雙熱源熱泵熱水系統在學生公寓的應用

張婭玲

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雙熱源熱泵熱水系統在學生公寓的應用

張婭玲

（江蘇城鄉建設職業學院，江蘇 常州 213147）

依據上海地區氣象數據，結合高校學生公寓用生活熱水情況，分析探討高校學生公寓應用雙熱源熱泵熱水系統的可行性，并通過具體工程案例對不同熱水供應系統進行技術經濟比較。分析研究表明：污水源+空氣源熱泵熱水系統是一種節能環保的高效熱水系統，能同步實現廢水熱能回收利用，可以提升系統能效，并保證四季均勻恒定供應熱水，適合單幢或多幢學生公寓獨立使用，可以在高校推廣應用。

雙熱源；污水源；空氣源；熱泵熱水系統；回收利用

隨著社會經濟的發展和人民消費水平的提高，生活熱水的需求量大幅提升。高校學生公寓人員密集，是熱水消耗的大戶。以往高校熱水供應系統通常采用燃氣、燃油鍋爐或電鍋爐集中供應，能耗水平高，同時由于某些宿舍距離浴室遠，學生深感不便，而送至每幢公寓又會帶來輸配損失和熱量損失。熱泵熱水機組可以利用高品位的電能，通過制冷循環吸收低品位熱能（空氣或者水源中的熱能），制取55℃左右的熱水，是重要的節能設備。近年來，常用空氣源熱泵制取熱水，但空氣源熱泵冬季性能系數COP值較低，往往需要輔助大功率的電加熱器，耗能增加；水源熱泵能利用水中儲存的熱量，有較高的性能系數，但水源中斷時就無法工作。高校學生浴室通常固定時間開放，洗浴廢水流量、溫度相對穩定，是廢水源熱泵有效可靠的理想熱源，于是一種空氣源加污水源的雙熱源熱泵熱水系統應運而生。本文以上海某校園學生公寓雙熱源熱泵熱水系統為例，與傳統熱水供應系統進行經濟技術比較，比較結果表明學生公寓應用雙熱源熱泵熱水系統技術適宜并且節能環保，還可以提升校園生活環境，對建筑節能工作具有十分重要的意義。

一、雙熱源熱泵熱水系統技術適宜性分析

空氣源熱泵熱水系統是以空氣為低溫熱源，通過利用少量電能，采用蒸汽壓縮熱泵技術加熱生活熱水。該系統不但可以有效節約能源并且對環境無污染，具有廣闊的發展空間和應用前景。

通常洗浴后排入污水系統的廢水溫度仍較高（約35℃），如果洗浴用水按43℃、自來水按10℃計算，則洗浴熱量利用只占加熱自來水所需熱量的24%，其余76%的熱量隨著廢水排放而損失。因此，洗浴廢水熱量的回收潛力巨大。高校學生浴室的使用人數和使用時間相對集中，特別是固定開放時間的集中浴室，洗浴后的廢水溫度、流量都比較穩定，為污水源熱泵提供了可靠有效的熱源。

雙熱源熱泵熱能梯級利用熱水系統是將空氣源熱泵和污水源熱泵結合起來，先利用廢水預熱器對自來水預熱，再利用高效的污水源熱泵對補水進行加熱，增加了廢水的熱能梯級利用。雙熱源熱泵工作原理如圖1所示。

圖1 雙熱源熱泵熱能循環工作原理圖

上海屬于夏熱冬冷地區，分析上海典型氣象年數據[1]得到全年日平均溫度曲線如圖2所示。上海全年平均室外空氣溫度為17.63℃，最冷月平均氣溫5.8℃<10℃，按規范宜設置輔助熱源[2]。

圖3 上海地區空氣源熱泵熱水機組逐月COP與環境參數的關系

能效比（COP）是評價空氣源熱泵熱水機組節能效果的性能指標，通常設備廠家給出的COP能達到3.7以上。但機組實際運行的工況往往與名義工況存在較大差異，因此機組銘牌所示COP并不能真實反映機組的性能，并且機組全年均在制熱工況下運行，室外環境溫度、初始進水溫度和目標水溫都對機組的性能有著極大的影響。季節性COP經驗公式[3]能更合理地評價空氣源熱泵熱水機組的全年性能指標：

COP=[1+2（t-a）]×[1-3×（a-w）/（a-d）]

式中t為初始冷水溫度與目標溫度的平均值，Ta為環境溫度，Tw為濕球溫度，Td為露點溫度。

吳靜怡等的驗證結果表明該公式計算出的COP具有通用性，可準確反映空氣源熱泵熱水機組實際運行的綜合性能[4]。上海地區空氣源熱泵熱水機組逐月COP與環境參數的關系如圖3所示，由圖可以看出，機組COP隨室外溫度的變化發生改變，計算得出機組年平均COP在3.4左右。

二、工程實例經濟效益性分析

1.項目介紹

以上海某高校1#學生公寓為例。該公寓為五層，共有宿舍206間，每間宿舍住4~6人，合計1 080人。根據國家現行規范，每人每天熱水用量為50L，則日用水總量為54T，冷水進水溫度取值12.8℃，熱水出水溫度采用55℃。考慮學生放假因素，全年供水時間為270天。該公寓浴室設在二層，熱泵機組及水箱等設備設置在一層，選用2臺空氣源熱泵機組，2臺水源熱泵機組（帶廢水預熱器），10噸廢水儲水箱和15噸熱水儲水箱各一個。

雙熱源熱泵熱能梯級利用熱水機組配備熱能回收裝置，使自來水通過預熱和熱泵兩級加熱，廢熱水通過熱能回收和向水源熱泵循環供熱，實現了廢熱的梯級利用[5]。該校學生浴室熱水系統采用的節能設計路線為：洗浴后產生的廢熱水經過過濾進入廢水箱，先通過熱能回收裝置對自來水進行預熱，再作為污水源熱泵的低位熱源，對生活熱水的補水進行加熱，同時利用空氣源熱泵維持熱水箱的水溫，以保證持續穩定供水。廢水中的熱量經兩級利用，從35℃降到15℃，熱能利用率從原來的24%提高到85%，降溫后的廢水排入學校的中水系統。

該浴室熱水系統投入使用后，學校在2014年10月27-28日委托江蘇省民用建筑能效測評機構對該項目進行了能效測評，其評估結果如表1所示。

表1 雙熱源熱泵熱能梯級利用熱水系統性能測試匯總表

2.經濟環保效益分析

空氣源熱泵機組制熱水年平均COP取值3.3，電輔助加熱器及電鍋爐熱效率取0.95，燃油鍋爐熱效率取0.85，燃氣鍋爐熱效率取0.80；用電熱值為3.6MJ/kWh，燃油熱值為43.1MJ/kg，燃氣熱值為35.6MJ/kWh；電費按0.55元/kWh，輕柴油按6元/kg，天然氣按2.9元/Nm3，電鍋爐電價按谷電0.35元/kWh計。

根據以上數據，該公寓全年熱水總耗熱量為：

=?t=4.2kJ/（kg.℃）×54×（55-12.8）℃×270=2584159MJ

根據學校后勤部門提供的實測數據，2015年9月至2016年6月該公寓熱水系統的用電量（包括機組、水泵等）為167 273kWh，電費總計9.2萬元。

對于不同的熱水供應系統，燃料年需求量=年總耗熱量÷燃料燃燒值÷熱效率，再根據燃料單價求出不同熱水系統的年運行費。費用比較見表2及圖4所示。

表2 不同熱水供應系統年運行費用比較

由表2可以看出，雙熱源熱泵熱水系統的年均能效比可達4.3，同時因其使用電這種清潔能源，節能的同時減少了煤炭和燃氣的消耗，從而減少了CO2、SO2及粉塵的排放，可以有效改善校區的室內空氣環境質量，環保效益同樣十分明顯。

圖4 不同熱水系統的年運行費比較

三、結論

雙熱源熱泵熱水系統是一種比較適合校園建筑特點、節能環保的熱水供應方式。通過以上分析可以看出：高校學生公寓采用雙熱源熱泵熱水系統具有可行性，可以實現系統的全年穩定高效運行，滿足學生的生活熱水需求。經過計算分析，本案例中雙熱源熱泵熱水系統與傳統燃煤鍋爐、燃氣鍋爐、電鍋爐等提供熱水的系統相比，其節能環保效益明顯，適合夏熱冬冷地區的學生公寓使用，具有獨特的優勢。

[1]中國氣象局氣象信息中心氣象資料室，清華大學建筑技術科學系.中國建筑熱環境分析專用氣象數據集[M].北京：中國建筑工業出版社，2005.

[2]GB50015-2003（2009年版），建筑給水排水設計規范[S].北京：中國建筑工業出版社，2007.

[3]G.L.Morrison，Anderson T，Behnia M.Seasonal performance rating of heat pump water heaters[J].Solar Energy，2004(76)：147-152.

[4]吳靜怡，姜明毓，王如竹等.空氣源熱泵熱水機組全年綜合能效評定[J].制冷學報，2009，30（5）：14-18.

[5]陳則韶，陶文銓，朱延文等.空氣/水雙源熱泵廢熱再用熱水裝置的性能分析[J].中國科學：技術科學，2012，42（8）：937-944.

Application of Double Heat Source Heat Pump Hot Water System in Student Apartment

ZHANG Ya-ling

（Jiangsu Urban and Rural Construction College, Changzhou, Jiangsu 213147, China）

Based on meteorological data in the Shanghai area, combining the application of the living hot water in student apartment, the author analyzed the feasibility of the application of double heat source heat pump hot water system in university students' apartment. Through the concrete project cases and the comparison of the technical and economical of different hot water supply system, the results show that the sewage + air source heat pump hot water system is energy saving, environmental protecting and efficient, recycling the heat in waste water at the same time. It can improve the efficiency, and supply hot water in constancy in four seasons. It is suitable for single one or more student apartment independently, and can be applied in colleges and universities.

double heat sources; sewage source; air source; heat pump hot water system; recycling

（責任編輯 鮑東杰）

TU833.1

A

1008—6129（2016）05—0097—05

2016—06—06

張婭玲（1971—），女，河北無極人，江蘇城鄉建設職業學院，高級工程師。