太陽能熱泵熱水系統(tǒng)輔助熱源熱經(jīng)濟(jì)分析

穆振英，由世俊

(天津大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300072)

太陽能熱泵熱水系統(tǒng)輔助熱源熱經(jīng)濟(jì)分析

穆振英，由世俊

(天津大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300072)

采用內(nèi)燃發(fā)動機(jī)驅(qū)動的熱泵作為太陽能熱泵熱水系統(tǒng)的輔助熱源，從熱力學(xué)和經(jīng)濟(jì)性兩個方面對適合系統(tǒng)輔助熱源使用的燃料進(jìn)行了研究.定義了折算性能系數(shù)的概念，并用其衡量能量利用效率.確定了自變量，并分析了其對折算性能系數(shù)和一次能源利用率的影響，確定了自變量的影響度.研究表明，提高發(fā)動機(jī)和發(fā)電機(jī)效率，并回收利用發(fā)動機(jī)的余熱是提高系統(tǒng)輔助熱源能量利用率的根本措施.引入壽命周期費(fèi)用法研究系統(tǒng)輔助熱源的燃料費(fèi)用，針對辦公樓、住宅和賓館 3種典型建筑分析了燃料熱值和價(jià)格對壽命周期費(fèi)用的影響.綜合考慮一次能源利用率和壽命周期費(fèi)用，在不考慮燃料獲取難度的前提下，得出在現(xiàn)階段的條件下系統(tǒng)輔助熱源應(yīng)優(yōu)先選用沼氣和天然氣作為其燃料的結(jié)論.

太陽能熱泵熱水系統(tǒng)；輔助熱源；熱經(jīng)濟(jì)分析；折算性能系數(shù)；影響度；壽命周期費(fèi)用

太陽能是一種可再生的清潔能源，我國太陽能資源豐富，利用空間大[1].但由于太陽能能量密度低、分散，且輻射強(qiáng)度受各種因素影響(如晝夜、季節(jié)、地點(diǎn)、氣候等)不能維持常量，具有明顯的間歇性.因此，在太陽能利用過程中，往往需要設(shè)置輔助熱源來保證實(shí)際供能效果.太陽能熱泵系統(tǒng)是太陽能和熱泵的有機(jī)結(jié)合，具有較高的綜合能量利用效率[2-4]，此時(shí)的熱泵系統(tǒng)可以理解為廣義的輔助熱源.為了進(jìn)一步增強(qiáng)太陽能熱泵系統(tǒng)的功能，擴(kuò)大其使用范圍，本課題組設(shè)計(jì)了一種太陽能熱泵熱水(solar-assisted heat pump water heating，SAHPWH)系統(tǒng)，通過對管路的合理設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)供熱、供冷和全年供應(yīng)生活熱水.

理論上，太陽能熱泵熱水系統(tǒng)幾乎可以選擇任何一種熱泵作為輔助熱源，但特殊的應(yīng)用場所，如軍事設(shè)施、野外作業(yè)、船舶等電力相對緊張，采用常規(guī)電動熱泵作為系統(tǒng)的輔助熱源不可行或不經(jīng)濟(jì).因此，筆者將目前研究較廣的內(nèi)燃發(fā)動機(jī)驅(qū)動的熱泵系統(tǒng)[5-6]作為其輔助熱源進(jìn)行理論分析，解決上述特殊場所的應(yīng)用問題，下文將內(nèi)燃發(fā)動機(jī)驅(qū)動的熱泵簡稱為系統(tǒng)輔助熱源.

1 SAHPWH系統(tǒng)及其輔助熱源原理

太陽能熱泵熱水系統(tǒng)是對混合式太陽能熱泵系統(tǒng)的改進(jìn)，通過合理切換管路，使系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)冬季供熱、夏季供冷和全年供應(yīng)生活熱水的功能.系統(tǒng)原理如圖1所示.

圖1 太陽能熱泵熱水系統(tǒng)原理Fig.1 Schematic diagram of SAHPWH system

天然氣、汽油、柴油、醇類和醚類等燃料均可以作為系統(tǒng)輔助熱源的燃料，通過內(nèi)燃發(fā)動機(jī)將燃料燃燒釋放的熱能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能，從而驅(qū)動壓縮機(jī)和發(fā)電機(jī)工作，同時(shí)，回收發(fā)動機(jī)缸套和排煙的余熱，其工作原理如圖2所示.

系統(tǒng)輔助熱源具有一次能源利用率高、部分負(fù)荷性能好等優(yōu)勢，又由于可以使用多種燃料，生命力強(qiáng)，特別適合電力緊張的特殊場所.

下文主要針對系統(tǒng)輔助熱源，從熱力性能和經(jīng)濟(jì)性兩個方面對其進(jìn)行詳細(xì)分析，確定在滿足特殊場所應(yīng)用條件的前提下，哪種燃料更具有經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢.

圖2 系統(tǒng)輔助熱源原理示意Fig.2 Schematic diagram of auxiliary heat source

2 系統(tǒng)輔助熱源熱力學(xué)分析

熱力學(xué)第一定律是目前應(yīng)用最廣泛的節(jié)能分析工具，它從能量守恒的角度對系統(tǒng)的節(jié)能情況進(jìn)行分析.太陽能熱泵熱水系統(tǒng)輔助熱源熱力學(xué)分析的目的是研究輔助熱源系統(tǒng)中各個環(huán)節(jié)的能量轉(zhuǎn)化情況及對系統(tǒng)整體性能的作用，通過對系統(tǒng)供熱和制冷工況性能系數(shù)和一次能源利用率的分析，尋找影響系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)化利用的主要因素，分析不同燃料對系統(tǒng)性能的影響，從而為制定提高系統(tǒng)能源利用率的措施指明方向.

2.1 COP和PER的推導(dǎo)

系統(tǒng)輔助熱源的能流示意如圖3所示.

圖3 系統(tǒng)輔助熱源能流示意Fig.3 Diagram of energy flow in auxiliary heat source

圖3中：Qa為燃料燃燒產(chǎn)生的熱量，kW；Wb為內(nèi)燃發(fā)動機(jī)向壓縮機(jī)輸出的功率，kW；Wh為內(nèi)燃發(fā)動機(jī)向發(fā)電機(jī)輸出的功率，kW；Qy為發(fā)動機(jī)排出的余熱量，kW；Qe為蒸發(fā)器從低溫?zé)嵩粗形盏臒崃?，kW；Qc為冷凝器向高溫?zé)嵩捶懦龅臒崃?，kW；Qw為從發(fā)動機(jī)排熱中回收的熱量，kW；Ql1為發(fā)動機(jī)最終排掉的熱量，kW；Eh為發(fā)電機(jī)的發(fā)電量，kW；Ql2為發(fā)電機(jī)的熱量損失，kW.

根據(jù)熱力學(xué)第一定律，列出系統(tǒng)的能量平衡方程及各物理量表達(dá)式，即

式中：ηa為發(fā)動機(jī)效率；Nb為壓縮機(jī)輸入功，kW；ηb為發(fā)動機(jī)與壓縮機(jī)的傳動效率；ηh為發(fā)電機(jī)效率；β為余熱回收率.

2.2 供熱運(yùn)行工況

為了準(zhǔn)確衡量余熱回收利用的節(jié)能情況，定義了折算性能系數(shù)的概念.折算性能系數(shù)在數(shù)值上等于熱泵的制熱量(或制冷量)加上回收的余熱量再比上發(fā)動機(jī)向壓縮機(jī)輸出的功.

采用制熱系數(shù)、折算制熱系數(shù)和一次能源利用率來衡量系統(tǒng)輔助熱源在制熱運(yùn)行工況下的能量利用情況，3者分別定義為

式中：COPh為制熱系數(shù)；COPhz為折算制熱系數(shù)；PERh為供熱運(yùn)行工況的一次能源利用率.

2.3 制冷運(yùn)行工況

系統(tǒng)輔助熱源制冷運(yùn)行時(shí)，發(fā)動機(jī)產(chǎn)生的余熱可回收用來加熱生活熱水等，因此，在計(jì)算一次能源利用率時(shí)余熱量也計(jì)算在內(nèi).

制冷系數(shù)、折算制冷系數(shù)和制冷工況的一次能源利用率分別表示為

式中：COPr為制冷系數(shù)；COPrz為折算制冷系數(shù)；PERr為制冷運(yùn)行工況的一次能源利用率.

參照供熱工況的推導(dǎo)過程，COPr、COPrz和 PERr的推導(dǎo)結(jié)果(此處略去推導(dǎo)過程)為

3 COP和PER的影響分析

為了分析方便，做以下2點(diǎn)假設(shè)：

(1)假設(shè)系統(tǒng)輔助熱源的蒸發(fā)吸熱量 Qe和冷凝放熱量 Qc不隨燃料形式的改變而變化，均保持為設(shè)計(jì)值；

(2)假設(shè)壓縮機(jī)輸入功 Nb和發(fā)電機(jī)的發(fā)電量 Eh不隨燃料形式的改變而變化，保持為設(shè)計(jì)值.

對于 COPh和 COPr，在設(shè)計(jì)條件一定的情況下，因?yàn)樽宰兞恐挥袀鲃有?ηb，所以，二者都是 ηb的單調(diào)增函數(shù)，因此，為了提高 COPh和 COPr，只需提高ηb即可，即在設(shè)計(jì)系統(tǒng)輔助熱源時(shí)，應(yīng)該盡量選擇傳動效率ηb高的傳動方式.

對于 COPhz、COPrz和 PERh、PERr，因?yàn)樗鼈兊淖宰兞堪òl(fā)動機(jī)效率 ηa、傳動效率 ηb、發(fā)電機(jī)效率 ηh和余熱回收率β，因此需要詳細(xì)分析.

3.1 選定自變量對COPz和PER的影響

以供熱工況為例，COPhz對各自變量求一階偏導(dǎo)數(shù)，并判斷各偏導(dǎo)數(shù)的正負(fù)，從而確定自變量對性能系數(shù)的影響作用.

同樣，以供熱工況為例，參照COPhz的計(jì)算過程，對PERh進(jìn)行分析.

所以，在各自變量的定義域內(nèi) COPhz(ηa)、COPhz(ηh)為單調(diào)減函數(shù)，而 COPhz(ηb)和 COPhz(β)則分別與 ηb和 β成正比例關(guān)系.在各自變量的定義域內(nèi) PERh(ηb)和 PERh(ηh)為單調(diào)增函數(shù)，PERh(ηa)和PERh(β)分別與ηa和β成正比例關(guān)系.

由以上分析得出，ηa和 ηh越小，COPhz反而越高，這主要是由于在計(jì)算 COPhz時(shí)考慮了回收的發(fā)動機(jī)余熱的緣故.但是，不能由此得出 ηa和 ηh越小越好的結(jié)論，因?yàn)?，從一次能源利用率的角度整體考慮，二者減小，將導(dǎo)致 PERh降低，因此，還是應(yīng)該提高 ηa和ηh，從而提高系統(tǒng)的整體能量利用水平.ηb和 β的提高對COPhz和PERh均有積極作用.

3.2 自變量影響度分析

影響度用來衡量自變量對因變量的影響能力，即因變量隨自變量的變化程度.前述分析表明，提高ηa、ηh、ηb和 β 均可以提高系統(tǒng)的一次能源利用率，但它們的影響度是不一樣的.因此，有必要分析 4個自變量對折算性能系數(shù)和一次能源利用率的影響度，從而確定各自變量的影響度順序，為提高系統(tǒng)輔助熱源性能提供指導(dǎo).

由一階偏導(dǎo)數(shù)的物理意義可知，其數(shù)值表示函數(shù)在某點(diǎn)的斜率，數(shù)值越大表示因變量隨自變量的變化速度越快，即自變量對因變量的影響度越大.

對式(21)～式(24)和式(25)～式(28)進(jìn)行比較分析，得

所以，提高發(fā)動機(jī)效率對提高 COPhz的作用最大，而提高發(fā)電機(jī)效率則影響最小.對于一次能源利用率，仍然是發(fā)動機(jī)效率對其的影響最大，其次是發(fā)電機(jī)效率和余熱回收率，而最小的則是傳動效率.因此，提高系統(tǒng)輔助熱源能量利用率的根本措施是提高發(fā)動機(jī)效率和發(fā)電機(jī)效率，并盡可能回收發(fā)動機(jī)的余熱.

制冷工況的分析方法與此相同，變化規(guī)律與此相似，此處不再贅述.

4 經(jīng)濟(jì)性分析

引入壽命周期費(fèi)用法計(jì)算系統(tǒng)輔助熱源全壽命周期的燃料費(fèi)用，分析燃料熱值和價(jià)格對壽命周期費(fèi)用的影響，從壽命周期費(fèi)用的角度為選擇系統(tǒng)燃料提供幫助.

4.1 系統(tǒng)年燃料費(fèi)用

4.1.1 燃料耗量及單位時(shí)間燃料費(fèi)用

燃料耗量表達(dá)式為

式中：G 為燃料耗量，kg/s或 m3/s；Qd為燃料熱值，kJ/kg或kJ/m3；M為單位時(shí)間燃料費(fèi)用，元/s；Cm為燃料單價(jià)，元/kg或元/m3.

4.1.2 供熱工況年燃料費(fèi)用

供熱工況年燃料費(fèi)用計(jì)算式為

式中：Mha為供熱工況年燃料費(fèi)用，元/a；τeh為冬季當(dāng)量滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)間，h；mha為供熱工況單位能量年燃料費(fèi)用，元/(a·kW)；mhaz為供熱工況折算單位能量年燃料費(fèi)用，元/(a·kW).

4.1.3 制冷工況年燃料費(fèi)用

同理，制冷工況的年燃料費(fèi)用為

式中：mra為制冷工況單位能量年燃料費(fèi)用，元/(a·kW)；τer為夏季當(dāng)量滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)間，h；mraz為制冷工況折算單位能量年燃料費(fèi)用，元/(a·kW).

4.1.4 全年單位能量年燃料費(fèi)用

全年單位能量年燃料費(fèi)用包括供熱和制冷 2種工況

式中：ma為單位能量年燃料費(fèi)用，元/(a·kW)；maz為折算單位能量年燃料費(fèi)用，元/(a·kW).

4.2 壽命周期費(fèi)用

4.2.1 壽命周期費(fèi)用的內(nèi)容和實(shí)際意義

壽命周期費(fèi)用(life-cycle cost，LCC)是指設(shè)備或系統(tǒng)從研究、設(shè)計(jì)、發(fā)展、生產(chǎn)(施工)、運(yùn)行一直到最終報(bào)廢的整個期間內(nèi)所需要的各種費(fèi)用的總和.

LCC主要包括以下3部分費(fèi)用[7].

(1)研究與設(shè)計(jì)費(fèi)用 該項(xiàng)費(fèi)用包括全部的技術(shù)研究、工程或產(chǎn)品設(shè)計(jì)等費(fèi)用，一般占LCC的10%～15%.

(2)生產(chǎn)與建設(shè)費(fèi)用 該項(xiàng)費(fèi)用包括制造產(chǎn)品及工程建設(shè)的全部費(fèi)用，約占LCC的30%～35%.

(3)運(yùn)行與保障費(fèi)用 包括設(shè)備或系統(tǒng)運(yùn)行所需的能源費(fèi)用、維護(hù)修理費(fèi)用、操作人員人工費(fèi)等.運(yùn)行與保障費(fèi)用通常明顯高于前兩項(xiàng)費(fèi)用，一般占LCC的50%～60%.并且隨著設(shè)備日漸老化及能源價(jià)格日漸上漲，每年還會以3%～5%的速度增加.

4.2.2 系統(tǒng)輔助熱源壽命周期費(fèi)用

由于資金具有時(shí)間價(jià)值，為了科學(xué)、準(zhǔn)確地進(jìn)行壽命周期費(fèi)用分析，需用資金的現(xiàn)值來衡量資金的價(jià)值.由于不討論設(shè)備的初投資，因此壽命周期費(fèi)用特指年燃料費(fèi)用.將壽命周期中不同年份發(fā)生的等額現(xiàn)金流統(tǒng)一折算成現(xiàn)值即可計(jì)算出系統(tǒng)輔助熱源的壽命周期費(fèi)用.系統(tǒng)輔助熱源使用壽命長(一般可按20年計(jì))，因此，需要考慮利率和通貨膨脹率對資金的影響.

式中：i為不變折現(xiàn)率；u為利率，取 7%；f為通貨膨脹率，取5%；man為第n年的單位能量年燃料費(fèi)用；n 為系統(tǒng)輔助熱源的運(yùn)行年限，n＝1，2，3，··，20；LCCa為系統(tǒng)輔助熱源的單位能量壽命周期費(fèi)用，元/kW.

同理，折算單位能量年燃料費(fèi)用計(jì)算式為

式中：LCCaz為系統(tǒng)輔助熱源折算單位能量壽命周期費(fèi)用，元/kW.

4.3 系統(tǒng)輔助熱源壽命周期費(fèi)用分析

不同燃料的熱值存在差別，不同生產(chǎn)工藝、地區(qū)和不同時(shí)期，燃料的價(jià)格也會不同，這也是影響燃料選擇的重要因素.選擇辦公樓、住宅和賓館 3種典型建筑作為研究對象，分析各種燃料熱值和價(jià)格對壽命周期費(fèi)用的影響，盡管這3種典型建筑特點(diǎn)與前文提到的特殊場所有區(qū)別，但不影響說明問題.

在計(jì)算中，取壓縮機(jī)輸入功率 Nb＝14.12,kW，制冷量 Qe＝40,kW，制熱量 Qc＝50,kW，發(fā)電量 Eh＝5,kW，ηa＝0.35，ηb＝0.90，ηh＝0.50，通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算的余熱回收率 β＝0.60，當(dāng)量滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)間 τe的取值見表1[8].

表1 當(dāng)量滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)間τe值Tab.1 Value of equivalent full load operating time τe

從燃料熱值和價(jià)格 2個方面對壽命周期費(fèi)用進(jìn)行分析，結(jié)果如圖4～圖9所示.

圖4 辦公樓壽命周期費(fèi)用變化Fig.4 Changes in LCC of office building

由圖4～圖 9可知，系統(tǒng)輔助熱源的壽命周期費(fèi)用和折算壽命周期費(fèi)用同燃料熱值和價(jià)格具有相似的變化趨勢，均隨燃料熱值的增大而減少，隨燃料價(jià)格的增加而增加，而且不同類型建筑的壽命周期費(fèi)用不同，隨著當(dāng)量滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)間的延長，壽命周期費(fèi)用也會增加.同樣，可以看出，折算壽命周期費(fèi)用比壽命周期費(fèi)用低，這是因?yàn)榘l(fā)動機(jī)的余熱回收利用提高了燃料的利用效率，也就降低了單位能量的燃料費(fèi)用.還可以看出，燃料熱值越高壽命周期費(fèi)用隨價(jià)格的波動越小，這是因?yàn)樵谙到y(tǒng)輔助熱源需要消耗的燃料總熱量一定的情況下，當(dāng)燃料熱值升高，需要消耗的燃料量就相應(yīng)減少，因此，燃料的單價(jià)對壽命周期費(fèi)用的影響就相應(yīng)減小.

圖6 賓館壽命周期費(fèi)用變化Fig.6 Changes in LCC of hotel building

圖7 辦公樓折算壽命周期費(fèi)用變化Fig.7 Changes in LCC conversion of office building

圖8 住宅折算壽命周期費(fèi)用變化Fig.8 Changes in LCC conversion of residential building

圖9 賓館折算壽命周期費(fèi)用變化Fig.9 Changes in LCC conversion of hotel building

5 典型清潔替代燃料熱經(jīng)濟(jì)分析

5.1 典型清潔替代燃料的熱力學(xué)計(jì)算結(jié)果

在特殊場所，往往對燃料沒有選擇的余地，如果這樣考慮的話就失去了計(jì)算的意義，因此，在計(jì)算時(shí)假設(shè)可以獲取所需燃料，而且，將計(jì)算的重點(diǎn)放在典型清潔替代燃料上.天然氣、液化石油氣、沼氣、甲醇、乙醇和二甲醚是6種典型的發(fā)動機(jī)用清潔替代燃料，它們的排放污染性均小于汽油或柴油，可以作為汽油或柴油的替代物，具有廣闊的應(yīng)用空間.系統(tǒng)輔助熱源的動力源是發(fā)動機(jī)，理論上可以燃燒適合于發(fā)動機(jī)的任意燃料，針對上述6種典型替代燃料進(jìn)行系統(tǒng)輔助熱源的能量利用計(jì)算.計(jì)算時(shí)取值： ηb＝0.90，ηh＝0.50，β＝0.60，不同燃料發(fā)動機(jī)的效率值取自參考文獻(xiàn)[9-14].

供熱工況和制冷工況時(shí)系統(tǒng)輔助熱源燃燒不同燃料的性能系數(shù)和一次能源利用率的計(jì)算結(jié)果見表2和表3.

表2 供熱工況的性能系數(shù)和一次能源利用率Tab.2 Performance coefficient and PER in heating conditions

表2和表3均是在額定轉(zhuǎn)速下計(jì)算得到的結(jié)果，相對應(yīng)的是系統(tǒng)輔助熱源的最低一次能源利用率工況.由表2和表3可知，針對計(jì)算的這6種典型清潔替代燃料，供熱工況的一次能源利用率均在 1以上；制冷工況最低為 0.951，基本接近于 1，由此可見，系統(tǒng)輔助熱源具有較高的綜合能量利用效率.從制熱系數(shù)和制冷系數(shù)來看，也均處于較高水平.由于考慮了對發(fā)動機(jī)余熱的有效回收利用，折算性能系數(shù)計(jì)算結(jié)果非常理想，這也再一次說明了余熱回收利用對系統(tǒng)輔助熱源的重要意義.單從一次能源利用率的角度考慮，上述6種典型清潔替代燃料應(yīng)用在系統(tǒng)輔助熱源上的優(yōu)先次序是：天然氣、二甲醚、沼氣、甲醇、乙醇和液化石油氣.

5.2 典型清潔替代燃料壽命周期費(fèi)用

6種典型清潔替代燃料的熱值和價(jià)格計(jì)算值見表4，壽命周期費(fèi)用計(jì)算結(jié)果見表5.

表4 典型燃料的熱值和價(jià)格Tab.4 Calorific value and price of typical fuel

表5 典型燃料的壽命周期費(fèi)用Tab.5 LCC of typical fuel

由表4和表5可知，針對計(jì)算的6種典型清潔替代燃料，在當(dāng)前的燃料價(jià)格下，壽命周期費(fèi)用和折算壽命周期費(fèi)用由小到大的燃料依次為沼氣、天然氣、二甲醚、液化石油氣、甲醇和乙醇.這 6種典型清潔替代燃料中有一次能源也有可再生能源，在計(jì)算中暫不考慮加工技術(shù)等因素的制約.因此，綜合考慮一次能源利用率、壽命周期費(fèi)用和是否可再生等因素，推薦系統(tǒng)輔助熱源優(yōu)先選用沼氣和天然氣作為其燃料.

6 結(jié) 論

(1) 太陽能熱泵熱水系統(tǒng)的輔助熱源選擇范圍寬，內(nèi)燃發(fā)動機(jī)驅(qū)動的熱泵可以作為該系統(tǒng)的輔助熱源，而且應(yīng)用在特殊場所有明顯優(yōu)勢.

(2) 熱力學(xué)分析和經(jīng)濟(jì)性分析表明，在不考慮制冷系統(tǒng)本身性能變化的情況下，提高發(fā)動機(jī)效率和發(fā)電機(jī)效率，并盡可能回收發(fā)動機(jī)的余熱是提高系統(tǒng)輔助熱源能量利用率的根本措施.

(3) 壽命周期費(fèi)用法可以用來計(jì)算系統(tǒng)輔助熱源的全壽命周期燃料費(fèi)用.系統(tǒng)輔助熱源的壽命周期費(fèi)用和折算壽命周期費(fèi)用均隨燃料熱值的增大而減少，隨燃料價(jià)格的增加而增加，且隨著當(dāng)量滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)間的延長而增加.

(4) 在系統(tǒng)輔助熱源需要消耗的燃料總熱量一定的情況下，燃料熱值升高，需要消耗的燃料量就相應(yīng)減少，表現(xiàn)為燃料熱值越高壽命周期費(fèi)用隨價(jià)格的波動越小.

(5) 綜合考慮一次能源利用率、壽命周期費(fèi)用和是否可再生等因素，在不考慮燃料獲取難度的前提下，推薦系統(tǒng)輔助熱源優(yōu)先選用沼氣和天然氣作為其燃料.

［1］何梓年. 太陽能熱利用[M]. 合肥：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社，2009.

He Zinian.Solar Thermal Utilization[M]. Hefei：University of Science and Technology of China Press，2009(in Chinese).

［2］Huang B J，Chyng J P. Performance characteristic of integral type solar-assisted heat pump[J].Solar Energy，2001，71(6)：403-414.

［3］Cervantes J G，Torres-Reyes E. Experiments on a solarassisted heat pump and an exergy analysis of the system[J].Applied Thermal Engineering， 2002， 22(12)：1289-1297.

［4］董玉平，由世俊，汪洪軍，等. 太陽能-地源熱泵綜合系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)分析[J]. 煤氣與熱力，2003，23(12)：734-737，740.

Dong Yuping，You Shijun，Wang Hongjun，et al. Economic analysis on solar-ground source heat pump comprehensive system[J].Gas and Heat，2003，23(12)：734-737，740(in Chinese).

［5］Yokoyama T. Design considerations for gas-engine heat pump[J].ASHRAE Transactions， 1992， 98(1)：975-981.

［6］Talbert S G，Atterbury W G，Klausing T A，et al. Relevance of existing heat pump testing and rating method assumptions to residential gas engine heat pumps[J].ASHRAE Transactions， 1998， 104(1B)：1449-1462.

［7］阮 鐮，章國棟. 工程系統(tǒng)的規(guī)劃與設(shè)計(jì)[M]. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1991.

Ruan Lian，Zhang Guodong.Planning and Design of Engineering Systems[M]. Beijing：Beijing University of Aeronautics and Astronautics Press，1991(in Chinese).

［8］陸耀慶. 實(shí)用供熱空調(diào)設(shè)計(jì)手冊[M]. 2版.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2008.

Lu Yaoqing.Practical Design Manual of Heating and Air Conditioning[M]. 2nd ed. Beijing：China Architecture and Building Press，2008(in Chinese).

［9］馬凡華，王 宇，劉海全，等. 稀燃天然氣摻氫發(fā)動機(jī)的熱效率與排放特性[J]. 內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)，2008，26(1)：43-49.

Ma Fanhua，Wang Yu，Liu Haiquan，et al. Thermal efficiency and emission characteristics of a lean burn HCNG engine[J].Transactions of CSICE，2008，26(1)：43-49(in Chinese).

［10］郭曉寧，張武高，朱 磊，等. 低比例 DME/LPG 混合燃料對點(diǎn)燃式發(fā)動機(jī)性能和排放的影響[J]. 上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，42(1)：101-105.

Guo Xiaoning，Zhang Wugao，Zhu Lei，et al. The impact of DME/LPG blend fuel on spark-ignition engine performance and emissions[J].Journal of Shanghai Jiaotong University，2008，42(1)：101-105(in Chinese).

［11］熊樹生，楚書華，楊振中. 活塞式內(nèi)燃機(jī)燃用沼氣的研究[J]. 太陽能學(xué)報(bào)，2003，24(5)：688-692.

Xiong Shusheng，Chu Shuhua，Yang Zhenzhong. Study on internal combustion engine running by biogas[J].Acta Energiae Solaris Sinic，2003，24(5)：688-692(in Chinese).

［12］蔣寧濤. 電噴甲醇火花點(diǎn)火式發(fā)動機(jī)的改進(jìn)與性能研究[D]. 天津：天津大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，2005.

Jiang Ningtao. Research on the Improvement and Performance of the Spark Ignition Methanol Engine with Electronic-Controlled Injection[D]. Tianjin：School of Mechanical Engineering，Tianjin University，2005(in Chinese).

［13］黃付強(qiáng). 乙醇-汽油靈活比例電控發(fā)動機(jī)性能研究[D].杭州：浙江大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院，2005.

Hang Fuqiang. The Research on Performance of an EFI Engine Using Ethanol Blended Gasoline Fuels[D].Hangzhou：College of Mechanical and Energy Engineering，Zhejiang University，2005(in Chinese).

［14］黃 震，喬信起，張武高，等. 二甲醚發(fā)動機(jī)與汽車研究[J]. 內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)，2008，26(增刊)：115-125.

Huang Zhen，Qiao Xinqi，Zhang Wugao，et al. Research and development of a DME engine and vehicle[J].Transactions of CSICE，2008，26(Suppl)：115-125(in Chinese).

Thermal Economic Analysis of Auxiliary Heat Source of Solar-Assisted Heat Pump Water Heating System

MU Zhen-ying，YOU Shi-jun
(School of Environmental Science and Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China)

An internal combustion engine-driven heat pump (ICEDHP) system is used as the auxiliary heat sourceof the solar-assisted heat pump water heating (SAHPWH) system. From both the thermodynamic and economic aspects，the suitable fuels for usage in the auxiliary heat source are studied. The concept of performance conversion coefficient is defined，which can be used to measure energy utilization efficiency. The effects of variables on performance conversion coefficient and PER were analyzed，and the impact degree of variable was identified. The result indicates that improving the efficiency of engine and generator and waste heat recycling of the engine is the fundamental measure to improve the energy utilization efficiency of the auxiliary heat source. The life-cycle cost(LCC)method was used to study the fuels cost of the auxiliary heat source. In connection with three typical constructions，as office，residence and hotel，the effects of fuel calorific value and price on LCC were analyzed. Considering primary energy ratio (PER) and LCC，the conclusion was drawn that marsh gas，natural gas and dimethyl ether have priority in using for the auxiliary heat source.

solar-assisted heat pump water heating system；auxiliary heat source；thermal economic analysis；performance conversion coefficient；impact degree；life-cycle cost

TU831.3

A

0493-2137(2010)11-0995-08

2009-09-21；

2010-05-24.

“十一五”國家科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目（2006BAJ04A15）.

穆振英（1978— ），女，博士研究生，mzy0609@163.com.

由世俊，sjyou@tju.edu.cn.