上海某學(xué)生公寓CO2熱泵-太陽(yáng)能互補(bǔ)熱水系統(tǒng)運(yùn)行效果評(píng)估

蔣友娣 夏嬋 程烜

上海市建筑科學(xué)研究院有限公司

0 引言

我國(guó)在《巴黎協(xié)定》下承諾“到2030年，單位GDP CO2強(qiáng)度比2005年下降60%～65%，特別是到2030年前后實(shí)現(xiàn)CO2排放達(dá)到峰值并努力早日達(dá)峰”。2020年，國(guó)家主席習(xí)近平在第75屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)期間提出，中國(guó)CO2排放力爭(zhēng)于2030年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。然而，根據(jù)《中國(guó)建筑能耗研究報(bào)告（2019）》顯示，我國(guó)2017年建筑能耗占全國(guó)能源消費(fèi)總量的比重為21.11%，建筑碳排放占全國(guó)能源碳排放比例為19.5%，我國(guó)碳減排工作已經(jīng)進(jìn)入總量控制階段，建筑節(jié)能將是我國(guó)實(shí)現(xiàn)2030年碳減排目標(biāo)的關(guān)鍵領(lǐng)域。

目前，建筑電氣化和可再生能源利用是建筑碳中和的主要路徑[1]。針對(duì)公共建筑，生活熱水可采用電驅(qū)動(dòng)熱泵或者采用直接電熱設(shè)備替代燃?xì)饣蛉加湾仩t，或者采用太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)替代鍋爐制取熱水。CO2熱泵是采用CO2工質(zhì)作為制冷劑的熱泵機(jī)組，與傳統(tǒng)熱泵加熱方式相比，CO2熱泵COP更高，可在短時(shí)間產(chǎn)生更高溫的熱水，是一種高效節(jié)能的裝置。將太陽(yáng)能技術(shù)與CO2熱泵技術(shù)有效結(jié)合，可以相互彌補(bǔ)，真正實(shí)現(xiàn)高效、全天候運(yùn)行，其應(yīng)用日益增長(zhǎng)[2-5]。

本文以上海某學(xué)生公寓為案例，分析CO2熱泵-太陽(yáng)能互補(bǔ)熱水系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行效果，其結(jié)果為CO2熱泵-太陽(yáng)能互補(bǔ)系統(tǒng)應(yīng)用提供參考價(jià)值，有助于公共建筑碳達(dá)峰和碳中和目標(biāo)實(shí)現(xiàn)。

1 工程概況

上海某學(xué)生公寓，建筑總面積為1.7萬(wàn)m2，包括2棟4層學(xué)生公寓和2棟6層學(xué)生公寓。入住學(xué)生人數(shù)為1 008位，設(shè)計(jì)每人每天用生活熱水最高定額為70 L，每天最高供給熱水70 000 L。該學(xué)生公寓設(shè)置有2套同樣組合的“CO2熱泵-太陽(yáng)能”互補(bǔ)運(yùn)行的熱水系統(tǒng)，每套分別供應(yīng)1棟4層和6層的學(xué)生公寓。該系統(tǒng)采用綠色、環(huán)保及節(jié)能等技術(shù)，采用多功能互補(bǔ)形式，以最少的能耗達(dá)到了最高的效率，完成全天24 h供給生活熱水的要求。

熱水系統(tǒng)熱源及主要附屬設(shè)備主要參數(shù)如表1所示。

表1 熱水系統(tǒng)熱源及主要附屬設(shè)備主要參數(shù)信息表

根據(jù)室外環(huán)境情況，本熱水系統(tǒng)優(yōu)先利用太陽(yáng)能生產(chǎn)集熱水儲(chǔ)存于集熱水箱，若此集熱水箱中的熱水溫度達(dá)不到用戶需求（設(shè)計(jì)用戶熱水供水溫度為60℃），則開啟高效的CO2熱泵機(jī)組生產(chǎn)高溫水儲(chǔ)存于高溫水箱，然后集熱水箱和高溫水箱通過(guò)管道連接物理自動(dòng)混水閥，自動(dòng)混合后有效輸出恒溫?zé)崴崴到y(tǒng)流程如圖1所示。

圖1 熱水系統(tǒng)流程圖

2 太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)集熱效率和保證率評(píng)估

根據(jù)《可再生能源建筑應(yīng)用測(cè)試評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》DG/TJ 08-2162-2015的相關(guān)要求，同時(shí)結(jié)合室外環(huán)境及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，選取1棟學(xué)生公寓，對(duì)太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)進(jìn)行了2個(gè)工況（陰天和晴天）的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，檢測(cè)工況和檢測(cè)結(jié)果如表2和表3所示。集熱器進(jìn)出口溫度及太陽(yáng)輻照度數(shù)據(jù)如圖2和圖3所示。

表2 檢測(cè)工況

由表3和圖2、圖3可知：

圖3 集熱器進(jìn)出口溫度及太陽(yáng)輻照度數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)圖（工況1）

表3 太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的集熱效率和保證率測(cè)試結(jié)果

圖2 測(cè)試布點(diǎn)位置示意圖

1）太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)綜合集熱系統(tǒng)效率為54.0%，滿足《可再生能源建筑應(yīng)用測(cè)試評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》DG/TJ 08-2162-2015中“太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)集熱效率應(yīng)大于等于40%”的要求。

2）太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)全年太陽(yáng)能保證率為54.0%，滿足《可再生能源建筑應(yīng)用測(cè)試評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》中“太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的太陽(yáng)能保證率應(yīng)大于等于45%”的要求。

3）工況1（陰天）供熱水溫度在43~50℃之間，工況2（晴天）太陽(yáng)能系統(tǒng)的供熱水溫度在45~55℃之間，基本滿足《可再生能源建筑應(yīng)用測(cè)試評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》DG/TJ 08-2162-2015中對(duì)熱水出水溫度的要求。

3 CO2熱泵機(jī)組性能評(píng)估

根據(jù)《公共建筑節(jié)能檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)》JGJ/T 177-2009的相關(guān)要求，選取1臺(tái)CO2熱泵機(jī)組進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)。在室外環(huán)境溫度為15.2℃，相對(duì)濕度為67.3%時(shí)，CO2熱泵機(jī)組性能系數(shù)為4.1 W/W。具體結(jié)果如表4所示。

表4 CO2熱泵機(jī)組性能系數(shù)檢測(cè)結(jié)果

圖4 集熱器進(jìn)出口溫度及太陽(yáng)輻照度數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)圖（工況2）

經(jīng)評(píng)估，當(dāng)平均室外環(huán)境溫度為15℃時(shí)，根據(jù)型號(hào)為CkYRS-70IICO2熱泵熱水機(jī)組的性能曲線（如圖5）可查得機(jī)組COP約為4.2，與實(shí)際檢測(cè)的運(yùn)行效率接近，故判定CO2熱泵熱水機(jī)組性能系數(shù)基本符合要求。

圖5 CO2熱泵機(jī)組性能隨環(huán)境溫度的變化曲線

4 CO2熱泵-太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)節(jié)能效果評(píng)估

通過(guò)本系統(tǒng)的年設(shè)計(jì)熱水需求量及全年太陽(yáng)能保證率，可得輔助熱源CO2熱泵系統(tǒng)需提供的年熱水量，再根據(jù)CO2熱泵系統(tǒng)的年運(yùn)行效率，可得CO2熱泵系統(tǒng)的年電耗，即“CO2熱泵-太陽(yáng)能互補(bǔ)熱水系統(tǒng)”的年能耗。具體如表5所示。由表5可知，本系統(tǒng)的熱水系統(tǒng)年能耗為8.2萬(wàn)kWh。

表5 CO2熱泵-太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的年能耗

對(duì)于熱水系統(tǒng)，目前常規(guī)能源多以電熱和燃?xì)鉄崴鳛橹鳌榉治霰緹崴到y(tǒng)的運(yùn)行效果，評(píng)估時(shí)將此熱水系統(tǒng)與電熱熱水器和燃?xì)鉄崴鞯哪芎倪M(jìn)行了對(duì)比分析。

1）與電熱熱水器系統(tǒng)的對(duì)比分析

本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)熱負(fù)荷為2 704 212 MJ，根據(jù)現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《儲(chǔ)水式電熱水器》GB/T20289中的規(guī)定，電熱水器加熱效率最低為0.9，分析時(shí)取0.9，則全部采用電熱水器供熱時(shí)年電耗為83.5萬(wàn)kWh。本熱水系統(tǒng)與此對(duì)比，年節(jié)電量為75.2萬(wàn)kWh，節(jié)電率為90.1%，節(jié)碳量為592.6 tCO2，具體如表6所示。

表6 與電熱水器的對(duì)比分析表

2）與燃?xì)鉄崴飨到y(tǒng)的對(duì)比分析

本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)熱負(fù)荷為2 704 212 MJ，根據(jù)《可再生能源建筑應(yīng)用測(cè)試評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》DG/TJ 08-2162-2015的規(guī)定可知燃?xì)鉄崴骷訜嵝蕿?.84，則全部采用燃?xì)鉄崴鞴釙r(shí)年天然氣量為90 572 m3，折合等效電為64.7萬(wàn)kWh。本熱水系統(tǒng)與此對(duì)比，年節(jié)電量為56.5萬(wàn)kWh，節(jié)電率為87.3%，節(jié)碳量為445.2 tCO2，具體如表7所示。

5 結(jié)論

在我國(guó)雙碳目標(biāo)大背景下，建筑電氣化和可再生能源利用是建筑碳中和的主要路徑。本文以上海某學(xué)生公寓為案例，分析CO2熱泵-太陽(yáng)能互補(bǔ)熱水系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行效果，分析結(jié)果如下。

1）太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)綜合集熱系統(tǒng)效率為54.0%，全年太陽(yáng)能保證率為54.0%，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

2）本熱水系統(tǒng)與電熱熱水器系統(tǒng)進(jìn)行比較時(shí)，年節(jié)電量為75.2萬(wàn)kWh，節(jié)電率為90.1%，節(jié)碳量為592.6 tCO2；與燃?xì)鉄崴飨到y(tǒng)進(jìn)行比較時(shí)，年節(jié)電量為56.5萬(wàn)kWh，節(jié)電率為87.3%，節(jié)碳量為445.2 tCO2；CO2熱泵-太陽(yáng)能互補(bǔ)熱水系統(tǒng)節(jié)能效果可觀。

3）本熱水系統(tǒng)采用的“CO2熱泵-太陽(yáng)能”互補(bǔ)的綠色、環(huán)保、節(jié)能等技術(shù)，具有能耗低、供應(yīng)熱水溫度穩(wěn)定、控制方便等優(yōu)點(diǎn)，可在有熱水需求的項(xiàng)目中推廣應(yīng)用，有助于碳達(dá)峰和碳中和目標(biāo)實(shí)現(xiàn)。