空氣源熱泵輔助太陽(yáng)能集中生活熱水系統(tǒng)分析

余 勛 （思邁建筑設(shè)計(jì)（上海）有限公司，上海 230000）

1 引言

2020 年9 月，習(xí)近平總書(shū)記在聯(lián)合國(guó)大會(huì)上宣布：“中國(guó)力爭(zhēng)于2030 年前二氧化碳排放達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)?！碑?dāng)前我國(guó)建筑行業(yè)運(yùn)行碳排放約占全國(guó)總量的20%，各領(lǐng)域都在探尋快速實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰并深度減排的有效途徑。集中生活熱水系統(tǒng)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?xì)獾然茉醋鳛闊嵩碵1-3]。在雙碳目標(biāo)下，生活熱水系統(tǒng)尋找清潔高效的替換能源刻不容緩。

太陽(yáng)能作為一種清潔環(huán)保、安全無(wú)害的可再生能源，其開(kāi)發(fā)利用能有效緩解碳排放壓力。但在夜晚、連續(xù)陰雨或者日照時(shí)數(shù)較低等氣候條件下，太陽(yáng)能資源不足，無(wú)法連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，空氣源熱泵憑借其高效、安全耐用、安裝靈活等優(yōu)勢(shì)成為太陽(yáng)能系統(tǒng)的首選輔助熱源?？諝庠礋岜幂o助太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)既能克服有時(shí)太陽(yáng)能輻照量不足的弊端，又能有效彌補(bǔ)空氣源熱泵在室外氣溫較低時(shí)制熱性能下降的不足。目前，空氣源熱泵和太陽(yáng)能常見(jiàn)的組合形式分為2 種，即空氣源熱泵輔助太陽(yáng)能制備熱水和空氣源熱泵輔助太陽(yáng)能制備熱媒。控制系統(tǒng)是整個(gè)熱水系統(tǒng)的中樞，有效合理的控制方式是保證整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定高效運(yùn)行的關(guān)鍵所在[4]。因此，本文分析了空氣源熱泵輔助太陽(yáng)能制備熱水和熱媒系統(tǒng)的控制邏輯、優(yōu)缺點(diǎn)及選擇依據(jù)，并以上海某新建酒店為研究對(duì)象，分析空氣源熱泵輔助太陽(yáng)能制備熱水系統(tǒng)的能源供比和二氧化碳排放量。

2 空氣源熱泵輔助太陽(yáng)能制備熱水

空氣源熱泵輔助太陽(yáng)能制備熱水的系統(tǒng)示意圖如圖1 所示，根據(jù)室外氣候條件的不同，本系統(tǒng)可分為4 種運(yùn)行工況[5]，即太陽(yáng)能集熱單元單獨(dú)運(yùn)行、空氣源熱泵單獨(dú)運(yùn)行、太陽(yáng)能集熱單元與空氣源熱泵聯(lián)合運(yùn)行、太陽(yáng)能集熱單元與空氣源熱泵均不運(yùn)行。

圖1 空氣源熱泵輔助太陽(yáng)能制備熱水系統(tǒng)示意圖

根據(jù)圖1 可知，本系統(tǒng)運(yùn)行控制邏輯如下。T1-T2≥5～10℃，太陽(yáng)能集熱循環(huán)泵開(kāi)啟；T1-T2＜1～3℃，循環(huán)泵關(guān)閉。T2-T3≥5～10℃，集熱與供熱循環(huán)泵開(kāi)啟。T3＜50℃，空氣源熱泵循環(huán)泵開(kāi)啟；T3≥58℃，循環(huán)泵關(guān)閉。T4＜53℃且T4-T3≥5℃，生活熱水供應(yīng)系統(tǒng)循環(huán)泵開(kāi)啟；T4≥53℃，循環(huán)泵關(guān)閉。

3 空氣源熱泵輔助太陽(yáng)能制備熱媒

在改造項(xiàng)目中，受原熱水系統(tǒng)形式、機(jī)房面積、結(jié)構(gòu)荷載等諸多因素限制，利用空氣源熱泵輔助太陽(yáng)能系統(tǒng)滿足冷熱水同源的要求時(shí)，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(yáng)能制備熱媒系統(tǒng)示意圖

根據(jù)圖2 可知，本系統(tǒng)運(yùn)行控制邏輯如下。T1-T2≥5～10℃，太陽(yáng)能集熱循環(huán)泵開(kāi)啟；T1-T2＜1～3℃，循環(huán)泵關(guān)閉。T2-T3≥5～10℃，集熱與供熱循環(huán)泵開(kāi)啟。T3＜50℃，空氣源熱泵循環(huán)泵開(kāi)啟；T3≥58℃，循環(huán)泵關(guān)閉。T4＜53℃且T5-T4≥5℃，生活熱水供應(yīng)系統(tǒng)循環(huán)泵開(kāi)啟；T4≥53℃，循環(huán)泵關(guān)閉。T5≤58℃，熱媒循環(huán)泵開(kāi)啟；T5＞58℃，循環(huán)泵關(guān)閉。

4 系統(tǒng)對(duì)比分析

上述2 種組合形式優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 空氣源熱泵輔助太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)對(duì)比

由表1 可知，制備熱媒的系統(tǒng)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(jí)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(chǔ)水罐的換熱方式?？諝庠礋岜幂o助太陽(yáng)能制備熱水的系統(tǒng)控制簡(jiǎn)單，制備熱媒的系統(tǒng)控制相對(duì)較復(fù)雜，但其靈活度高，冷、熱水箱分設(shè)不同處亦可實(shí)現(xiàn)冷熱水同源，故適用于改造項(xiàng)目。對(duì)于新建項(xiàng)目，建議優(yōu)先選擇空氣源熱泵輔助太陽(yáng)能制備熱水的系統(tǒng)，冷、熱水箱同設(shè)于屋面保證冷熱同源，充分利用空氣能和太陽(yáng)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(yáng)能制備熱水系統(tǒng)的太陽(yáng)能、空氣源熱泵和電加熱的能源供應(yīng)量。該熱水系統(tǒng)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(jì)算單位數(shù)，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(jù)《建筑給水排水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（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(duì)應(yīng)輸入功率18kW，8℃時(shí)低溫制熱衰減15kW。系統(tǒng)晴天由太陽(yáng)能供熱，多云天氣由太陽(yáng)能和空氣源熱泵等比例聯(lián)合供熱，陰雨雪天氣由空氣源熱泵供熱，高溫低于12℃時(shí)考慮熱泵制熱衰減。太陽(yáng)能、電加熱和空氣源熱泵年均能源供應(yīng)量分別表示為Q陽(yáng)、Q電、Q空，表達(dá)式見(jiàn)式（2）～式（4），計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 空氣源熱泵輔助太陽(yáng)能制備熱水系統(tǒng)二氧化碳排放量

式中，Qmd——太陽(yáng)能年均能源供應(yīng)量，kJ/a；Q電——低溫時(shí)電加熱年均能源供應(yīng)量，kJ/a；Q空——空氣源熱泵年均能源供應(yīng)量，kJ/a；D晴——2022 年上海全年晴天天數(shù)，52d；D云——2022 年上海全年多云天數(shù)，229d；D陰雨雪——2022 年上海全年陰雨雪天數(shù)，84d；D1——2022年上海全年多云天氣中氣溫低于12℃的天數(shù)，45d；D2——2022 年上海全年陰雨雪天氣中氣溫低于12℃的天數(shù)，22d；k——多云天氣太陽(yáng)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(yùn)行的制熱衰減，低溫運(yùn)行平均溫度為8℃，15kw；T——空氣源熱泵設(shè)計(jì)工作時(shí)間，12h/d。

經(jīng)計(jì)算，結(jié)果如圖3所示。

由圖3 可知，本系統(tǒng)年均供熱量為5.26×105MJ/a，太陽(yáng)能和空氣源熱泵供熱比例相當(dāng)，均占總供熱量的46%，電加熱占總供熱量的8%，節(jié)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(yáng)能制備熱水的系統(tǒng)的二氧化碳排放量。二氧化碳排放量表達(dá)式為[6]：

式中，QCO2——二氧化碳排放量，kg/a；Q——系統(tǒng)中會(huì)引起二氧化碳排放的能源的年平均能耗，MJ/a；W——標(biāo)準(zhǔn)煤的熱值，為29.308MJ/kg；Eff——加熱裝置的效率，電加熱和燃?xì)忮仩t均按90%計(jì)；FCO2——碳排放因子，kg 碳/kg 標(biāo)準(zhǔn)煤，燃?xì)?.404、電能0.866。

空氣源和太陽(yáng)能無(wú)二氧化碳排放，系統(tǒng)的Q 值計(jì)算見(jiàn)式（6），主要包括兩部分，一是氣溫低于12℃時(shí)彌補(bǔ)熱泵制熱衰減的輔助電加熱能耗，二是熱泵工作時(shí)輸入的電功率能耗。傳統(tǒng)燃?xì)忮仩t熱水系統(tǒng)年能耗Q 計(jì)算見(jiàn)式（7），為用水系統(tǒng)的年平均耗熱量。

式中，P——空氣源熱泵的輸入功率，18kw。

經(jīng)計(jì)算，空氣源熱泵輔助太陽(yáng)能制備熱水系統(tǒng)的二氧化碳排放量為23884kg/a，傳統(tǒng)燃?xì)忮仩t熱水系統(tǒng)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(jié)論

集中生活熱水供應(yīng)系統(tǒng)中，太陽(yáng)能與空氣源熱泵常見(jiàn)的組合形式分為兩種，即空氣源熱泵輔助太陽(yáng)能制備熱水和空氣源熱泵輔助太陽(yáng)能制備熱媒。其中，制備熱媒的系統(tǒng)靈活度高，多用于改造項(xiàng)目，而新建項(xiàng)目建議優(yōu)先選用空氣源熱泵輔助太陽(yáng)能制備熱水。

控制系統(tǒng)是整個(gè)熱水系統(tǒng)的中樞，有效合理的控制方式是保證整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定高效運(yùn)行的關(guān)鍵所在。

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

較傳統(tǒng)燃?xì)忮仩t熱水系統(tǒng)，空氣源熱泵輔助太陽(yáng)能制備熱水的系統(tǒng)減碳19.1%，減碳效果顯著。