太陽能+燃氣雙驅型熱泵熱水系統在高校的應用

陳樹文

(湖南城建職業技術學院 湖南湘潭 411101)

0 引言

節約能源、優化能源結構是保護環境、構成生態文明的重要一環。調查發現，目前我國校園能耗占社會總能耗的8%[1]，生活熱水耗能占高校能耗的22%[2]。同時，全國大學生生均能耗、水耗分別是全國居民人均能耗的4倍和2倍。據調查夏熱冬冷地區的 13 所高校發現，平均生均能耗為全國人均能耗的2倍左右，其中最高的達4倍之多[2]，可見高校建筑能耗存在較大的節能潛力。本文以某高校生活熱水供應項目為例，探討太陽能和燃氣雙驅型熱泵制取衛生熱水系統在高校的應用，并通過分析對比研究找出節能減排潛力。

1 工作原理介紹

太陽能和燃氣雙驅型熱泵為氨-水吸收式熱泵機組，其中氨為制冷劑、水為吸收劑，通過表面式換熱器從空氣中提取低品位熱能，實現1.8倍的高效制熱功能，是一種高效的節能型能源綜合利用系統，其工作原理見圖1[3]。該機組通過熱能(太陽能或燃氣產生的熱能)驅動水對氨的釋放與吸收，產生氨的相態變化，從而產生吸熱和放熱過程。系統內部包括兩個循環：制冷劑循環及吸收劑循環。

圖1 太陽能+燃氣雙驅型熱泵系統原理圖

吸收劑循環：在發生器中，燃氣或太陽能產生的熱量將氨水溶液中的氨氣蒸發出來，氨水溶液由濃溶液變成高溫的稀溶液；該高溫氨水稀溶液然后被換熱降溫、節流后進入吸收器吸收來自過冷器的氨氣并放出熱量成為氨水濃溶液，然后經過水冷換熱器降溫后，被溶液泵送入精餾塔，被加熱后一部分進入吸收器的高效換熱器進行熱交換，一部分直接進入發生器提餾段。兩部分濃溶液在換熱后都回到發生器，進入下一個吸收劑的循環。

制冷劑循環：在發生器中燃氣或太陽能加熱氨水濃溶液蒸發出高溫高壓的氨氣，該高溫高壓氨氣經精餾器精餾后進入冷凝器冷卻降溫成液氨，再被過冷器中的氨氣過冷，再經膨脹閥節流后進入蒸發器(翅片式換熱器)，吸收空氣中的熱量轉化為氨氣，進入過冷器吸收熱量成為過熱的氨氣，之后在吸收器中被稀溶液吸收，氨水稀溶液變成濃溶液，再進入發生器，開啟下一制冷劑循環。

在該熱泵機組制熱過程中，太陽能或燃氣燃燒在發生器中輸入熱量Q1，而后通過吸收器后水冷換熱器釋放熱量Q3；同時，制冷劑吸收發生器中燃氣產生的熱量后在冷凝器中釋放熱量Q2，并在蒸發器中吸收熱量Q4；由此，整個系統熱量輸入為Q1+Q4，熱量輸出為Q2+Q3，系統能效比COP=(Q2+Q3)/Q1。

2 應用實例介紹

某高校位于湖南省長沙市。由于長沙的年太陽能輻射量處于可以有效利用的地區，且長沙的天然氣供應量滿足要求。根據當地氣候及能源形式特點，選用太陽能+燃氣雙驅動型熱泵對該校制取衛生熱水。

2.1 工程概況

本過程包括1#-8#公寓，住宿總人數15 720人，供應熱水水溫55～60 ℃。根據《建筑給水排水設計規范》GB 50015-2019，宿舍內設有衛生間時，其日平均衛生熱水量用量為40-55L/人，按40L/人計算，則總衛生用水量為628.8 t/d。該項目于2016年10月開始建造，2017年9月正式投入運行。

2.2 系統方案優選

目前采用的生活熱水供應設備主要包括電熱鍋爐、空氣源熱泵熱水器、太陽能熱水器、燃氣鍋爐或燃油鍋爐、燃氣熱泵等。這些設備及系統的主要優缺點如表1所示。

表1 各種類型生活熱水供應設備經濟技術分析一覽表[4-7]

綜上所述,采用太陽能熱水器、空氣源熱泵熱水器與燃氣熱泵，都是較節能環保的制取生活熱水方式。其中由于太陽能熱水器利用免費太陽輻射熱制取生活熱水,節能效益為最佳，燃氣熱泵次之。但考慮長沙地區累計全年的太陽總輻射量[8]為3902.5 MJ/m2，屬于太陽輻射熱較差地區，為確保制熱效果，將太陽能+燃氣相結合,既可充分利用太陽能,又可節約輔助能源,最大限度降低運行成本,節省費用[9]，同時又確保系統生活熱水的可靠供應。

2.3 系統設備配置

由于太陽能集熱器的造價較高，為降低總造價，該系統考慮采用配置部分太陽能+燃氣雙驅型熱泵承擔部分熱水負荷，同時配置部分燃氣熱泵承擔剩余負荷。

該項目1#-8#公寓所需的生活熱水量基本一致，且在每一棟樓都單獨配置生活熱水系統。以2#棟為例說明，該棟的生活熱水量為78.6 t/d，其設備配置的主要設備技術參數如表2所示。

表2 2#棟熱水供應系統設備參數

根據《建筑給水排水設計規范》(GB 50015-2019)，生活熱水溫度按照60℃，長沙冷水溫度按照5℃計算。按照生活熱水量78.6 t/d，每天需要的總制熱量為18 070 140 KJ；按照每天制熱16 h計算，每小時需要的加熱量為314 kW/h。因此，最大熱水產量情況下該系統每天需要開啟4臺雙驅型熱泵及3臺燃氣熱泵同時運行方可。

2.4 系統原理圖

太陽能+燃氣雙驅型熱泵熱水系統的系統原理圖如圖2所示。

圖2 2#棟太陽能+燃氣雙驅型熱泵生活熱水供應系統原理圖

該生活熱水系統運行時，當太陽輻射熱滿足生活熱水制熱需求時，優先運行4臺太陽能+燃氣雙驅型熱泵中的部分或全部機組利用太陽能制取生活熱水，不足部分由3臺燃氣熱泵補充。當太陽能輻射熱不夠時，優先開啟全部4臺太陽能+燃氣雙驅型熱泵利用太陽能制取生活熱水，不足部分由3臺燃氣熱泵補充；如仍然不夠，則將部分或全部4臺太陽能+燃氣雙驅型熱泵改用燃氣驅動制取生活熱水，同時3臺燃氣熱泵仍然保持滿負荷運行。

2.5 經濟性分析

該熱水供應系統按每年運行270 d、每天運行16 h，電價按照0.6元/kW·h,天然氣價格按照2.65元/Nm3計算。

計算公式如下：

熱水系統年運行費用=每天耗能費(耗電量×電價+耗天然氣量×天熱氣價)×年運行天數

熱水系統年總運行費用=[1.6×7×16×0.6+(78.6×4/7×1.905×4+78.6×3/7×3.81)×2.65]×270=(107.5+566.85)×270=182 074元

則2#棟熱水供應系統的總造價與運行費用如表3所示。

表3 2#棟熱水供應系統總造價及運行費用一覽表

如該2#棟采用電熱水器或空氣源熱泵熱水器，按前計算條件，且其能效比為2.8計算，其年運行費用約為如表4所示。

表4 2#棟熱水供應系統采用其他能源時運行費用一覽表

對比發現，采用太陽能+燃氣雙驅型熱泵系統與電熱水器系統相比，每年可以節約運行費用67.48萬元；與空氣源熱泵熱水器系統相比，每年也可節約13.41萬元，節能效益可觀。

2.6 環境效益分析

按前設備配置，2#棟配置集熱器面積為240 m2，按全年運行270 d計算，則其太陽能熱水系統年節能量[10]:

ΔQsaveAcJTηcd(1-ηL)×365=240×10.55×0.65×0.85×270=1390.93MJ×270=3555.11MJ

式中:Ac為太陽能集熱器面積,m2;

JT為太陽能集熱器采光表面太陽輻射量,MJ/m2, 長沙地區為10.55 MJ/(m2·d)[8];

ηcd為太陽能集熱器集熱效率，取65%;

ηL為管路及貯水箱熱損失,常規取值0.15。

按該學校8棟宿舍樓計算，則總年節能量為300 441 MJ。

太陽能熱水系統二氧化碳減排量計算:

=23 167 kg

式中:W為標準煤熱值,29 308 kJ/kg。

由此可見，該高校采用太陽能+燃氣雙驅型熱泵的生活熱水供應系統，每年可以減少23 167 kg標準煤的排放。

2.7 運行效果

該項目自2017年9月開始正式運行以來，系統運行穩定，其各項技術指標與設計值基本吻合，節能效益非常明顯。

3 結論

本文對太陽能+燃氣雙驅型熱泵熱水技術在高校生活熱水的供應在具體項目上的應用進行說明,并進行對比分析,總結得出以下幾點結論:

(1)高校由于學生多，每年需要的生活熱水量是非常大的，所需要的制熱量也大。采用太陽能+雙能源燃氣熱泵與燃氣熱泵的聯合作用方式，與電熱水器相比，其運行費用僅為其22.65%；與空氣源熱泵熱水器相比，其運行費用僅為其59.5%，節能效益非常可觀。

(2)傳統能源燃燒后，會產生二氧化碳等，導致空氣污染。而太陽能作為清潔能源,每平方米太陽能集熱面積每年可減少156kg二氧化碳排放。

可見，使用太陽能+燃氣雙驅型熱泵為高校提供生活熱水是一種有效的節能排放措施，具有一定的借鑒意義。