北方高校學(xué)生浴池?zé)崴?yīng)方式運(yùn)行經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較分析

程勃?jiǎng)像R帥

(吉林建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院，長春130118)

摘要：太陽能-空氣源熱泵熱水系統(tǒng)在我國南方地區(qū)得到廣泛應(yīng)用，而在北方寒冷地區(qū)運(yùn)用得較少，并且熱泵機(jī)組在冬季運(yùn)行存在困難.因此，需要對太陽能熱水系統(tǒng)與傳統(tǒng)熱水系統(tǒng)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較分析.本文通過對不同熱源的熱水系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)分析與計(jì)算，建立數(shù)學(xué)模型,模擬計(jì)算加熱100t水的全年運(yùn)行工況.在未考慮初投資的前提下對比其在長春地區(qū)的年運(yùn)行總成本與節(jié)能效果，結(jié)果表明太陽能-空氣源熱泵+冬季外購熱水系統(tǒng)在我國北方寒冷地區(qū)使用要比傳統(tǒng)熱水制備方式更符合國家發(fā)展要求.

關(guān)鍵詞：太陽能空氣源熱泵；熱水系統(tǒng)；太陽輻射強(qiáng)度；耗電量；成本費(fèi)用

收稿日期：2015-01-05.

作者簡介：程勃(1989～)，男，吉林省長春市人，在讀碩士研究生.

中圖分類號：TK 519文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Comparison Analysis of the Students Bath Hot Water Supply Running

Economic and Technical

CHENG Bo，LIU Ye，MA Shuai

(SchoolofMunicipalandEnvironmentalEngineering，JilinJianzhuUniversity，Changchun，China130118)

Abstract：Solar energy - air source heat pump hot water system has been in wide range of applications in southern China, but in the northern cold regions use less, and the existence of difficulties in the winter heat pump operation. So we need to compare analysis with solar water heating systems and hot water systems of traditional economic comparative analysis techniques. In this paper, based on the different heat source analysis and calculation of hot water system, set up mathematical model to simulate calculating the operation of annual that 100 tons of water heating . On the premise of not considering initial investment, analysis difference system in Changchun area cost and energy savings, the results show that solar energy - air source heat pump hot water system with buy hot water in winter are more in line with the national development requirements than other hot water system of traditional.

Keywords:solar energy-air source pump；hot water system；solar radiation intensity；power consumption；operating costs

目前我國制備生活熱水的方法主要有：專設(shè)燃煤熱水鍋爐；利用燃油(氣)鍋爐；太陽能熱水系統(tǒng)；電熱水器等[1].傳統(tǒng)燃燒式熱水鍋爐在北方應(yīng)用極其廣泛，但化石能源作為不可再生能源的同時(shí)，由于技術(shù)的有限，使得燃燒化石能源的過程其熱值不能得到充分的利用，不完全燃燒導(dǎo)致碳排放量增大，對環(huán)境污染嚴(yán)重，電熱水鍋爐在能耗上過大.隨著上世紀(jì)能源危機(jī)的到來，世界能源的發(fā)展進(jìn)入了多元化時(shí)代，太陽能-熱泵作為新型可再生能源其熱水系統(tǒng)與傳統(tǒng)熱水系統(tǒng)相比具有綠色節(jié)能低碳環(huán)保的特點(diǎn)[2].由于北方地區(qū)冬季寒冷，太陽能熱水系統(tǒng)并未形成大規(guī)模應(yīng)用，再加上學(xué)校寒暑假期出現(xiàn)熱水供應(yīng)間歇期，考慮分析對比利用不同熱源的熱水供應(yīng)系統(tǒng)其全年運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性與節(jié)能特點(diǎn).

1工程概況

已建成校學(xué)生熱水浴池位于我國東北地區(qū)，緯度43°53′[1].每天洗浴所需熱水量100t，洗浴設(shè)計(jì)出水溫度45℃[2].目前學(xué)校洗浴熱水的供應(yīng)來源主要是購買熱電廠的熱水，夏季購買熱水溫度可達(dá)85℃，冬季購買熱水溫度75℃.冬季冷水溫度為5℃，夏季冷水溫度為22℃[3].學(xué)校原有蓄熱水箱24m3，2.2KW箱間循環(huán)泵兩臺；混合供熱水箱36m3，7.2kw供水離心泵兩臺，運(yùn)行期間只啟用一臺，水泵運(yùn)行時(shí)間按學(xué)生浴池運(yùn)營時(shí)間提前2h計(jì)算.學(xué)生浴池全年運(yùn)營天數(shù)≤366d，減去寒暑假期84d、法定假日19d、每周一休息按40周計(jì)40d，運(yùn)營總天數(shù)按223d計(jì)，冬季運(yùn)營93天，每天12：30點(diǎn)至19：30點(diǎn)營業(yè)(7h)，春夏秋季運(yùn)營130d，每天13：30點(diǎn)至20：30營業(yè)(7h)，根據(jù)熱水加熱熱源的不同，對系統(tǒng)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性對比與可行性分析.

2熱水供應(yīng)方案及經(jīng)濟(jì)性分析

方案一：全年采用外購熱電廠熱水，夏季水溫85℃，冬季水溫75℃(考慮運(yùn)輸過程熱量散失)；

方案二：太陽能+空氣源熱泵+冬季外購熱電廠熱水(冬季外購水溫75℃)[4]；

方案三：全年采用電加熱方式為系統(tǒng)提供熱量(電加熱器功率300kw)；

方案四：全年用燃?xì)忮仩t加熱熱水.

2.1學(xué)校購買熱水方式運(yùn)行費(fèi)用分析

目前學(xué)校全年購買熱水方式運(yùn)行費(fèi)用分析：

式中：CW為水的定壓比熱容，kJ/(kg·℃)，一般選用4.2kJ/(kg·℃)；th為混合熱水終了溫度,45℃[3]；tl為冷水溫度夏季水溫22℃，冬季水溫5℃[3]；tr為購買熱水溫度夏季水溫85℃，冬季水溫75℃；Mr為購買熱水量，kg；Ml為所需冷水量，kg；ρω為混合后45℃熱水密度993kg/m3，本文近似取值1000kg/m3.

式中：Fg為全年依靠外購熱電廠熱水運(yùn)行學(xué)生浴池洗浴所需費(fèi)用，元；Fr為熱水費(fèi)用，32元/t；Fl為冷水費(fèi)用，4.5元/t；xd為電價(jià)，0.55元/kw·h；Psp為水泵運(yùn)行功率，kw；Tsp為水泵運(yùn)行時(shí)間，h.學(xué)生浴池現(xiàn)有熱水系統(tǒng)運(yùn)行情況見表1.

表1　學(xué)生浴池現(xiàn)有熱水系統(tǒng)運(yùn)行情況

2.2傳統(tǒng)加熱水系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性分析

2.2.1電加熱水系統(tǒng)

式中：Fd為全年依靠電加熱設(shè)備加熱熱水供給學(xué)生浴池所需費(fèi)用，元；Tdj為電加熱器運(yùn)行時(shí)數(shù)，冬季20h，春夏秋季12h；Pdj為電加熱器功率，300kw；n為運(yùn)行天數(shù)，d.電加熱器熱水系統(tǒng)運(yùn)行情況見表2.

表2　電加熱器熱水系統(tǒng)運(yùn)行情況

2.2.2燃?xì)忮仩t加熱水系統(tǒng)

式中：FT為全年用燃?xì)忮仩t熱水系統(tǒng)供給學(xué)生浴池?zé)崴栀M(fèi)用；V為燃用天然氣量，m3/年；xt為天然氣價(jià)格，3.33元/Nm3；xr為人工費(fèi)，80元/天.

設(shè)1t燃?xì)鉅t1h耗氣量為Vh標(biāo)準(zhǔn)立方米則[5]：

式中：VD為日均消耗的燃?xì)饬?，Nm3/天；經(jīng)計(jì)算天然氣總耗量89795Nm3，所需費(fèi)用299017.35元.

根據(jù)式(5)，(6)，(7)計(jì)算出燃?xì)忮仩t熱水系統(tǒng)年運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性情況，如表3所示.

表3　燃?xì)忮仩t熱水系統(tǒng)運(yùn)行情況

注：選用1t/h的燃?xì)鉄崴仩t，相當(dāng)于600000Kcal的熱量，相當(dāng)于(600×1.163×3600)2512080=kJ

2.3太陽能—熱泵系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性分析

太陽能集熱器集熱量計(jì)算[1,6-7]：

式中：Q為太陽能集熱器全年日均集熱量，kJ；AC為太陽能集熱器采光面積，1500m2；JT為太陽能集熱器采光面上的年平均日太陽輻照量，取長春地區(qū)緯度傾角平面日太陽輻照度為16127kJ/m2[1,6]；ηcd為太陽能集熱器年平均集熱效率，按實(shí)際測試結(jié)果選取50%[1]；ηL為儲熱水箱和管道的熱損失率，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取值宜為20%[1].

式中：Qal為冬季采暖季節(jié)日均太陽能集熱量，kJ[4]；JTl為冬季采暖季節(jié)當(dāng)?shù)鼐暥葍A角平面平均日照輻射量，取十二月平均日照輻射量13116kJ/(m2·d).

通過(8)式計(jì)算的太陽能集熱器日均集熱量9676200kJ，春夏秋季節(jié)將100000kg冷水自22℃加熱至45℃，通過(1)式計(jì)算可知所需耗熱量為9660000kJ，在太陽輻照度充足的情況下完全依靠太陽能集熱量即可滿足熱水供應(yīng)的需求.冬季冷水溫度5℃左右，十二月平均日輻射量為13116kJ/(m2·d)，經(jīng)(9)式[1]計(jì)算冬季太陽能集熱量為7869600kJ，結(jié)合(1)式計(jì)算冬季加熱等量的水至45℃所需耗熱量為16800000kJ，太陽能集熱器集熱量最多將水溫加熱到24℃.由于冬季室外溫度過低，太陽能儲熱水箱和管道熱損失較大，再加上太陽輻照強(qiáng)度與輻照時(shí)間降低，單單依靠太陽能集熱器的集熱量無法滿足系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求[8].

式中：F為機(jī)組運(yùn)行費(fèi)用，元[9]；P為設(shè)備功率，90.6kW；n為運(yùn)行天數(shù)，d；Trp為熱泵機(jī)組運(yùn)行的時(shí)數(shù)，12h；φ為負(fù)荷百分?jǐn)?shù)，% 取1；Ψ為時(shí)間百分?jǐn)?shù)，% 取1.冬季外購熱水輔助太陽能熱水系統(tǒng)運(yùn)行情況見表4.

表4　冬季外購熱水輔助太陽能熱水系統(tǒng)運(yùn)行情況

注：冬季外購熱水量需考慮太陽能集熱量，冬季運(yùn)行93d，其中38d購熱水量41t；55d購熱水量57t.

4種不同熱源的熱水系統(tǒng)的節(jié)能效果與經(jīng)濟(jì)性如圖1，圖2所示.

圖14　種不同熱源的熱水系統(tǒng)節(jié)能效果分析

圖24　種不同熱源的熱水系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性分析

由圖1和圖2可知，全年購買熱水的耗電量是最低的，但其價(jià)格并不是最經(jīng)濟(jì)的.經(jīng)對比，太陽能+空氣源熱泵熱水系統(tǒng)(冬季購買熱水)的經(jīng)濟(jì)性尤為突出.

3結(jié)論

對比現(xiàn)有的熱水系統(tǒng)，太陽能-熱泵熱水系統(tǒng)年運(yùn)行總耗電量160293.6kWh,總費(fèi)用31.76萬元，每年節(jié)省約7萬元，相當(dāng)于節(jié)約天然氣89795Nm3.相比之下，太陽能-熱泵熱水系統(tǒng)在運(yùn)行期間其經(jīng)濟(jì)節(jié)能性十分優(yōu)越，為其在北方寒冷地區(qū)使用提供依據(jù).

參考文獻(xiàn)

[1]鄭瑞澄.太陽能供熱采暖工程技術(shù)規(guī)范(GB50495-2009)[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2009.

[2]Yu Wang,Yuwen You,Zhigang Zhang. Heating Performance Investigations on Two Applications of a Solar Assisted Air Source Heat Pump System[C].創(chuàng)新、安全與可持續(xù)發(fā)展——2011中國(西安)國際建筑科技大會論文集(卷Ⅱ：建筑、環(huán)境卷). 2011(2):489-492.

[3]張淼,劉振印,馮旭東.建筑給水排水設(shè)計(jì)規(guī)范(GB50015-2003)[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2003.

[4]劉雨曦.空氣源熱泵輔助太陽能熱水系統(tǒng)在夏熱冬冷地區(qū)的運(yùn)行模擬和應(yīng)用研究[D].重慶:重慶大學(xué),2011.

[5]張文勝,張樹林,蒙劍瓊,惠世恩.中小型燃?xì)忮仩t熱效率估算[J].西安:工業(yè)鍋爐,2005(1):20-22.

[6]鄭瑞澄,路賓,李忠.太陽能供熱采暖工程應(yīng)用技術(shù)手冊[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2012:76-93.

[7]張樹君,于曉明,何梓年.民用建筑太陽能熱水系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)規(guī)范GB50364-2005[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2006.

[8]高秀明,王春敏,王強(qiáng).平板太陽能空氣源熱泵復(fù)合熱水系統(tǒng)應(yīng)用研究[C].中國制冷學(xué)會2009年學(xué)術(shù)年會論文集,2009:1380-1383.

[9]張燕鵬,王景剛,李注江.太陽能-水源熱泵系統(tǒng)在制備洗浴熱水中的應(yīng)用[J].節(jié)能,2014(2):64-66.