，

(1.上海海洋大學(xué) 食品學(xué)院，上海201306；2.上海海洋大學(xué) 節(jié)能與環(huán)保辦公室，上海 201306)

高校學(xué)生公寓太陽(yáng)能供熱水系統(tǒng)改造及節(jié)能分析

余克志1，俞淵2

(1.上海海洋大學(xué) 食品學(xué)院，上海201306；2.上海海洋大學(xué) 節(jié)能與環(huán)保辦公室，上海 201306)

本文詳細(xì)說(shuō)明了上海海洋大學(xué)新校區(qū)大學(xué)生生活區(qū)太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)改造工程。首先分析了原熱水系統(tǒng)的運(yùn)行原理和缺陷，提出原熱水系統(tǒng)的基礎(chǔ)上添加空氣源熱泵機(jī)組，形成新的熱水系統(tǒng)，并對(duì)熱泵機(jī)組進(jìn)行了選型計(jì)算。最后通過(guò)熱水系統(tǒng)改造前后的水、電和天然氣的實(shí)測(cè)消耗量分析了其綜合能耗和運(yùn)行費(fèi)用。分析結(jié)果表明，改造后熱水系統(tǒng)的綜合能耗減少約21.72%，運(yùn)行費(fèi)用減少約23.63%。說(shuō)明熱水系統(tǒng)的改造是成功的。

高校；太陽(yáng)能；熱水；節(jié)能；空氣源熱泵

0 前言

上海海洋大學(xué)學(xué)生公寓太陽(yáng)能中央熱水系統(tǒng)為目前全國(guó)最大的太陽(yáng)能建筑一體化工程?？偧療崞髅娣e為6 472 m2。系統(tǒng)日產(chǎn)熱水量為845 t，可同時(shí)滿足32棟宿舍樓的近16 000人的每日熱水需求。據(jù)不完全測(cè)算，每年可節(jié)能40%～56%，對(duì)校區(qū)所在的臨港新城低碳功能區(qū)的建設(shè)起到良好的示范作用[1]。

然而太陽(yáng)能系統(tǒng)也存在一些缺點(diǎn)：太陽(yáng)能集熱器的工作受氣候條件和晝夜變化影響太大，當(dāng)天氣條件不利(如光照不足、夜間等情況)或者屋面可放置集熱器面積有限時(shí)，只能依靠輔助熱源進(jìn)行加熱[2]。

空氣源熱泵熱水機(jī)組與太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)相比，最大優(yōu)勢(shì)在于只要室外環(huán)境溫度在機(jī)組運(yùn)行范圍內(nèi)(-10～50℃)就可以全天候直供熱水，彌補(bǔ)了太陽(yáng)能系統(tǒng)本身存在的缺陷；同時(shí)在相同條件下，機(jī)組占地面積遠(yuǎn)小于太陽(yáng)能集熱板的占地面積。將太陽(yáng)能和熱泵兩者結(jié)合起來(lái),揚(yáng)長(zhǎng)補(bǔ)短，優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，既達(dá)到節(jié)能減排、又能保證全年全日連續(xù)供熱，是近年來(lái)中央熱水系統(tǒng)熱源設(shè)備發(fā)展的新動(dòng)向[3-6]。近年來(lái)，太陽(yáng)能與空氣源熱泵結(jié)合的熱水系統(tǒng)在辦公樓[3]、醫(yī)院[7]、產(chǎn)業(yè)中心[8]、公寓[9]中均得到廣泛的應(yīng)用。許多研究者還從理論上對(duì)太陽(yáng)能空氣源熱泵的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、優(yōu)化設(shè)計(jì)等作了深入的研究，為太陽(yáng)能與空氣源熱泵的實(shí)際工程設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)[10-14]。

借鑒其他研究者理論和實(shí)踐的經(jīng)驗(yàn)，上海海洋大學(xué)對(duì)原部分熱水系統(tǒng)實(shí)施改造，添加了太陽(yáng)能的輔助熱能——空氣源熱泵熱水機(jī)組。考慮到上海地區(qū)冬季可能出現(xiàn)的極端冷天氣，太陽(yáng)能和空氣源熱泵均存在制熱能力的不足，保留了燃?xì)鉄崴仩t作為備用輔助熱源，形成了太陽(yáng)能、空氣源熱泵和燃?xì)忮仩t的聯(lián)合供熱水系統(tǒng)。

1 原太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)及其存在的問(wèn)題

1.1 原太陽(yáng)能系統(tǒng)簡(jiǎn)介

圖1 太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的工作原理圖

原來(lái)的太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的工作原理如圖1所示。其工作原理如下：

首先在夜間通過(guò)水池9給太陽(yáng)能儲(chǔ)熱水箱1加滿冷水，整個(gè)儲(chǔ)熱水箱的容積根據(jù)終端用戶的用水量確定。其次在某一固定時(shí)刻(如上午9：00)開(kāi)始給太陽(yáng)能儲(chǔ)熱水箱1里的冷水加熱。其加熱控制方法是：在集熱器陣4和太陽(yáng)能儲(chǔ)熱水箱1里面各設(shè)置一個(gè)感溫器，當(dāng)集熱器陣4的溫度高于太陽(yáng)能儲(chǔ)熱水箱1時(shí)即開(kāi)啟太陽(yáng)能循環(huán)泵6使太陽(yáng)能儲(chǔ)熱水箱1的水不斷加熱，否則即關(guān)閉太陽(yáng)能循環(huán)泵6。最后當(dāng)終端用戶11開(kāi)始用水前30 min，判斷太陽(yáng)能儲(chǔ)熱水箱1的水溫是否達(dá)到某一設(shè)定值(如60℃)，如未達(dá)到設(shè)定值即開(kāi)啟循環(huán)加熱泵13，通過(guò)輔助加熱設(shè)備14給熱水加熱到設(shè)定值，供給終端用戶11。

1.2 原系統(tǒng)的能耗分析

原系統(tǒng)經(jīng)過(guò)運(yùn)行，取得了一定的節(jié)能效果[1]。但是，在運(yùn)行兩年后，發(fā)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的能耗較高。表1統(tǒng)計(jì)了學(xué)生宿舍A085-A087原太陽(yáng)能系統(tǒng)的水和天然氣消耗量。

表1 學(xué)生宿舍A085-A087原太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的水和天然氣消耗

從表1可以看到，原太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的天然氣消耗是較高的。具體有如下的規(guī)律:

(1)按月份分析。冬季的11月～次年的3月份，其天然氣的消耗量最高。這是由于冬季太陽(yáng)能輻射較弱，集熱器的效果欠佳，且室外氣溫低，水初溫較低，熱負(fù)荷增大引起的；夏季的7～8月份，太陽(yáng)能充足，且由于暑假，在校學(xué)生較少，天然氣的消耗量比較少。

(2)按年度分析。2009年每加熱1 t的水需消耗4.5 m3的天然氣，但2010年則需要約6.3 m3的天然氣。不考慮其他因素的話，隨著使用時(shí)間的增加，太陽(yáng)能集熱器的集熱效率在下降，導(dǎo)致加熱單位自來(lái)水所消耗的天然氣量增加。

2 空氣源熱泵系統(tǒng)改造

2.1 系統(tǒng)原理

既然太陽(yáng)能熱水和燃?xì)忮仩t系統(tǒng)的天然氣消耗較高，我們考慮對(duì)其進(jìn)行改造。考慮到空氣源熱泵的能耗較低，將其添加到原太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)中，構(gòu)成太陽(yáng)能、空氣源熱泵和燃?xì)忮仩t的聯(lián)合供熱水系統(tǒng)，其原理如圖2所示。

從圖2可知，新的太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)中，增加了恒溫水箱6。太陽(yáng)能集熱器加熱的水儲(chǔ)存在蓄熱水箱2內(nèi)，如果達(dá)到指定的溫度，可以經(jīng)過(guò)恒溫水箱6送到用戶。如果達(dá)不到指定的溫度，則開(kāi)啟空氣源熱泵5?？諝庠礋岜?由壓縮機(jī)10、冷凝器7、節(jié)流閥8和蒸發(fā)器9組成，其中熱水的加熱在冷凝器7中完成。如果還達(dá)不到指定的溫度，則開(kāi)啟鍋爐水泵11和燃?xì)忮仩t12，由燃?xì)忮仩t完成加熱熱水“最后的接力棒”。

圖2 太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)改造的工作原理圖

2.2 熱泵機(jī)組選型

熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是熱泵機(jī)組的選型。實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，可認(rèn)為空氣源熱泵機(jī)組的制熱量能替代燃?xì)忮仩t的提供熱量的一個(gè)百分比(替代率)，即

Q·T=f·Vqη

(1)

式中Q——熱泵制熱功率/kW;

T——熱泵每天運(yùn)行時(shí)間/s,實(shí)際熱泵運(yùn)行時(shí)間取為3 600 s;

f——替代率,替代率過(guò)小，空氣源熱泵的節(jié)能特點(diǎn)不能發(fā)揮；替代率過(guò)大，空氣源熱泵的能耗過(guò)大，在夏季會(huì)造成不必要的浪費(fèi),實(shí)際設(shè)計(jì)中取為80%;

V——天然氣消耗量/m3,按照表1的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，實(shí)際每天消耗的天然氣為91.39 m3;

q——天然氣的燃燒值/kJ·m-3，按照《綜合能耗計(jì)算通則》[15]的計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)，天然氣熱值為35 544 kJ/ m3;

η——燃?xì)忮仩t的效率，取為85%。

按照方程(1)，可得到

Q=fVqη/T=0.8×91.39×35544×0.85/(10×3600)=61.36kW

(2)

實(shí)際運(yùn)行時(shí)配置了兩臺(tái)KFXRS-34II空氣源熱泵機(jī)組(見(jiàn)表2)，總額定制冷功率為68 kW，滿足要求。

值得注意的是，這里的68 kW是名義制熱功率。在冬季氣候下，空氣源熱泵的制熱功率會(huì)大幅下降。按照方程(1)，這時(shí)可以通過(guò)提高熱泵運(yùn)行時(shí)間T來(lái)保證熱泵的制熱量，或者減少替代率f(即增加燃?xì)忮仩t的運(yùn)行時(shí)間)來(lái)平衡熱水系統(tǒng)的總需求熱量。

表2 空氣源熱泵機(jī)組技術(shù)參數(shù)表

3 技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

表3 學(xué)生宿舍A085-A087改造后太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的水、電和天然氣消耗

改造后的太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的水、電和天然氣消耗如表3所示。從表3可以看出，與改造前的2010年(表1)對(duì)比分析，在全年耗水量有所增加(由2010年的5 685 t增加到2011年的6 639 t)的條件下，改造后的天然氣的消耗量為5 795 m3，比改造前的35 762 m3減少83.8%，可見(jiàn)燃?xì)忮仩t的使用時(shí)間大大下降。特別是5～11月，7個(gè)月時(shí)間幾乎實(shí)現(xiàn)天然氣零消耗。當(dāng)然，在天然氣消耗急劇減少的情況下，空氣源熱泵的使用時(shí)間增加，導(dǎo)致耗電量達(dá)到81 120 kW·h。

3.1 節(jié)能分析

圖3 熱水系統(tǒng)改造前后綜合能耗對(duì)比圖

按照表3的分析，熱水系統(tǒng)改造后，天然氣的消耗減少了，但是電耗增加了，總的能耗可以按照《綜合能耗計(jì)算通則》[15]的計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)，1 t水可折算0.085 7 kgce(千克標(biāo)準(zhǔn)煤)，1 m3天然氣可折算1.214 3 kgce。而據(jù)國(guó)家能源局公布的火電發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗，系統(tǒng)改造后的2011年1 kW·h電可折算0.33 kgce。根據(jù)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算匯總，得到改造前后系統(tǒng)綜合能耗對(duì)比圖，如圖3所示。

從圖3可以看出，除了冬季的12月和1月，和夏季的7月和8月外，其余8個(gè)月系統(tǒng)改造后綜合能耗都下降了夏季的7～8月份，太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)基本能夠滿足熱水負(fù)荷的要求，空氣源熱泵系統(tǒng)反而增加了少許的能耗；而冬季的12～1月份，室外溫度較低，空氣源熱泵系統(tǒng)的制熱效率下降，仍然需要通過(guò)燃?xì)忮仩t來(lái)補(bǔ)充熱量，空氣源熱泵的節(jié)能效果無(wú)法體現(xiàn)。由此可見(jiàn)，一年中的春秋季節(jié)使用空氣源熱泵系統(tǒng)是最合適的。

從圖3還可以看出，系統(tǒng)改造前后綜合能耗由改造前的43 913 kgce下降到改造后的34 375 kgce，綜合能耗減少約21.72%?？梢?jiàn)系統(tǒng)改造后的節(jié)能效果十分明顯。

3.2 經(jīng)濟(jì)分析

可以按照綜合能耗的算法分析熱水系統(tǒng)改造的運(yùn)行費(fèi)用差異。按照國(guó)家的收費(fèi)政策，1 t水需花費(fèi)3.68元，1 m3天然氣需花費(fèi)2.7元，1 kW·h電需花費(fèi)0.612元(2011年價(jià)格)。根據(jù)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算匯總，得到改造前后系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用對(duì)比圖，如圖4所示。

從圖4可以看出，系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用的對(duì)比結(jié)果與綜合能耗的對(duì)比結(jié)果類似，一年中的春秋季節(jié)，運(yùn)行費(fèi)用下降幅度很大；但冬季和夏季的運(yùn)行費(fèi)用有所上升?？傮w而言，系統(tǒng)改造前后運(yùn)行費(fèi)用由改造前的117 178元下降到改造后的89 723元，運(yùn)行費(fèi)用減少約23.63%，節(jié)約費(fèi)用約27 000元左右。考慮到整個(gè)熱水系統(tǒng)改造費(fèi)用約為10萬(wàn)元，大約4年即可收回成本了?？梢?jiàn)熱水系統(tǒng)改造的經(jīng)濟(jì)效益十分可觀。

圖4 熱水系統(tǒng)改造前后運(yùn)行費(fèi)用對(duì)比圖

4 結(jié)語(yǔ)

上海海洋大學(xué)新校區(qū)學(xué)生生活區(qū)太陽(yáng)能中央熱水系統(tǒng)為目前全國(guó)最大的太陽(yáng)能建筑一體化工程。2010年，在原有的太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，選取A085-A087進(jìn)行試點(diǎn)改造，形成太陽(yáng)能、空氣源熱泵和燃?xì)忮仩t三種能源聯(lián)合供熱水系統(tǒng)。經(jīng)過(guò)一年的運(yùn)行測(cè)試，改造后的系統(tǒng)綜合能耗下降了21.72%，運(yùn)行費(fèi)用下降了23.63%。初步估算，運(yùn)行4年即可收回改造成本。目前，學(xué)校已將該試點(diǎn)推廣到全校所有學(xué)生公寓。本案例對(duì)其他高校學(xué)生公寓的熱水系統(tǒng)的建設(shè)和改造具有示范意義。

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TheInnovationandEnergy-savingAnalysisofSolarWaterHeatingSysteminStudentsLivingCommunity

YU Ke-zhi1,YU Yuan2

(1.College of Food Science and Technology, Shanghai Ocean University, Shanghai 201306, China;2.Office of Energy-saving and Environmental Protection, Shanghai Ocean University,Shanghai 201306,China)

The innovation of solar water heating system of students living community in Shanghai Ocean University is illustrated in this paper. Firstly, the operation principle and defects of the original hot water system are analyzed. Secondly, a new hot water system including air source heat pump is established and heat pump units selection is performed. Finally, the comprehensive energy consumption and operating cost of innovation system is compared to those of original system. The results show that the comprehensive energy consumption is reduced by about 21.72% and operating costs decreased by approximately 23.63%, which means the reconstruction of the hot water system is successful.

university; solar energy; hot water; energy saving; air source heat pump

2013-05-08修訂稿日期2013-06-29

上海市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)“創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃”科研項(xiàng)目(09dz1202400)

余克志(1971～)，男，博士，副教授，從事制冷空調(diào)、太陽(yáng)能系統(tǒng)的仿真與優(yōu)化研究。

TK519

A

1002-6339 (2014) 01-0087-05