空氣源熱泵輔助太陽能系統在學生公寓淋浴系統中的應用

上海海洋大學節能與環保辦公室 趙海鵬 俞 淵 王彥偉

上海海洋大學臨港校區自建設之初就在節能方面做了充分的準備，但是隨著學校辦學規模不斷擴大，師生人數與教學生活設施的大幅度增加，學校的能源需求也急劇上升，因此推行節能減排措施勢在必行。本文以學生公寓淋浴系統中空氣源熱泵輔助太陽能制備熱水為例，分析該項目試點的必要性和效果，以期為后續節能改造提供參考和借鑒。

1 高校樓宇熱水供應系統熱源種類及分析

高校樓宇熱水供熱系統中傳統的供熱方式主要包括：燃煤鍋爐加熱、燃氣鍋爐加熱、燃氣熱水器加熱、電熱水器加熱，上述四種取熱方式都直接或間接的來自不可再生能源，同時燃煤、燃氣產生的二氧化碳、硫氧化物、氮氧化物等會加劇溫室效應、酸雨等環境問題。在當今大力提倡節能、低碳、環保的新形勢下，各高校也逐漸淘汰了以傳統熱源為主的供熱方式，轉而使用安全環保、高效、無污染的太陽能和熱泵技術進行校園供熱。

1.1 太陽能熱水供應系統

目前，很多高校在建設節約型校園過程中紛紛采用太陽能在各個領域供熱，太陽能的利用為校園節能減排做出了重要貢獻。

（1）太陽能熱水系統優缺點

太陽能在校園樓宇中作為熱水供應的熱源的優點是太陽能為免費能源，降低學校供熱運行成本；節約大量不可再生能源；太陽能為清潔能源，使用無污染。缺點是初期設備投資大；供熱系統供熱不穩定因素多；太陽能熱水系統維修、維護成本高。

（2）太陽能熱水系統的原理

太陽能熱水系統主要是利用專用的太陽能集熱器進行光熱轉換，整個系統通過定溫放水、溫差強制循環兩個操作單元來完成。定溫放水是在集熱器與貯熱水箱中各設一個溫度探頭，當集熱器出水末端的溫度探頭測到水溫T1高于預先設定的T0時，系統就啟動熱水循環泵，將熱水輸入貯熱水箱,低于T0時熱水循環泵就自動關閉；溫差強制循環是當貯熱水箱中的溫度探頭測到水箱與集熱器的水溫差達到預設值T時，啟動熱水循環泵，使集熱器與水箱中的水進行交換循環。

1.2 空氣源熱泵熱水供應系統

（1）空氣源熱泵熱水系統的優缺點

空氣源熱泵熱水系統的優點有：成本低，獲取熱源免費，為學校節約大量的能源費用；安全，運行過程中水與電分離，消除了電熱水器的安全隱患；環保，直接從空氣中獲取熱量，無廢氣排放，無空氣污染；安裝、使用便捷，只要有適當的安裝空間，就能從空氣中獲取熱量；運行穩定，系統運行時基本不受天氣影響，晴雨、晝夜均可運行；效率高，只需輸入少量電能即可獲得3～4倍的熱能。缺點有：低溫條件下制熱量顯著下降，制熱COP值降低，需要其他能源輔助。

（2）空氣源熱泵熱水系統原理

氣源熱泵是指通過空氣換熱器與室外空氣進行換熱制取冷量或熱量的熱泵系統（見圖1），空氣源熱泵系統主要由蒸發器、冷凝器、壓縮機、膨脹閥4部分組成。空氣源熱泵熱水系統就是空氣源熱泵制取熱水的裝置系統，它根據逆卡諾原理，通過系統少量的電力驅動將空氣中難回收的低位熱能轉變為高位熱能釋放到水中，從而制取熱水，滿足生活和供暖的需求。

圖1 空氣源熱泵熱水系統原理圖

1.3 太陽能與空氣源熱泵有機結合的熱水供應系統

太陽能熱水供應系統與空氣源熱泵熱水供應系統各有利弊，除了在使用中有很多共性的優點以外，二者可以優劣互補，實現高效運行。第一，太陽能熱水系統可以實現最大化的利用免費能源，但制熱效率容易受地域、季節、天氣等因素的影響，即穩定性不強。第二，空氣源熱泵熱水系統除了在低溫下運行效率較低外，受天氣、晝夜等因素的影響較小，即穩定性較好，但是空氣源熱泵熱水系統沒有最大限度的利用免費能源。基于上述兩點，兩者的優缺點可實現極好的互補，兩者結合使用制熱效率將進一步提高。

兩者結合的應用方式主要有2種：第一，以太陽能為主，空氣源熱泵為輔。在光照充足的時候以太陽能制熱為主，充分利用免費能源，在光照不足時為了保證水的熱度，使用空氣源熱泵輔助加熱。第二，以空氣源熱泵為主，以太陽能為輔。主要通過太陽能集熱來解決冬季夜晚低溫環境下空氣源熱泵效率下降的問題,其余時間利用空氣源熱泵單獨制熱,從而可通過空氣熱能補償太陽能的不確定性,最大限度地利用可再生能源來實現樓宇供熱的需求。

2 學生公寓太陽能熱水供應系統應用及改進實施案例

為推進建設節約型校園建設，上海海洋大學在新校區建設中有學生公寓太陽能中央熱水系統。目前，該項工程為全國最大的太陽能建筑一體化工程，總集熱器面積為6472m2，系統日產熱水量為845m3，可同時滿足32棟宿舍樓的近16000人的每日熱水需求。

2.1 燃氣熱水鍋爐輔助太陽能熱水供應系統

2008年9月學校啟用新校區之初，學生公寓的熱水是由太陽能集熱器（板狀）與燃氣（天然氣）熱水鍋爐相結合的方式所產生的。每棟樓安裝一套獨立的熱水系統，每套系統在樓頂放置了2個10m3或15m3的水箱，鋪設了420m2左右的太陽能集熱器。同時，每套熱水系統配備了一個0.3t/h的天然氣鍋爐作為輔助熱源，以確保在太陽能不穩定的環境中也能為學生提供熱水。

但是在實際的運行過程中發現：一，太陽能集熱板面積不足；二，受氣候、天氣等因素的影響太陽能系統供熱不穩定。因此，整個熱水供應系統在運行中實際上變成“以燃氣加熱為主，以太陽能為輔”，即燃氣鍋爐實際上承擔了系統大部分的加熱任務，使得燃氣鍋爐的熱效率急劇下降，造成能源成本大幅攀升。2010年4月的燃氣費用與去年同期相比，上漲了72.5%；2010年5月的燃氣費用與去年同期相比，更是上漲了136.3%。

2.2 空氣源熱泵輔助太陽能熱水供應系統

為了更好的利用好已有的太陽能集熱系統，同時進一步減少電和燃氣能源消耗，學校2010年11月試點改造公寓熱水供應系統，試點范圍是第十小區的1幢自然樓（A085、A086、A087）。此次試點主要建成了空氣源熱泵輔助太陽能熱水供應系統（保留了原來的燃氣鍋爐熱水系統以備極端天氣使用），并于2011年1月5日正式投入使用。經過一年的試點，該幢自然樓的節能性與經濟性均達到較好效果，因此學校于2013年年初開始對本科生A區28幢自然樓進行改造，并于2013年9月1日正式投入使用。

表1 改造前后學生公寓A區淋浴熱水系統的水、電和天然氣消耗

2.3 改造前后節能量和經濟性分析

下面根據2013年9-12月與2012年9-12月的運行數據（見表1），從節能性和經濟性的角度對空氣源熱泵改造效果進行比較，以討論空氣源熱泵輔助太陽能系統在學生公寓淋浴系統的節能和降低成本方面的優勢。

（1）改造前后節能分析

從表1可以看出，整個系統嵌入了空氣源熱泵后天然氣的消耗量大大下降，2013年9～12月比2012年同期下降了74%，但是改造后系統的用電增加了53.45萬kWh。根據《綜合能耗計算通則》（GBT2589-2008）[1]天然氣折標系數為1.2143kg/m3，電折標系數為0.1229kg/kWh，計算得出各個月份淋浴系統的總能耗如圖1。可以看出，雖然淋浴系統改造后增加耗電量，但是總能耗卻大大降低，尤其是在9、10、11三個月份空氣源熱泵效率較高，改造后在加熱水量增加的情況下每月淋浴系統的能耗僅為改造前的25%，節約了75%的能耗。2012年9-12月淋浴系統能耗為376.4t標煤，而2013年9-12月淋浴系統能耗僅為164.6t標煤，4個月共節約211.8t標煤，節約率57%，效果顯著。

圖1 2012與2013年同期能耗標煤對比

（2）改造前后經濟效益分析

根據各類能源實際價格，所在地區的水價為3.68元/m3，電價為0.636元/kWh，天然氣價格為2.50元/m3，根據這些數據進行計算匯總得出系統改造前后運行費用的對比，如圖2。

圖2 2012與2013年同期淋浴系統能源費用對比

由圖2可以看出：隨著氣溫降低，淋浴系統能源費用呈逐月上升趨勢，改造后能源支出費比改造前下降幅度較大，顯示在學生洗澡用水量上升的現實情況下，該節能改造項目節約了大量能源費用，據測算，2012年9-12月學生宿舍淋浴系統能源支出費用為77.5萬元，2013年9-12月能源支出費用為54.36萬元，能源費用減少了23.14萬元，費用減少了29.86%，系統改造后的經濟效益十分明顯。

3 結論

上海海洋大學學生宿舍淋浴系統建設之初采用的是太陽能加天然氣鍋爐進行加熱的方式，2010年學校對A085-A087一幢樓進行了嵌入空氣能熱泵輔助加熱方式，經過1年的試點，能源運行費用減少了23.63%，隨后學校采用合同能源管理模式擴大改造范圍至整個學生宿舍，整個系統于2013年9月開始運行，2013年9-12月能源支出費用與去年同期相比下降了約30%，效果顯著。本案例對目前高校既有建筑的淋浴系統改造提供了較好的示范意義。

[1]國家標準化管理委員會工業標準一部.GB/T2589－2008:綜合能耗計算通則［S］.北京:中國標準出版社，2008.6.