次能源消耗量（2.66tce），（電力與一次能源的轉換率取0.31kgce/kWh）

式中：Qs——太陽能單元全年集熱量，484684.81MJ

Qhp——熱泵單元全年集熱量，68035.97MJ

qce——標準煤計算熱值，29309MJ/tce

ηce——標準煤計算熱效率，65%

計算得Qce=29.01tce，與Qsys一起代入式（1）中，計算得Qbm=26.35tce。即系統全年的常規能源替代量為26.35t標準煤。

表2給出了其他熱水制備方案采用的能源種類、能源理論熱值及熱源設備的熱效率[4]。

其他各方案的能源種類及其理論熱值和熱效率一覽表 表2

將以上各系統方案按前文計算得出的系統全年總集熱量552720.78MJ和表1給出的能源熱值和熱效率進行計算，計算結果見表2。其中電輔助太陽能熱水系統與本文研究的系統具有相同的太陽能集熱面積、集熱效率等參數。

由表3可以看出，空氣源熱泵輔助太陽能熱水系統在以上各系統方案中具有最低的能耗，全年能耗為1.06t標準煤，單位熱水能耗為0.36kgce/t，僅相當于能耗最高的燃油鍋爐的4.49%，相當于其他方案中能耗最低的電輔助加熱的太陽能熱水系統的26.57%，由此可見，在這幾種方案中，空氣源熱泵輔助太陽能熱水系統具有最好的節能效益。

環保效益的評價可以用二氧化碳減排量、二氧化硫減排量和粉塵減排量來體現，計算公式如下[3]。

①二氧化碳減排量計算公式如下：

式中：QCO2——二氧化碳減排量（t/年）

Qbm——標準煤節約量（t/年）

2.47 ——標準煤的二氧化碳排放因子，無量綱

②二氧化硫減排量計算公式如下：

式中：QSO2——二氧化硫減排量t/年）

Qbm——標準煤節約量（t/年）

0.02 ——標準煤的二氧化硫排放因子，無量綱

③粉塵減排量計算公式如下：

式中：QFC——粉塵減排量（t/年）

Qbm——標準煤節約量（t/年）

0.01 ——標準煤的粉塵排放因子，無量綱

由前文可知，本系統的全年常規能源替代量Qbm=26.35tce，計算得出，系統的二氧化碳減排量為65.08t/年，二氧化硫減排量為0.53t/年，粉塵減排量為0.26t/年，環保效益顯著。

各方案能耗計算表 表3

為了更明顯的體現空氣源熱泵輔助太陽能熱水系統的環保效益，下面計算其相對于電輔助加熱的太陽能熱水系統、空氣源熱泵熱水系統、電鍋爐、燃氣鍋爐、燃油鍋爐這幾種系統方案的相對減排量。需要特別說明的是，使用電力作為能源本身沒有排放，但是在使用一次能源生產電力的過程中會產生排放和污染，因此，采用電力等價折標系數，將用電系統的能耗轉化為一次能源消耗量來用于減排量的計算。電力等價折標系數取0.31kWh/kgce。表4中給出了各系統方案的全年一次能源消耗量，并計算了其消耗量和空氣源熱泵輔助太陽能熱水系統消耗量的差值。

各方案全年一次能源消耗量及與太陽能+空氣源熱泵方案的差值 表4

根據表4中各系統方案的全年一次能源消耗量和空氣源熱泵輔助太陽能熱水系統消耗量的差值，按照公式（3）、（4）、（5）的方法，可以計算空氣源熱泵輔助太陽能熱水系統相對于其他各系統方案的二氧化碳減排量、二氧化硫減排量和粉塵減排量。計算結果如表5所示。

由表5可以看出，對于以上各種制備熱水的系統方案，在能源生產及能源使用的全過程中，空氣源熱泵輔助太陽能熱水系統相對于排放最高的電鍋爐能夠實現二氧化碳減排124.05t/年，二氧化硫減排1.00t/年，粉塵減排0.50t/年；相對于排放最低的電輔助加熱太陽能熱水系統，能夠實現二氧化碳減排18.18t/年，二氧化硫減排0.15t/年，粉塵減排0.07t/年。由此可見，空氣源熱泵輔助太陽能熱水系統在減少污染物排放方面優勢明顯，環保效益顯著。

空氣源熱泵輔助太陽能熱水系統相對于其他方案的污染物減排量 表5

對空氣源熱泵輔助太陽能熱水系統的經濟效益研究分析采用動態費用年值法。在動態費用年值法中，年計算費用的計算公式如下：

式中：Zd——動態計算方法下的年計算費用（萬元）

Cd——年經營成本（萬元）

Pd——初投資費用（萬元）

n——設備使用壽命年限（年）

i——貸款利率或采用部門的標準內部收益率（%）

公式（6）中，年經營成本Cd包括購買能源的費用、設備維護管理的費用（按固定資產投資總額的2%計算）、設備折舊費等。

折舊費計算公式：

式中：df——折舊費（萬元）

Pf——固定資產投資（萬元）

σ——預計凈殘值率，取4%[49]

n——設備使用壽命年限（年）

初投資費用Pd包括購置設備的費用（按廠商指導價計算，不含末端設備）、土建及安裝施工費用等。貸款利率i暫取8%，能源單價按照當地價格進行計算。各系統方案的動態費用年值計算結果如表6所示。

可以看出，當貸款利率為8%時，在以上各系統方案中，空氣源熱泵輔助太陽能熱水系統的動態費用年值最低，為5.03萬元，具有最好的經濟性；其次是空氣源熱泵，其動態費用年值僅比空氣源熱泵輔助太陽能熱水系統高出8.2%，也具有良好的經濟性。

動態費用年值是年經營成本和初投資折算年值之和。年經營成本受能源價格的影響較大，而初投資折算年值受貸款利率的影響較大。

4.2.1 能源價格的影響

由表6可以看出，空氣源熱泵輔助太陽能熱水系統具有最經濟的年經營成本，因此隨著能源價格呈不斷上漲的趨勢，空氣源熱泵輔助太陽能熱水系統的經濟性優勢會越來越明顯。

各方案動態費用年值計算表 表6

4.2.2 貸款利率的影響

空氣源熱泵輔助太陽能熱水系統雖然動態費用年值最低，也具有最低的年經營成本，但其初投資折算年值最高，且占其動態費用年值的比例也為最高，達到55.2%，因此該系統的經濟性受貸款利率的影響較大。

首先研究在貸款利率由5%～12%變化時，各方案的動態費用年值變化情況，貸款利率取每隔1%進行計算，將計算結果繪制成折線圖，如圖3所示。

圖3 貸款利率變化對各方案動態費用年值的影響

可以看出，貸款利率由5%增長到12%時，初投資費用最高的空氣源熱泵輔助太陽能熱水系統的動態費用年值增加非常明顯，而當貸款利率達到12%時，其動態費用年值已經超過空氣源熱泵。使用EES方程求解器軟件，進一步求解使二者動態費用年值相等的貸款利率值，如下：

解得i=11.02%，Z1=Z2=5.559。即貸款利率小于11.02%時，空氣源熱泵輔助太陽能熱水系統的動態費用年值小于空氣源熱泵系統，具有最優的經濟性；而貸款利率大于11.02%時，空氣源熱泵具有最優的經濟性。

本文研究分析了空氣源熱泵輔助太陽能熱水系統的節能效益、環保效益及經濟效益。以合肥地區某培訓中心宿舍為服務對象考慮，計算了該系統的全年常規能源替代量為26.35t標準煤，由此而帶來的二氧化碳減排量為65.08t/年，二氧化硫減排量為0.53t/年，粉塵減排量為0.26t/年，節能與環保效益顯著。同時，將該系統與空氣源熱泵熱水系統、電輔助加熱的太陽能熱水系統、電鍋爐、燃氣鍋爐、燃油鍋爐這幾種常見的熱水制備方案進行了對比。對比結果表明，空氣源熱泵輔助太陽能熱水系統的能耗及排放水平明顯低于其他系統方案，節能和環保方面優勢明顯。并基于動態費用年值法分析了這幾種熱水制備方案的經濟性，分析結果表明，以當前的能源價格計算，在貸款利率低于11.02%的前提下，空氣源熱泵輔助太陽能熱水系統具有最優的經濟性；而在能源價格不斷上漲的趨勢下，相對于其他系統方案，空氣源熱泵輔助太陽能熱水系統的經濟性優勢也會越來越明顯。

[1]GB50015-2003，建筑給水排水設計規范[S].

[2]中國氣象局氣象信息中心氣象資料室,清華大學建筑技術科學系.中國建筑熱環境分析專用氣象數據集[M].北京：中國建筑工業出版社,2005.

[3]中華人民共和國住房和城鄉建設部，中國建筑科學研究院.可再生能源建筑應用示范項目測評導則[E].

[4] 于國清，李玉潔.家用太陽能熱水系統的節能與環境效益分析[J].節能技術，2007，25(3)：211-226．

TU833+.3

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1007-7359（2016）05-0078-04

10.16330/j.cnki.1007-7359.2016.05.020

許浩天（1989-），男，安徽合肥人，畢業于合肥工業大學，碩士。