空氣源熱泵+太陽能熱水系統效益分析

馮春紅，鐘文樂，丁 飛

（泰州職業技術學院，江蘇 泰州225300）

采暖空調能耗已成為建筑能耗的最主要部分，而生活熱水能耗也居高不下。在滿足人們對生活熱水需求的同時，如何選擇合適的生活熱水制備方式，節約能源消耗，減少環境污染，合理利用可再生能源，降低運行成本，已經眾人研究的焦點。

1 常用熱水系統特點比較

生活用熱水的發展突飛猛進，技術也日益成熟，除酒店、賓館等商業設施，大量小區住宅、醫院、學校等人員密集場所，生活用熱水都采用中央熱水系統。目前常用熱水系統特點楊胤保已作過詳細調查[1]，筆者主要從技術經濟性、節能環保性這兩個角度進行分析。

2 常用熱水系統技術經濟性分析

我國建筑能耗中80%是供冷供暖和供生活熱水。從科學利用熱能的角度來說，生活熱水溫度一般在40℃～60℃之間，屬較低品位的熱能使用，利用電能、燃油、燃氣等高品位的能源來加熱生活用熱水極不合理。

國家相關文件也對民用建筑節能提出明確要求，在建筑熱水系統設計方面應加強推廣使用太陽能熱水系統。通過對幾種常用系統特點進行分析比較，用太陽能、地熱能、空氣能等低品位的能源可以達到相應效果。

2.1 經濟性分析方法

2.2 計算條件及技術經濟指標計算

（1）在計算時，將利率i統一設定為10%。

（2）各熱水工程方案使用年限n，取最高使用年限，電鍋爐、燃氣、燃油鍋爐、太陽能系統10年，地源熱泵、空氣源熱泵系統15年。

（3）設備的總投資K 估算。系統的總投資主要包括設備的前期費用、安裝費用以及其他費用等。因各系統未詳細進行設計，其投資額不能精確計算。通過上述計算對比，為便于比較近似認為電鍋爐、燃油鍋爐、燃氣鍋爐、太陽能＋電輔系統投資相同，而地源熱泵為其3倍、太陽能+空氣源熱泵系統投資為其2倍。

（4）系統的年運行費用C 計算。系統的運行費用主要包括系統的耗能費用、維護費用以及設備的折舊費等，系統的維護費與總投資有關系，一般取2%，折舊費可以表示為：折舊費=固定資產×（1-預計凈殘值率）/設備壽命，根據實際工程經驗凈殘值率一般為4%[2]。

1）日需熱水量：每天需要熱水M=mqr=975*4*40=156000L=156t，其中m為用水單位數（人），qr為熱水用水設計日用水量（L/人·d，取40L/人·d）。為計算方便按150t進行計算。

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2）自來水溫度為冷水溫度，取5℃。

3）計算天數：冬季扣除寒假30 天、暑假60天，全年按270天（9個月）計算。

4）日耗熱量Q=CM△T=1Kcal/（kg·℃）×（50-5）℃×150*1000kg=6750000Kcal

5）各種能源理論熱值及熱源熱效率見表1。

6）耗能費用：日耗熱量÷能源熱值÷熱效率×計算天數×能源價格。

a.電鍋爐：6750000÷860÷0.9×270×0.58=136.57萬元

b.燃油鍋爐：6750000÷10200÷0.85×270×8.33=175.1萬元

c.燃氣鍋爐：6750000÷8500÷0.9×270×2.5=59.56萬元

d.太陽能+電輔：6750000÷860÷0.9×270×0.4×0.58=54.63萬元（太陽能保證率f=60%。）

e.空氣源熱泵：6750000÷860÷3×270×0.58=40.97萬元。

f.地源熱泵：6750000×270÷860÷3.5×0.58=35.12萬元。

g.太陽能+空氣源熱泵：6750000×270×0.4÷860÷3×0.58=16.39萬元。

2.3 技術經濟性分析

經過上述計算，各熱水工程方案的技術經濟性分析見表2。

各熱水系統的年值費用均可以用系統投資的一次函數進行表示。通過對電鍋爐、燃油鍋爐、燃氣鍋爐三者比較，燃氣鍋爐年值費用最少；當系統投資A 大于70.43 萬元時，燃氣鍋爐、太陽能+電輔相比，太陽能+電輔年值費用少；太陽能+電輔與空氣源熱泵相比，空氣源熱泵年值費用少；當系統投資A 大于13.6 萬元時，地源熱泵與空氣源熱泵相比，空氣源熱泵年值費用少；當系統投資A不大于273.11萬元時，太陽能+空氣源熱泵與空氣源熱泵相比，空氣源熱泵年值費用少。

表1 各種能源理論熱值及熱源熱效率

表2 常用熱水系統的技術經濟指標

此外，地源熱泵、空氣源熱泵、太陽能＋電輔熱水系統在運行費用上有優勢，尤其是太陽能+空氣源熱泵年耗能費用最低、年運行費用最少，該熱水方案經濟性是最好的，但初投資大，可根據實際情況自行建設或采用BOT方式。

3 常用熱水系統節能環保性分析

民用公共建筑內生活熱水通常采用電能、燃油、燃氣等制取熱水，消耗大量的高品位能源，能源消耗日益增長，環境污染日趨嚴重，且隨著能源價格日益上揚，熱水系統的運營成本也日益增加。大量的化石燃料的燃燒釋放大量的CO2，CO2會導致全球氣候變暖。評價一個系統好壞其中最重要的指標就是是否對環境有利，評價方式就是衡量其CO2減排方面的優勢。

3.1 節能環保性分析方法

3.2 各熱水系統工程方案能耗情況

通過上一節技術經濟性分析計算得出各系統年耗能情況，為方便各系統運行能耗的比較和直觀性，將各能源轉換成等價標煤以及等價折標系數，各熱水系統的能耗情況如表3所示。

3.3 節能環保效益分析

從表3得出，太陽能+空氣源熱泵方案的能耗換算成等價標煤為59tce，也是這幾個方案中最小的一個，其他的幾個方案能耗從小到大依次為地源熱泵、空氣源熱泵、燃氣鍋爐、燃油鍋爐、太陽能+電輔、電鍋爐。因此通過對比可以發現太陽能+空氣源熱泵系統具有很好的節能性。

經過前節分析，太陽能、地源熱泵和空氣源熱泵熱水系統在推廣使用、運行費用、節能性上均有優勢?，F重點比較太陽能+空氣源熱泵、地源熱泵、空氣源熱泵、太陽能＋電輔熱水系統的CO2減排量。系統的年節能量是系統全年提供的熱量減去系統全年的能耗。系統日耗熱量Q=CM△T=1Kcal/（kg·℃）×（50-5）℃×150×1000kg=6750000Kcal，系統全年提供的熱量Qy=6750000Kcal/d×270d×4.1858518 KJ/Kcal=7628715MJ，上述各熱水系統工程方案的CO2減排量如表4所示。

由表4 得知太陽能+空氣源熱泵的CO2減排量最多，其節能環保效益最好，對于減少建筑能耗、提高環境質量，促進節能減排具有重要意義。

表3 各熱水系統的能耗情況

表4 各熱水系統工程方案的CO2減排量

4 結語

綜上，太陽能+空氣源熱泵年耗能費用最低、年運行費用最少、CO2減排量最多，該熱水方案技術條件可行、經濟效益明顯、節能環保效益顯著；但畢竟是兩套系統的組合，一次投資高，雖然增加的投資可在系統壽命成本中回收。因此，任何一個太陽能與空氣源熱泵結合的方案都必須按具體情況設計合理，并對水、電、氣價格等因素進行可行性論證后，才能確定。