多種熱水系統(tǒng)實例的節(jié)能對比分析

王士軍，劉 珊，劉 頌(上海市建筑科學(xué)研究院有限公司， 上海 201108)

建筑節(jié)能已成為我國節(jié)能減排工作的重點，各重點用能單位都建立了節(jié)能減排的計劃，并在“十三五”期間實施了多項節(jié)能改造項目。本文所述項目為上海某科研實驗樓，建筑面積約 23 000 m2，需要長期穩(wěn)定供應(yīng)熱水，每日需求的熱水供應(yīng)量也基本持平，目前采用電加熱熱水系統(tǒng)供應(yīng)熱水。為響應(yīng)國家節(jié)能減排的號召，需對電加熱熱水系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能改造。在改造電加熱熱水系統(tǒng)過程中對各種熱水供應(yīng)方式耗能情況進(jìn)行統(tǒng)計、分析、比較，核算項目的投資回報率和節(jié)能減排量。

電加熱熱水系統(tǒng)以電力為能源，而空氣源熱泵和太陽能熱水系統(tǒng)都利用了可再生能源取熱，所以更加符合節(jié)能減排理念。空氣源熱泵熱水系統(tǒng)是利用逆卡諾原理，吸收空氣中大量的低溫?zé)崮埽ㄟ^壓縮機的壓縮，以利用極少電能變?yōu)楦邷責(zé)崮艿臒岜眉夹g(shù)。其缺點是由于空氣能是分散、低品位的能源，制熱速度慢，制熱效率不高，甚至受地域限制，在冬季寒冷地區(qū)盤管容易出現(xiàn)結(jié)霜的問題。太陽能熱水系統(tǒng)是指將通過太陽能集熱器把太陽能轉(zhuǎn)換成熱能，再通過熱水循環(huán)泵輸送到儲熱水箱。太陽能熱水系統(tǒng)高效節(jié)能、綠色環(huán)保是其顯著優(yōu)勢，缺點則是能效利用不連續(xù)、不穩(wěn)定，受到太陽輻照因素影響較大，特別是在冬季輻照度低的季節(jié)太陽能轉(zhuǎn)換效率更低。

本文重點介紹了空氣源熱泵輔助太陽能熱水系統(tǒng)在實際項目中的節(jié)能效果，將空氣源熱泵和太陽能熱水系統(tǒng)二者優(yōu)勢結(jié)合起來。同時有效避免劣勢，成為環(huán)保節(jié)能、運行穩(wěn)定、能源利用率高的建筑節(jié)能推廣項目。通過比較電加熱熱水供應(yīng)方式、空氣源熱泵熱水供應(yīng)方式、空氣源熱泵輔助太陽能熱水系統(tǒng)相結(jié)合的熱水供應(yīng)方式的運行能耗情況，以空氣源熱泵輔助太陽能熱水系統(tǒng)相結(jié)合的節(jié)能減排效果更加突出。

1 電加熱熱水供應(yīng)方式

電加熱熱水系統(tǒng)是讓電流通過電阻絲發(fā)熱來加熱熱水的系統(tǒng)。具有加熱均勻、供熱量穩(wěn)定、效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、反應(yīng)靈敏以及便于實行自動控制等優(yōu)點。但是，用電加熱器要耗費較多電能，電阻絲加熱存在漏電等不安全因素，且電阻絲的使用壽命有限，所以加熱量較多的部位不宜采用電加熱器。

原日均電熱水爐用電量見圖 1，電加熱熱水系統(tǒng)耗能統(tǒng)計時間周期為 2019 年 7 月 17 日～2019 年 8 月 3 日。

圖 1 日均電熱水爐用電量

根據(jù)統(tǒng)計的電加熱用電量可知，每日電加熱的用電量基本維持在 320.00 kWh 左右，這說明每日熱水供應(yīng)的需求量基本穩(wěn)定。

2 空氣源熱泵熱水供應(yīng)方式

空氣源熱泵熱水系統(tǒng)組成包括空氣源熱泵機組、蓄熱水箱、循環(huán)水泵、管路。熱水通過空氣源熱泵加熱，經(jīng)由循環(huán)水泵到蓄熱水箱中，再從蓄熱水箱供至用戶。空氣源熱泵熱水系統(tǒng)與太陽能熱水系統(tǒng)架構(gòu)類似。空氣源熱泵壓縮機將回流的低壓冷媒壓縮后，變成高溫高壓的氣體排出，高溫高壓的冷媒氣體流經(jīng)在水箱外面的換熱銅管，熱量經(jīng)銅管傳導(dǎo)到水箱內(nèi)，冷卻下來的冷媒在壓力的持續(xù)作用下變成液態(tài)，經(jīng)膨脹閥后進(jìn)入蒸發(fā)器。由于蒸發(fā)器的壓力驟然降低，因此液態(tài)的冷媒在此迅速蒸發(fā)變成氣態(tài)，并吸收大量的熱量。在空氣源熱泵機組風(fēng)扇的作用下，大量的空氣流過空氣源熱泵蒸發(fā)器外表面，空氣中的能量被蒸發(fā)器吸收，空氣溫度迅速降低，變成冷氣釋放。隨后吸收了一定能量的冷媒回流到空氣源熱泵壓縮機，不斷進(jìn)行循環(huán)吸收空氣中的熱量。

本次選用 3 臺額定制熱量為 45 kW 的空氣源熱泵熱水機，系統(tǒng)供應(yīng)熱水統(tǒng)計時間周期為 2019 年 8 月 5日～2019 年 8 月 18 日。空氣源熱泵系統(tǒng)每日用電量基本維持在 116.00 kWh 左右，見圖 2。

圖 2 日均空氣源熱泵用電量

空氣源熱泵熱水系統(tǒng)改變了傳統(tǒng)的電熱元件、燃料直接加熱的方式，從而杜絕了漏電、漏氣等安全隱患，具有更卓越的安全性能。空氣源熱泵熱水系統(tǒng)出水量大，出水溫度穩(wěn)定，保證熱水 24 h 充足供應(yīng)，使用舒適度高。空氣源熱泵熱水系統(tǒng)只是將周圍空氣中的熱量轉(zhuǎn)移到水中，完全做到零排放，綠色環(huán)保模塊化設(shè)計，節(jié)能效果明顯，運行費用很低。通過實際使用空氣源熱泵熱水系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析，耗電量只有電加熱的 1/3。

空氣源熱泵系統(tǒng)可以單獨產(chǎn)生熱水，也經(jīng)常用在太陽能系統(tǒng)中，作為系統(tǒng)的輔助熱源。

3 空氣源熱泵輔助太陽能熱水系統(tǒng)相結(jié)合供應(yīng)

空氣源熱泵輔助太陽能熱水系統(tǒng)充分利用了可再生無污染的太陽能資源，通過高效的熱泵技術(shù)使資源得到最有效的利用，是目前制備熱水最節(jié)能的方式之一。

本次太陽能熱水系統(tǒng)安裝金屬玻璃真空管太陽能集熱器60 組，集熱器集熱面積 120 m2，為短期蓄熱集中，強制循環(huán)、二次換熱太陽能熱水系統(tǒng)。采用由太陽能集熱器產(chǎn)生的熱水為主熱源，集中供給各用熱水點，并設(shè)有熱水循環(huán)泵強制同程機械循環(huán)、動態(tài)回水，以保證熱水供回水溫度 60 ℃/55 ℃。

太陽能熱水系統(tǒng)循環(huán)采用定溫溫差循環(huán)，即當(dāng)集熱器溫度 T 1-儲熱水箱溫度 T 2≥8 ℃ 時，系統(tǒng)循環(huán)泵啟動，集熱器中的高溫?zé)崦捷斔椭寥莘e式水箱進(jìn)行換熱。當(dāng)水箱溫度 T2 達(dá)到設(shè)定溫度 60 ℃，或集熱器溫度 T 1-儲熱水箱溫度T2 ≤2 ℃ 時，系統(tǒng)循環(huán)泵停止運行。

本次空氣源熱泵輔助太陽能熱水系統(tǒng)統(tǒng)計時間周期為2019 年 8 月 18 日～2019 年9 月 18 日。氣源熱泵輔助太陽能熱水系統(tǒng)每日用電量基本維持在 70.00 kWh 左右，見圖 3。

圖 3 日均空氣源熱泵輔助太陽能熱水系統(tǒng)用電量

4 結(jié) 語

通過比較電加熱熱水系統(tǒng)、空氣源熱泵系統(tǒng)、空氣源熱泵輔助太陽能熱水系統(tǒng)，可以看出 3 種形式的供熱水系統(tǒng)日均能耗情況。如果將電加熱系統(tǒng)的能耗當(dāng)作 1，則空氣源熱泵供熱水可實現(xiàn)節(jié)能率為 68%，空氣源熱泵輔助太陽能熱水系統(tǒng)供熱水可實現(xiàn)節(jié)能率為 78%，以上節(jié)能率還忽略了夏冬季溫度變化因素、天氣多云等因素的影響。通過估算，目前該科研實驗樓采用空氣源熱泵輔助太陽能熱水系統(tǒng)形式可以實現(xiàn)年能耗節(jié)約量為 100 000.00 kWh，等價節(jié)約了約360 GJ，減少了約 100 t CO2的排放。

本文重點介紹了空氣源熱泵輔助太陽能熱水系統(tǒng)在實際項目中的節(jié)能效果，將空氣源熱泵和太陽能熱水系統(tǒng)二者優(yōu)勢結(jié)合起來。同時有效避免劣勢，成為環(huán)保節(jié)能、運行穩(wěn)定、能源利用率高的建筑節(jié)能推廣項目。