夏熱冬冷地區(qū)學(xué)生公寓熱泵熱水系統(tǒng)的應(yīng)用分析

王燦 吳慧華

南京理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院

0 引言

目前，我國建筑用能已占社會(huì)能耗總量的1/3，且仍在繼續(xù)增長，節(jié)能減排也已成為社會(huì)熱點(diǎn)。生活熱水節(jié)能作為建筑節(jié)能的一個(gè)重要領(lǐng)域，若能采用可再生能源加熱生活用水，將具有非?？捎^的節(jié)能減排效果。我國高校分布狀況以夏熱冬冷地區(qū)為最多，據(jù)統(tǒng)計(jì)，僅南京市高校學(xué)生總數(shù)就達(dá)80萬人，而高校熱水供應(yīng)系統(tǒng)大多在用燃?xì)忮仩t或電鍋爐，熱水能耗極大且存在環(huán)境污染。近年來，空氣源熱泵和熱源塔熱泵技術(shù)得到快速發(fā)展，通過利用少量電能，將空氣中的低品位熱能轉(zhuǎn)化為高品位能量，可用于加熱生活熱水。若高校建立以公寓樓為單位的獨(dú)立式熱泵熱水系統(tǒng)，不僅可以提高學(xué)生學(xué)習(xí)生活品質(zhì)，同時(shí)起到節(jié)能環(huán)保作用。

1 熱泵熱水系統(tǒng)介紹

熱泵熱水機(jī)組按照加熱方式可分為循環(huán)式和直熱式。循環(huán)式熱泵是指被加熱的水反復(fù)多次經(jīng)過機(jī)組循環(huán)才能被加熱到設(shè)定的溫度，每循環(huán)一次，水溫上升5～10℃。直熱式是指進(jìn)入機(jī)組的冷水一次就被加熱到設(shè)定的目標(biāo)溫度。根據(jù)目前已有的工程實(shí)踐，對(duì)于公寓類建筑，應(yīng)優(yōu)先選擇直熱式熱泵熱水系統(tǒng)[1]，見圖1。來自市政管網(wǎng)的冷水經(jīng)冷水泵加壓后進(jìn)入機(jī)組，直接加熱至目標(biāo)溫度（55℃）時(shí)送入保溫水箱。當(dāng)保溫水箱內(nèi)水位達(dá)到設(shè)定值后，機(jī)組和冷水泵停止運(yùn)行。當(dāng)保溫水箱內(nèi)水溫和水位均高于設(shè)定下限值時(shí)，開啟熱水增壓泵供應(yīng)熱水，同時(shí)管網(wǎng)內(nèi)熱水回到保溫水箱。當(dāng)水箱內(nèi)水溫低于設(shè)定溫度下限值時(shí)，開啟熱水循環(huán)泵和機(jī)組進(jìn)行循環(huán)加熱，直至水溫達(dá)到55℃為止。

圖1 直熱式熱泵熱水系統(tǒng)圖

2 可行性分析

空氣源熱泵熱水機(jī)組的能效比（COP）是評(píng)價(jià)機(jī)組節(jié)能效果的性能指標(biāo)，但名義工況下的COP與實(shí)際運(yùn)行工況差異較大，并不能充分反映機(jī)組性能狀況，而且機(jī)組全年都在制熱工況下運(yùn)行，室外環(huán)境溫度，初始加熱水溫和目標(biāo)水溫對(duì)其影響極大。因此為更加合理評(píng)價(jià)空氣源熱泵熱水機(jī)組全年運(yùn)行的性能指標(biāo)，G.L.Morrison等[2]人通過結(jié)合計(jì)算擬合出熱泵熱水機(jī)組季節(jié)性COP的經(jīng)驗(yàn)公式：

式中：ai，Tt，Ta，Tw和 Td分別為季節(jié)性修正系數(shù)，水溫，環(huán)境溫度，濕球溫度和露點(diǎn)溫度，其中水溫Tt為初始冷水溫度與目標(biāo)溫度的平均值。

吳靜怡等[3]驗(yàn)證結(jié)果表明式（1）計(jì)算出的COP具有通用性，可準(zhǔn)確反映空氣源熱泵熱水機(jī)組實(shí)際運(yùn)行的綜合性能。對(duì)于南京地區(qū)，依據(jù)典型氣象數(shù)據(jù)[4]，由式（1）計(jì)算出的空氣源熱泵熱水機(jī)組的逐月COP曲線，如圖2所示，這與南京某高校機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行COP值吻合度極高[5]，故認(rèn)為機(jī)組年平均COP在3.4左右。

南京屬于夏熱冬冷地區(qū)，雖然適合使用空氣源熱泵熱水系統(tǒng)，但由于冬季低溫高濕，機(jī)組極易結(jié)霜甚至難以正常運(yùn)行，且整個(gè)冬季的平均溫度都低于10℃，因此按規(guī)范宜設(shè)置輔助熱源。空氣源熱泵熱水機(jī)組可以先將水的溫度加熱到相對(duì)較高的中間溫度（40℃左右），起到溫度品味提升的作用，然后借助電加熱等輔助方式將水溫加熱到55℃。輔助熱源的引入雖然會(huì)增加熱水系統(tǒng)一定的初投資，但可以有效解決熱泵機(jī)組冬季各類故障，減少除霜能耗，延長機(jī)組使用壽命。

熱源塔熱泵技術(shù)是近年來依據(jù)夏熱冬冷地區(qū)氣候特點(diǎn)，尤其是冬季低溫高濕而新興并快速發(fā)展應(yīng)用的一種節(jié)能技術(shù)，通過利用水或防凍溶液與熱空氣進(jìn)行熱質(zhì)交換，從而提取空氣中的熱能，它既是水源熱泵的衍生品，也是空氣源熱泵的一種先進(jìn)形式。根據(jù)目前應(yīng)用反饋情況[6,7]，熱源塔熱泵機(jī)組的年平均COP在4.0左右?？傊臒岫涞貐^(qū)學(xué)生公寓可以采用電輔助空氣源熱泵或熱源塔熱泵熱水系統(tǒng)供應(yīng)生活熱水。

3 效益分析

3.1 工程案例及基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

該案例為南京某高校一幢12層學(xué)生公寓，均為4人標(biāo)準(zhǔn)間，共有學(xué)生1200人。依據(jù)規(guī)范[8]，每人每天熱水用量為50 L，則日總用水量為60 t，冷水進(jìn)水平均溫度取值10℃，熱水出水溫度為55℃。考慮學(xué)生假期，全年供水時(shí)間取為290天，冬季電輔助加熱時(shí)間為60天?？諝庠礋岜脵C(jī)組制取熱水年平均COP取值3.3，電輔加熱器熱效率取值0.95，熱源塔熱泵機(jī)組年平均COP取值4.0，用電熱值為3.6 MJ/kWh?；A(chǔ)數(shù)據(jù)取值均為保守值，以確保效益計(jì)算分析準(zhǔn)確。

3.2 經(jīng)濟(jì)運(yùn)行效益分析

依據(jù)上述數(shù)據(jù)，可得該公寓年總耗熱量：4.2×60×(55-10)×290=3288600MJ

熱源塔熱泵機(jī)組年耗電費(fèi)：3288600 MJ÷(4.0×3.6)×0.55=12.56萬元

空氣源熱泵機(jī)組年耗電費(fèi)：3288600 MJ÷(3.3×3.6)×0.55=15.22萬元

冬季電輔耗電費(fèi)用：4.2×60×(55-35)×60÷(3.6×0.95)×0.55=4.87 萬元

則空氣源熱泵系統(tǒng)年總耗電費(fèi)用為20.09萬元。此處空氣源熱泵年耗熱量的計(jì)算略大，主要是彌補(bǔ)冬季進(jìn)水溫度低及除霜所需的能耗。

目前高校生活熱水供應(yīng)系統(tǒng)多為電鍋爐（電熱水器）和燃?xì)忮仩t，故將二者與熱泵系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比，依據(jù)燃料耗量公式（燃料年需求量=年總熱量÷燃料熱值÷熱效率）以及燃料單價(jià)求出不同系統(tǒng)的年運(yùn)行費(fèi)用，見表1。由表1可知：電輔空氣源熱泵熱水系統(tǒng)的年運(yùn)行費(fèi)用比常規(guī)燃?xì)忮仩t系統(tǒng)節(jié)省5.29萬元，同時(shí)是電鍋爐或電熱水器系統(tǒng)費(fèi)用的38%。熱源塔熱泵熱水機(jī)組的年運(yùn)行費(fèi)用為燃?xì)忮仩t的一半，是電鍋爐或電熱水器的24%，可見經(jīng)濟(jì)效益更為顯著。雖然熱源塔熱泵熱水機(jī)組的年運(yùn)行費(fèi)用比電輔助空氣源熱泵少，但由于熱源塔熱泵系統(tǒng)組成設(shè)備更為復(fù)雜，存在機(jī)組外其他設(shè)備用電且初投資更高，故不能單純認(rèn)為熱源塔熱泵系統(tǒng)的總經(jīng)濟(jì)效益一定優(yōu)于電輔助空氣源熱泵熱水系統(tǒng)。

3.3 節(jié)能環(huán)保效益分析

由于不同能源計(jì)量單位不同，為方便比較不同系統(tǒng)的能耗，將各能源轉(zhuǎn)化為等價(jià)一次能源標(biāo)準(zhǔn)煤，其中電能與一次能源的轉(zhuǎn)化率取為0.35，標(biāo)準(zhǔn)煤的熱值取為29.3MJ/kg。根據(jù)燃料耗量公式進(jìn)行熱能換算，可得燃?xì)忮仩t系統(tǒng)和電輔助空氣源熱泵熱水系統(tǒng)年運(yùn)行能耗分別為140.3噸和128.2噸標(biāo)準(zhǔn)煤，相當(dāng)于電輔助空氣源熱泵熱水系統(tǒng)每年節(jié)省12.1噸標(biāo)準(zhǔn)煤，由可知，相當(dāng)于每年減少29.9噸CO2、0.24噸SO2和0.12噸粉塵排放量。若進(jìn)一步將耗電量等價(jià)為天然氣用量，可得電輔助空氣源熱泵熱水系統(tǒng)的年運(yùn)行能耗為105919.38 Nm3，比燃?xì)忮仩t系統(tǒng)節(jié)省天然氣9551.13 Nm3。同理可知，熱源塔熱泵熱水系統(tǒng)節(jié)能環(huán)保效益更為優(yōu)越。

4 結(jié)語

1）結(jié)合南京氣象數(shù)據(jù)，證實(shí)高校采用電輔助空氣源熱泵或熱源塔熱泵熱水系統(tǒng)具有可行性，比醫(yī)院、酒店等建筑類型更具應(yīng)用性，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)全年高效穩(wěn)定運(yùn)行，滿足生活熱水需求。

2）同常規(guī)熱水供應(yīng)系統(tǒng)相比較，熱泵熱水系統(tǒng)的節(jié)能環(huán)保效益突出，值得夏熱冬冷地區(qū)眾多高校大力推廣使用，不僅有利于提高學(xué)生生活品質(zhì)，打造綠色校園，同時(shí)對(duì)地區(qū)的節(jié)能減排大有裨益。

3）此外，學(xué)生公寓用水具有明顯的特點(diǎn)，例如男女用水量差別較大，熱水使用時(shí)段主要集中在晚上等。若依據(jù)不同性別確定公寓用水總量，同時(shí)合理利用谷電加熱，實(shí)現(xiàn)削峰填谷，更會(huì)使得熱泵熱水系統(tǒng)能耗降低，節(jié)省更多運(yùn)行費(fèi)用，經(jīng)濟(jì)效益將更為顯著。