空氣源熱泵輔助太陽能集中生活熱水系統分析

余 勛 （思邁建筑設計（上海）有限公司，上海 230000）

1 引言

2020 年9 月，習近平總書記在聯合國大會上宣布：“中國力爭于2030 年前二氧化碳排放達到峰值，努力爭取2060年前實現碳中和目標。”當前我國建筑行業運行碳排放約占全國總量的20%，各領域都在探尋快速實現碳達峰并深度減排的有效途徑。集中生活熱水系統作為建筑總能耗中不可忽視的重要組成部分，目前仍較多以燃煤、燃油、燃氣等化石能源作為熱源[1-3]。在雙碳目標下，生活熱水系統尋找清潔高效的替換能源刻不容緩。

太陽能作為一種清潔環保、安全無害的可再生能源，其開發利用能有效緩解碳排放壓力。但在夜晚、連續陰雨或者日照時數較低等氣候條件下，太陽能資源不足，無法連續運轉，空氣源熱泵憑借其高效、安全耐用、安裝靈活等優勢成為太陽能系統的首選輔助熱源。空氣源熱泵輔助太陽能熱水系統既能克服有時太陽能輻照量不足的弊端，又能有效彌補空氣源熱泵在室外氣溫較低時制熱性能下降的不足。目前，空氣源熱泵和太陽能常見的組合形式分為2 種，即空氣源熱泵輔助太陽能制備熱水和空氣源熱泵輔助太陽能制備熱媒。控制系統是整個熱水系統的中樞，有效合理的控制方式是保證整個系統穩定高效運行的關鍵所在[4]。因此，本文分析了空氣源熱泵輔助太陽能制備熱水和熱媒系統的控制邏輯、優缺點及選擇依據，并以上海某新建酒店為研究對象，分析空氣源熱泵輔助太陽能制備熱水系統的能源供比和二氧化碳排放量。

2 空氣源熱泵輔助太陽能制備熱水

空氣源熱泵輔助太陽能制備熱水的系統示意圖如圖1 所示，根據室外氣候條件的不同，本系統可分為4 種運行工況[5]，即太陽能集熱單元單獨運行、空氣源熱泵單獨運行、太陽能集熱單元與空氣源熱泵聯合運行、太陽能集熱單元與空氣源熱泵均不運行。

圖1 空氣源熱泵輔助太陽能制備熱水系統示意圖

根據圖1 可知，本系統運行控制邏輯如下。T1-T2≥5～10℃，太陽能集熱循環泵開啟；T1-T2＜1～3℃，循環泵關閉。T2-T3≥5～10℃，集熱與供熱循環泵開啟。T3＜50℃，空氣源熱泵循環泵開啟；T3≥58℃，循環泵關閉。T4＜53℃且T4-T3≥5℃，生活熱水供應系統循環泵開啟；T4≥53℃，循環泵關閉。

3 空氣源熱泵輔助太陽能制備熱媒

在改造項目中，受原熱水系統形式、機房面積、結構荷載等諸多因素限制，利用空氣源熱泵輔助太陽能系統滿足冷熱水同源的要求時，可利用其制備熱媒，示意圖如圖2所示。

圖2 空氣源熱泵輔助太陽能制備熱媒系統示意圖

根據圖2 可知，本系統運行控制邏輯如下。T1-T2≥5～10℃，太陽能集熱循環泵開啟；T1-T2＜1～3℃，循環泵關閉。T2-T3≥5～10℃，集熱與供熱循環泵開啟。T3＜50℃，空氣源熱泵循環泵開啟；T3≥58℃，循環泵關閉。T4＜53℃且T5-T4≥5℃，生活熱水供應系統循環泵開啟；T4≥53℃，循環泵關閉。T5≤58℃，熱媒循環泵開啟；T5＞58℃，循環泵關閉。

4 系統對比分析

上述2 種組合形式優缺點對比見表1。

表1 空氣源熱泵輔助太陽能熱水系統對比

由表1 可知，制備熱媒的系統熱效率較低，一是受限于熱泵的出水溫度，熱媒溫度較低；二是多一級換熱。鑒于板式換熱器換熱溫差小，故推薦板式換熱器配閉式儲水罐的換熱方式。空氣源熱泵輔助太陽能制備熱水的系統控制簡單，制備熱媒的系統控制相對較復雜，但其靈活度高，冷、熱水箱分設不同處亦可實現冷熱水同源，故適用于改造項目。對于新建項目，建議優先選擇空氣源熱泵輔助太陽能制備熱水的系統，冷、熱水箱同設于屋面保證冷熱同源，充分利用空氣能和太陽能。

5 能源供比分析

此處以上海某新建100 間單人間客房的高端酒店為例，分析空氣源熱泵輔助太陽能制備熱水系統的太陽能、空氣源熱泵和電加熱的能源供應量。該熱水系統平均日耗熱量Qmd按式（1）確定，其值為1.44×106kJ/d。

式中，Qmd——平均日耗熱量，kJ/d；qmr——平均日熱水用水定額，取140L/（床·d）；m——用水計算單位數，取100床；b1——同日使用率，取0.5；C——水的比熱，4.187kJ/(kg·℃)；ρr——熱水密度，0.983kg/L；tr——熱水溫度，60℃；——年平均冷水溫度，10℃。

根據《建筑給水排水設計標準》（GB 50015-2019），空氣源熱泵按上海春分所在月平均溫度12℃選型，所需制熱量85kW。參照空氣源熱泵樣本，對應輸入功率18kW，8℃時低溫制熱衰減15kW。系統晴天由太陽能供熱，多云天氣由太陽能和空氣源熱泵等比例聯合供熱，陰雨雪天氣由空氣源熱泵供熱，高溫低于12℃時考慮熱泵制熱衰減。太陽能、電加熱和空氣源熱泵年均能源供應量分別表示為Q陽、Q電、Q空，表達式見式（2）～式（4），計算結果見圖3。

圖3 空氣源熱泵輔助太陽能制備熱水系統二氧化碳排放量

式中，Qmd——太陽能年均能源供應量，kJ/a；Q電——低溫時電加熱年均能源供應量，kJ/a；Q空——空氣源熱泵年均能源供應量，kJ/a；D晴——2022 年上海全年晴天天數，52d；D云——2022 年上海全年多云天數，229d；D陰雨雪——2022 年上海全年陰雨雪天數，84d；D1——2022年上海全年多云天氣中氣溫低于12℃的天數，45d；D2——2022 年上海全年陰雨雪天氣中氣溫低于12℃的天數，22d；k——多云天氣太陽能和空氣源熱泵供能比例，上海2022 年多云天氣平均云量為50%，k 取50%；ΔP——空氣源熱泵低溫運行的制熱衰減，低溫運行平均溫度為8℃，15kw；T——空氣源熱泵設計工作時間，12h/d。

經計算，結果如圖3所示。

由圖3 可知，本系統年均供熱量為5.26×105MJ/a，太陽能和空氣源熱泵供熱比例相當，均占總供熱量的46%，電加熱占總供熱量的8%，節能效果顯著。

6 二氧化碳排放量分析

此處仍以上海某新建100 間單人間客房的高端酒店為例，分析空氣源熱泵輔助太陽能制備熱水的系統的二氧化碳排放量。二氧化碳排放量表達式為[6]：

式中，QCO2——二氧化碳排放量，kg/a；Q——系統中會引起二氧化碳排放的能源的年平均能耗，MJ/a；W——標準煤的熱值，為29.308MJ/kg；Eff——加熱裝置的效率，電加熱和燃氣鍋爐均按90%計；FCO2——碳排放因子，kg 碳/kg 標準煤，燃氣0.404、電能0.866。

空氣源和太陽能無二氧化碳排放，系統的Q 值計算見式（6），主要包括兩部分，一是氣溫低于12℃時彌補熱泵制熱衰減的輔助電加熱能耗，二是熱泵工作時輸入的電功率能耗。傳統燃氣鍋爐熱水系統年能耗Q 計算見式（7），為用水系統的年平均耗熱量。

式中，P——空氣源熱泵的輸入功率，18kw。

經計算，空氣源熱泵輔助太陽能制備熱水系統的二氧化碳排放量為23884kg/a，傳統燃氣鍋爐熱水系統二氧化碳排放量為29540kg/a，年二氧化碳排放減少5656kg，減碳19.1%，減碳效果顯著。

7 結論

集中生活熱水供應系統中，太陽能與空氣源熱泵常見的組合形式分為兩種，即空氣源熱泵輔助太陽能制備熱水和空氣源熱泵輔助太陽能制備熱媒。其中，制備熱媒的系統靈活度高，多用于改造項目，而新建項目建議優先選用空氣源熱泵輔助太陽能制備熱水。

控制系統是整個熱水系統的中樞，有效合理的控制方式是保證整個系統穩定高效運行的關鍵所在。

研究案例充分利用太陽能和空氣源熱泵，二者供熱比例相當，各占總供熱量的46%，電加熱占總供熱量的8%。

較傳統燃氣鍋爐熱水系統，空氣源熱泵輔助太陽能制備熱水的系統減碳19.1%，減碳效果顯著。