太陽能+燃氣雙驅(qū)型熱泵熱水系統(tǒng)在高校的應(yīng)用研究

陳樹文

（湖南城建職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 湘潭 411101）

前言

節(jié)約能源、優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)是保護環(huán)境、構(gòu)成生態(tài)文明的重要一環(huán)，需要全社會的人來共同參與和付出努力。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，目前我國校園能耗占社會總能耗的8%[1]，生活熱水的耗能占高校能耗的22%[2]。同時，全國大學(xué)生人均能耗、水耗分別是全國居民人均能耗的4倍和2倍，可見高校建筑能耗存在較大的節(jié)能潛力。

1 工作原理介紹

太陽能+燃氣雙驅(qū)型熱泵為氨-水吸收式熱泵機組，通過表面式換熱器從空氣中提取低品位熱能，實現(xiàn)1.8倍的高效制熱功能，是一種高效的節(jié)能型能源綜合利用系統(tǒng)。該機組通過熱能（太陽能或燃氣產(chǎn)生的熱能）驅(qū)動水對氨的釋放與吸收，產(chǎn)生氨的相態(tài)變化，從而產(chǎn)生吸熱和放熱過程。在該熱泵機組制熱過程中，太陽能或燃氣燃燒在發(fā)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(fā)生器中燃氣產(chǎn)生的熱量后在冷凝器中釋放熱量Q2，并在蒸發(fā)器中吸收熱量Q4；由此，整個系統(tǒng)熱量輸入為Q1+Q4，熱量輸出為Q2+Q3，系統(tǒng)能效比COP=（Q2+Q3）/Q1。

2 應(yīng)用實例介紹

2.1 工程概況

某高校位于湖南省長沙市。本項目包括1#～8#公寓，住宿總?cè)藬?shù)為15 720人，供應(yīng)熱水的水溫為55～60 ℃。根據(jù)《建筑給水排水設(shè)計規(guī)范》，宿舍內(nèi)設(shè)有衛(wèi)生間時，其日平均生活熱水量用量為40～55 L/人，按40 L/人計算，則總生活用水量為628.8噸/天。

2.2 系統(tǒng)方案優(yōu)選

目前采用的生活熱水供應(yīng)設(shè)備主要包括電熱鍋爐、空氣源熱泵熱水器、太陽能熱水器、燃氣熱泵等。這些設(shè)備及系統(tǒng)的主要性能見表1。

從上表可以發(fā)現(xiàn)，由于太陽能熱水器利用免費太陽輻射熱制取生活熱水，節(jié)能效益為最佳，燃氣熱泵次之。但考慮長沙地區(qū)累計全年的太陽總輻射量[5]為3 902.5 MJ/m2，屬于太陽輻射熱較差地區(qū)，為確保制熱效果，考慮將太陽能+燃氣相結(jié)合，既可充分利用太陽能，又可節(jié)約輔助能源，最大限度降低運行成本，節(jié)省費用。

2.3 系統(tǒng)設(shè)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(tǒng)考慮采用配置部分太陽能+燃氣雙驅(qū)型熱泵承擔(dān)部分熱水負荷，同時配置部分燃氣熱泵承擔(dān)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(tǒng)。如下以2#棟為例說明。該棟的生活熱水量為78.6噸/天，其設(shè)備需配置240 m2太陽能槽式集熱器，1個72 m3保溫水箱，4臺額定制熱量45 kW的雙能源熱泵，3 臺額定制熱量45 kW的燃氣熱泵以及相應(yīng)熱源側(cè)循環(huán)水泵、熱水供水水泵等。

2.4 經(jīng)濟性分析

該熱水供應(yīng)系統(tǒng)按每年運行270天、每天運行16小時，電價按照0.6元/Kwh、天然氣按照2.65元/m3計算。對比采用電熱水器或空氣源熱泵熱水器的運行費用見表2。

表2 2#棟熱水供應(yīng)系統(tǒng)采用其他能源時運行費用一覽表

對比發(fā)現(xiàn)，采用太陽能+燃氣雙驅(qū)型熱泵系統(tǒng)之運行費用為電熱水器熱水系統(tǒng)之15.3%，空氣源熱泵系統(tǒng)之58.6%。其節(jié)能效益是可觀的。

2.5 環(huán)境效益分析

按前設(shè)備配置，2#棟配置集熱器面積為240 m2，按全年運行270天計算，則其太陽能熱水系統(tǒng)年節(jié)能量[5]：

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(qū)為10.55 MJ/（m2·d）[5]；

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(guī)取值0.15。

按該學(xué)校8棟宿舍樓計算，則總年節(jié)能量為300441MJ。

太陽能熱水系統(tǒng)二氧化碳減排量計算：

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(qū)型熱泵的生活熱水供應(yīng)系統(tǒng)每年可以減少23 167 kg二氧化碳的排放，每平方米太陽能集熱面積每年可減少12 kg二氧化碳排放。

3 結(jié)論

本文通過對太陽能+燃氣雙驅(qū)型熱泵熱水技術(shù)在高校生活熱水的供應(yīng)進行研究、對比分析、總結(jié)得出以下幾點結(jié)論:

（1）高校采用太陽能+雙能源燃氣熱泵熱水系統(tǒng)，其運行費用為電熱水器熱水系統(tǒng)之15.3%，空氣源熱泵系統(tǒng)之58.6%。其節(jié)能效益非?？捎^。

（2）傳統(tǒng)能源燃燒后會產(chǎn)生二氧化碳等導(dǎo)致空氣污染，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12 kg二氧化碳排放。

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