深圳市空氣源熱泵輔助太陽能集中熱水系統能耗分析及運行優化

張 欣 李 蕾 肖益民

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深圳市空氣源熱泵輔助太陽能集中熱水系統能耗分析及運行優化

張 欣1李 蕾2肖益民1

（1.重慶大學 重慶 400044；2.深圳市建設科技促進中心 深圳 518031）

為降低深圳市高層住宅集中式太陽能熱水系統的能耗損失及運營成本，以某小區空氣源熱泵輔助太陽能集中熱水系統為例進行能耗分析，進而對系統運行模式進行合理優化。通過實地調研提出目前深圳市集中式太陽能熱水系統使用中存在的問題，分析系統單位熱水能耗的組成，從能量平衡和能量轉化的理論出發確定了熱水用量、熱水設定溫度、系統熱損失、集熱系統集熱效率和熱泵機組熱效率五個主要的影響因素。對深圳市某小區空氣源熱泵輔助加熱太陽能熱水系統進行運行監測，對比了模擬計算的系統能耗和實際能耗，并對系統的運行提出了優化建議。

空氣源熱泵；太陽能熱水系統；能耗分析；系統優化

0 引言

經過對深圳市50個住宅項目太陽能熱水系統使用情況的調研發現，系統正常使用的項目為24個，未投入使用的有26個，使用率為48%；其中高層住宅太陽能熱水系統正常使用的比例僅為8%，詳情見表1。調研結果顯示，影響太陽能熱水系統在高層建筑中使用的原因主要在于入住率低、收費價格高、系統熱穩定性不好、運營管理及服務質量差。

因此降低太陽能熱水系統的能耗，加強系統運營維護直接關系到運營商利潤以及運營收費標準等。研究系統能耗的組成及影響因素，有利于運營商合理控制系統的運行，降低系統能耗。

1 工程介紹

小區位于深圳市福田區，地處廣東省南部沿海的夏熱冬暖地區，年平均氣溫22.3℃，最冷月氣溫（1月）為14.5℃，最低水溫為14℃。年平均太陽能輻射量為5225MJ/㎡，屬太陽能資源一般區，但冬季（1月、2月及12月）太陽能輻射量可高達1014.9MJ/㎡[1]。系統的供水設計溫度為60℃，以恒溫恒壓24小時不間斷供水為設計目標。

表1 深圳市太陽能熱水系統使用情況統計表

1.1 小區太陽能熱水系統簡介

小區共有22棟樓（1棟A、B、C座，2棟～20棟）安裝太陽能熱水系統，每棟樓分別安裝一套太陽能+熱泵集中熱水系統。熱水供給每棟住宅上部18層2214戶共7749人使用（每戶按3.5人計）。每個系統采用集中加熱集中儲水的形式。由6318㎡一體成型平板式集熱器（安裝于屋面花架上）、60臺空氣源熱泵機組、22個預熱水箱，22個恒溫水箱，44臺太陽能循環水泵，44臺供水泵，44臺熱水加壓泵，22臺隔膜式汽壓罐及22套自動控制系統組成。其中預熱水箱和恒溫水箱的容積為18m3；太陽能集熱器朝南布置，傾角為22°；空氣源熱泵的輸入功率為18kW，供熱量為60kW；太陽能循環泵額定流量為12.5m3/h，揚程為20m，額定功率為1.5kW；供水泵和熱水加壓泵的額定流量為11m3/h，揚程為16m，額定功率為1.1kW。

1.2 系統運行控制

圖1 集中儲水系統

圖2 平板型太陽能集熱器

圖3 供水泵

圖4 空氣源熱泵

晴天時，當預熱水箱水位低于30%，控制閥1開啟并對集熱系統進行補水，屋頂太陽能集熱單元對預熱水箱的低溫水進行循環加熱，太陽能循環泵的啟停由溫差進行控制。當恒溫水箱的水位低于60%時，熱水加壓泵將預熱水箱中60℃左右的熱水送入恒溫水箱；當預熱水箱的溫度不在57～60℃時，啟用熱泵對預熱水箱的來水進行加熱并送入恒溫水箱，即熱水加壓泵的啟停采用水位控制法，空氣源熱泵采用定溫控制。當傍晚以后用戶用水高峰期來臨時，恒溫水箱和預熱水箱水位下降，系統重新對集熱系統進行補水，第二天繼續通過集熱系統集熱，如此周而復始[2]。

陰天或雨天時，集熱器提供的熱量達不到系統的水溫要求，熱泵需要長時間的工作使系統的供水溫度達到要求。

圖5 空氣源輔助加熱太陽能熱水系統原理圖

2 能耗影響因素

空氣源熱泵輔助加熱太陽能熱水系統的能耗主要包括空氣源熱泵的耗電量以及太陽能循環泵、供水泵的耗電量。其中空氣源熱泵的耗電量主要與系統熱負荷和集熱系統得熱量有關，系統循環水泵、供水泵耗電量主要與用戶熱水用量有關[3]。

系統的得熱包括集熱系統從太陽能輻射熱轉化而來的集熱系統的有用得熱量和熱泵機組耗費電能轉化而來的制熱量，得到的熱量用來滿足用戶的熱量需求，同時有一部分熱量損失傳遞到環境之中。

2.1 系統熱負荷

(-) （1）

式中：為熱水負荷，kW；為水的密度，kg/m3；為水的定壓比熱容，4.178kJ/kg·℃；為熱水用量，m3；為熱水設定溫度，℃；為冷水溫度，℃。

2.2 集熱系統的得熱量

=HA(1-) （2）

式中：為集熱系統的有用的熱量，kJ；為集熱器的采光面積，m2；為太陽能集熱器采光面上的太陽輻照量，kJ/m2；為集熱器效率；為集熱系統的管網熱損失率。

2.3 熱泵機組的制熱量

=×（3）

式中：為熱泵機組的制熱量，kW；為熱泵機組的耗電量，kW；為熱泵機組的制熱效率。

2.4 水泵耗電量

式中：為熱水用量，m3；為水泵額定流量，m3/h；為水泵額定功率，kW。

從公式（1）、（2）、（3）和公式（4）可以看出，影響空氣源熱泵輔助加熱太陽能熱水系統能耗的主要因素為用戶熱水用量、熱水設定溫度T、集熱系統集熱效率、熱泵機組的熱效率、系統熱損失。

3 運行測試與結果

現對該小區太陽能熱水系統的月熱水用量和太陽能熱泵的月耗電量進行了為期一年的數據統計[4]，進而對該系統進行理論能耗分析[5]，并與實際能耗進行了對比，詳情見表2。

其中輻射量為當年氣象部門統計的月平均輻射量，冷水溫度為當年氣象部門統計的月平均氣溫，熱水計算溫度取系統設計供水溫度60℃，集熱效率為集熱器測試所得平均效率，管網熱損失取平均值0.15，集熱板面積為618m2。熱水月總耗熱量根據公式（1）計算得出，太陽能貢獻熱量根據公式（2）計算得出，熱泵理論耗電量根據公式（3）計算得出，水泵理論耗電根據公式（4）計算得出。

表2 小區太陽能熱水系統能耗分析

圖6 單位用戶月均太陽能熱水使用量統計表

該小區12個月用戶平均每戶使用熱水量和單位熱水輔助加熱耗電量情況如圖6、圖7所示。從圖中可以看出，小區居民使用太陽能熱水高峰期主要集中在12月至次年的3月（熱水用量超過7m3/戶·月，熱水輔助加熱耗電量超過14kWh/m3）。全年平均使用熱水量為6.4m3/戶·月，太陽能熱水輔助加熱平均耗電量為8.4kWh/m3。

月太陽輻射量與月均大氣溫度最高都為7月份，月均太陽輻射量最低為2月份，月均大氣溫度最低為1月份。由圖7可知，單位熱水輔助加熱耗電量最低為9月份，最高位2月份，這是由于深圳地區夏季屬于汛期，七八月份多臺風氣候，在陰雨天需要多次啟動熱泵，相較之下9月份天氣晴好，熱泵開啟次數最少。

圖7 單位熱水輔助加熱耗電量統計表

4 系統優化建議

4.1 調整系統供水溫度

從表2可以看出，5月至10月系統實際耗電量遠遠大于理論耗電量。一方面是由于深圳市從4月到11月處于高溫多雨期，陰雨天氣需要熱泵長期運行來提供熱量，系統耗電量較大；另一方面，系統設置不合理，深圳市夏季氣溫較高，用戶對熱水溫度的要求較低，5月至10月可調整系統的供水溫度為50℃，那么從5月至10月除陰雨天氣外，空氣源熱泵都不需啟動，系統能耗將大大降低。11月至次年4月系統實際耗電量和理論耗電量相差在22%以內，可調整系統的供水溫度至55℃，系統能耗將降低15%～24%。

4.2 減少系統熱損失，提高系統熱轉化效率

夏季較冬季溫度高、輻照量大，集熱系統集熱量大，集熱系統的熱效率也較高，熱泵的熱效率也較高，晴好天氣熱泵基本不需啟動；相反冬季較夏季的熱水需求量較大，但集熱系統集熱量和集熱效率都較低，因此熱泵需提供的熱量較大，冬季熱泵的熱效率又較低，熱泵的耗電量大大高于夏季；冬季系統管網和水箱的熱損失也較夏季大。可加強系統管網和水箱的保溫性能，減少熱量損失；保持熱泵機房良好的通風，保證熱泵機組排出的冷量及時擴散并排出機房，熱泵從環境中獲得相對高品質的空氣熱能，提高熱泵機組的熱效率[6]。

4.3 調整收費模式，降低熱水用量

從圖7可以看出，12月份至來年3月份，單位太陽能熱水輔助加熱耗電量遠高于其他幾個月份，主要是由于冬季環境氣溫較低，太陽能熱泵的能效低，系統熱損失大，且用戶對熱水的需求量和溫度要求都較高。

經過調查發現，該小區采用面積收費法，每月每戶熱水使用量設計標準在8.4m3以內的，按8.4m3計算；超過8.4m3的，超出部分按19元/m3加收熱水加熱費。從表1可以看出，除1月份，每月每戶熱水用量都低于8.4m3，這種收費標準無形中促使用戶多用熱水。應調整收費模式或調低用水上限，控制居民的合理熱水用量，系統能耗也將大大降低[7]。

5 結論

本文介紹了深圳市某高層住宅小區空氣源熱泵輔助加熱太陽能熱水系統的系統組成及運行原理，通過對系統進行為期一年的運行數據監測，進而對系統進行理論能耗分析并與實測能耗進行對比，據此給出系統優化建議。主要結論如下：

（1）深圳可分為夏季（6月-10月）、冬季（12月-次年3月）和過度季（4、5、11月），該系統夏季空氣源熱泵輔助加熱太陽能熱水系統單位熱水能耗為3.29m3/kWh，冬季系統單位熱水能耗為15.65m3/kWh，春秋季系統單位熱水能耗為7.31m3/kWh，隨季節變化幅度較大；深圳市居民熱水用量按照季節變化進行相應變化，冬季用水量最多，夏季用水量最少，但從全年來看變化幅度比較平緩。

（2）該小區太陽能熱水系統若5月至10月調整供水溫度至50℃，則除陰雨天外，不需啟動空氣源熱泵；若11月至次年4月調整供水溫度至55℃，系統能耗將降低15%～24%；通過調整收費模式可降低居民熱水使用量，從而降低系統能耗。

（3）系統能耗除了與系統總的熱負荷以及集熱系統的集熱量有關外，還與集熱系統的集熱效率和熱泵的熱效率有關。在居民用水需求不變的情況下，輻照量越大、溫度越高，系統需要熱泵開啟的時間越少，熱泵的熱效率越高，系統的能耗將越低。

[1] 謝蓉.深圳市太陽能熱水系統的設計[J].中國給水排水,2007,23(18):36-38.

[2] 彭嬌嬌,劉光遠.空氣源熱泵輔助太陽能熱水系統的性能測試與分析[J].能源技術,2010,31(2):100-103.

[3] 鄭瑞澄,陸賓.太陽能供熱采暖工程應用技術手冊[M].北京:中國建筑工業出版社,2012:55-58.

[4] 廉小親,張曉力.太陽能熱水監測系統的數據處理及分析[J].測控技術,2009,28(8):18-20.

[5] 萬晶.建筑太陽能熱水技術的經濟評價研究[D].武漢:武漢理工大學,2012.

[6] 劉雨曦.空氣源熱泵輔助太陽能熱水系統在夏熱冬冷地區的運行模擬和應用研究[D].重慶:重慶大學,2011.

[7] 施龍,劉剛.以空氣源熱泵輔助加熱的太陽能熱水系統[J].可再生能源.2013,31(1):97-101.

Analysis of Energy Consumption and Operation Optimization of Air Source Heat Pump Assisted Solar Energy Hot Water System in Shenzhen

Zhang Xin1Li Lei2Xiao Yimin1

( 1.Chongqing University, Chongqing, 400044;2.Shenzhen Construction Science and Technology Promotion Center, Shenzhen, 518031 )

In order to reduce the energy consumption and operating costs of centralized solar energy hot water system in the high-rise residential in Shenzhen, take the air source heat pump assisted solar energy hot water system of a district as an example for analysis of energy consumption, and then optimize the system operation mode. Put forward the problems existing in the use of the centralized solar energy hot water system through the investigation in Shenzhen, then analyze the composition of the unit energy consumption of hot water, from the energy balance and energy conversion theory to determine the amount of hot water, hot water set temperature, the system heat losses, collection efficiency of solar collector system and thermal efficiency of the heat pump unit are five main factors. Operate and monitor the air source heat pump assisted solar energy hot water system of a district in Shenzhen, Compared the simulated energy consumption with the actual energy consumption and optimized the system.

Air source heat pump; Solar hot water system; Analysis of energy consumption; System optimization

1671-6612（2016）05-590-05

TK512+4

A

張 欣（1990-），女，在讀碩士研究生，E-mail：tjjhzx33@163.com

肖益民（1974-），男，博士，副教授，E-mail：xiaoyimin1974@126.com

2015-05-04