空氣源熱泵輔助太陽能熱水系統(tǒng)效益分析

許浩天 （安徽省建筑科學(xué)研究設(shè)計院，安徽 合肥 230001）

空氣源熱泵輔助太陽能熱水系統(tǒng)效益分析

許浩天 （安徽省建筑科學(xué)研究設(shè)計院，安徽 合肥 230001）

以合肥地區(qū)某培訓(xùn)中心宿舍生活熱水工程為例，建立了空氣源熱泵輔助太陽能熱水系統(tǒng)的可視化系統(tǒng)模型，計算了該系統(tǒng)的常規(guī)能源替代量、二氧化碳減排量、二氧化硫減排量、粉塵減排量等數(shù)據(jù)，對比分析了該系統(tǒng)和其他熱水制備方案的節(jié)能效益、環(huán)保效益和經(jīng)濟效益。研究結(jié)果表明，該系統(tǒng)在對比的幾種方案中具有最優(yōu)的節(jié)能性和環(huán)保性；而該系統(tǒng)的經(jīng)濟性受貸款利率影響較大，當(dāng)貸款利率低于11.02%時，該系統(tǒng)具有最優(yōu)的經(jīng)濟性，但其經(jīng)濟性優(yōu)勢隨能源價格的上漲而更加明顯，因而在合肥地區(qū)具有很高的推廣價值。

空氣源熱泵；太陽能熱水；效益分析

本文研究的空氣源熱泵輔助太陽能熱水系統(tǒng)中，太陽能集熱單元與空氣源熱泵單元并聯(lián)，熱水供應(yīng)按全日24h供應(yīng)設(shè)計，并采用雙水箱設(shè)計。集熱水箱容量按一天用水量設(shè)計，至每天某一既定時刻之前，須將集熱水箱中的自來水加熱至所需溫度，并將既定溫度的熱水全部供至恒溫水箱供用戶取用，集熱水箱則在第二天開始加熱前補滿自來水，如此循環(huán)。系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

圖1 空氣源熱泵輔助太陽能熱水系統(tǒng)原理圖

根據(jù)天氣條件的不同，優(yōu)先使用太陽能單元進行加熱，僅在太陽輻射不能滿足制熱水要求時，才開啟空氣源熱泵進行補充。

本文研究的系統(tǒng)服務(wù)于合肥地區(qū)某培訓(xùn)中心宿舍，該宿舍樓按II類宿舍設(shè)計，設(shè)計使用人數(shù)100人，用水定額80L/(人·日)[1]，日熱水用量為8000L/d。選取的空氣源熱泵額定功率為19.6kW，太陽能集熱器面積為265.90m2。選擇《中國建筑熱環(huán)境分析專用氣象數(shù)據(jù)集》中的合肥典型氣象年的逐時數(shù)據(jù)作為本文的氣象數(shù)據(jù)[2]，并采用TRNSYS軟件建立系統(tǒng)模型（圖2）。

圖2 空氣源熱泵輔助太陽能熱水系統(tǒng)的TRNSYS模型

系統(tǒng)運行以太陽能集熱單元為主，太陽能集熱單元單獨供熱不滿足熱水水溫55℃要求時，則開啟空氣源熱泵單元。保證每日24:00水溫達到55℃的同時，為使系統(tǒng)具有較低的能耗值，故通過比較，設(shè)定每月的熱泵開啟時刻（該時刻下若水溫已達到55℃，則熱泵默認不開啟）。分別計算每月設(shè)定13:00、13:30、14:30、15: 00、15:30、16:00、16:30、17:00、17:30及18:00開啟熱泵的當(dāng)月系統(tǒng)總能耗，得出了每月的最佳開啟時刻，并計算出了該模式下的系統(tǒng)全年總能耗（表1）。

每月熱泵開啟時刻、各單元集熱量及系統(tǒng)能耗 表1

上文計算了該系統(tǒng)的全年能耗（電耗）為8587.73kWh，參考《可再生能源建筑應(yīng)用示范項目測評導(dǎo)則》，全年常規(guī)能源替代量可用如下的計算方法[3]：

式中：Qbm——系統(tǒng)的全年常規(guī)能源替代量（tce）

Qce——使用常規(guī)能源制備相同的熱水消耗的標(biāo)準(zhǔn)煤量（tce）

Qsys——系統(tǒng)的全年一次能源消耗量（2.66tce），（電力與一次能源的轉(zhuǎn)換率取0.31kgce/kWh）

式中：Qs——太陽能單元全年集熱量，484684.81MJ

Qhp——熱泵單元全年集熱量，68035.97MJ

qce——標(biāo)準(zhǔn)煤計算熱值，29309MJ/tce

ηce——標(biāo)準(zhǔn)煤計算熱效率，65%

計算得Qce=29.01tce，與Qsys一起代入式（1）中，計算得Qbm=26.35tce。即系統(tǒng)全年的常規(guī)能源替代量為26.35t標(biāo)準(zhǔn)煤。

表2給出了其他熱水制備方案采用的能源種類、能源理論熱值及熱源設(shè)備的熱效率[4]。

其他各方案的能源種類及其理論熱值和熱效率一覽表 表2

將以上各系統(tǒng)方案按前文計算得出的系統(tǒng)全年總集熱量552720.78MJ和表1給出的能源熱值和熱效率進行計算，計算結(jié)果見表2。其中電輔助太陽能熱水系統(tǒng)與本文研究的系統(tǒng)具有相同的太陽能集熱面積、集熱效率等參數(shù)。

由表3可以看出，空氣源熱泵輔助太陽能熱水系統(tǒng)在以上各系統(tǒng)方案中具有最低的能耗，全年能耗為1.06t標(biāo)準(zhǔn)煤，單位熱水能耗為0.36kgce/t，僅相當(dāng)于能耗最高的燃油鍋爐的4.49%，相當(dāng)于其他方案中能耗最低的電輔助加熱的太陽能熱水系統(tǒng)的26.57%，由此可見，在這幾種方案中，空氣源熱泵輔助太陽能熱水系統(tǒng)具有最好的節(jié)能效益。

環(huán)保效益的評價可以用二氧化碳減排量、二氧化硫減排量和粉塵減排量來體現(xiàn)，計算公式如下[3]。

①二氧化碳減排量計算公式如下：

式中：QCO2——二氧化碳減排量（t/年）

Qbm——標(biāo)準(zhǔn)煤節(jié)約量（t/年）

2.47 ——標(biāo)準(zhǔn)煤的二氧化碳排放因子，無量綱

②二氧化硫減排量計算公式如下：

式中：QSO2——二氧化硫減排量t/年）

Qbm——標(biāo)準(zhǔn)煤節(jié)約量（t/年）

0.02 ——標(biāo)準(zhǔn)煤的二氧化硫排放因子，無量綱

③粉塵減排量計算公式如下：

式中：QFC——粉塵減排量（t/年）

Qbm——標(biāo)準(zhǔn)煤節(jié)約量（t/年）

0.01 ——標(biāo)準(zhǔn)煤的粉塵排放因子，無量綱

由前文可知，本系統(tǒng)的全年常規(guī)能源替代量Qbm=26.35tce，計算得出，系統(tǒng)的二氧化碳減排量為65.08t/年，二氧化硫減排量為0.53t/年，粉塵減排量為0.26t/年，環(huán)保效益顯著。

各方案能耗計算表 表3

為了更明顯的體現(xiàn)空氣源熱泵輔助太陽能熱水系統(tǒng)的環(huán)保效益，下面計算其相對于電輔助加熱的太陽能熱水系統(tǒng)、空氣源熱泵熱水系統(tǒng)、電鍋爐、燃氣鍋爐、燃油鍋爐這幾種系統(tǒng)方案的相對減排量。需要特別說明的是，使用電力作為能源本身沒有排放，但是在使用一次能源生產(chǎn)電力的過程中會產(chǎn)生排放和污染，因此，采用電力等價折標(biāo)系數(shù)，將用電系統(tǒng)的能耗轉(zhuǎn)化為一次能源消耗量來用于減排量的計算。電力等價折標(biāo)系數(shù)取0.31kWh/kgce。表4中給出了各系統(tǒng)方案的全年一次能源消耗量，并計算了其消耗量和空氣源熱泵輔助太陽能熱水系統(tǒng)消耗量的差值。

各方案全年一次能源消耗量及與太陽能+空氣源熱泵方案的差值 表4

根據(jù)表4中各系統(tǒng)方案的全年一次能源消耗量和空氣源熱泵輔助太陽能熱水系統(tǒng)消耗量的差值，按照公式（3）、（4）、（5）的方法，可以計算空氣源熱泵輔助太陽能熱水系統(tǒng)相對于其他各系統(tǒng)方案的二氧化碳減排量、二氧化硫減排量和粉塵減排量。計算結(jié)果如表5所示。

由表5可以看出，對于以上各種制備熱水的系統(tǒng)方案，在能源生產(chǎn)及能源使用的全過程中，空氣源熱泵輔助太陽能熱水系統(tǒng)相對于排放最高的電鍋爐能夠?qū)崿F(xiàn)二氧化碳減排124.05t/年，二氧化硫減排1.00t/年，粉塵減排0.50t/年；相對于排放最低的電輔助加熱太陽能熱水系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)二氧化碳減排18.18t/年，二氧化硫減排0.15t/年，粉塵減排0.07t/年。由此可見，空氣源熱泵輔助太陽能熱水系統(tǒng)在減少污染物排放方面優(yōu)勢明顯，環(huán)保效益顯著。

空氣源熱泵輔助太陽能熱水系統(tǒng)相對于其他方案的污染物減排量 表5

對空氣源熱泵輔助太陽能熱水系統(tǒng)的經(jīng)濟效益研究分析采用動態(tài)費用年值法。在動態(tài)費用年值法中，年計算費用的計算公式如下：

式中：Zd——動態(tài)計算方法下的年計算費用（萬元）

Cd——年經(jīng)營成本（萬元）

Pd——初投資費用（萬元）

n——設(shè)備使用壽命年限（年）

i——貸款利率或采用部門的標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)部收益率（%）

公式（6）中，年經(jīng)營成本Cd包括購買能源的費用、設(shè)備維護管理的費用（按固定資產(chǎn)投資總額的2%計算）、設(shè)備折舊費等。

折舊費計算公式：

式中：df——折舊費（萬元）

Pf——固定資產(chǎn)投資（萬元）

σ——預(yù)計凈殘值率，取4%[49]

n——設(shè)備使用壽命年限（年）

初投資費用Pd包括購置設(shè)備的費用（按廠商指導(dǎo)價計算，不含末端設(shè)備）、土建及安裝施工費用等。貸款利率i暫取8%，能源單價按照當(dāng)?shù)貎r格進行計算。各系統(tǒng)方案的動態(tài)費用年值計算結(jié)果如表6所示。

可以看出，當(dāng)貸款利率為8%時，在以上各系統(tǒng)方案中，空氣源熱泵輔助太陽能熱水系統(tǒng)的動態(tài)費用年值最低，為5.03萬元，具有最好的經(jīng)濟性；其次是空氣源熱泵，其動態(tài)費用年值僅比空氣源熱泵輔助太陽能熱水系統(tǒng)高出8.2%，也具有良好的經(jīng)濟性。

動態(tài)費用年值是年經(jīng)營成本和初投資折算年值之和。年經(jīng)營成本受能源價格的影響較大，而初投資折算年值受貸款利率的影響較大。

4.2.1 能源價格的影響

由表6可以看出，空氣源熱泵輔助太陽能熱水系統(tǒng)具有最經(jīng)濟的年經(jīng)營成本，因此隨著能源價格呈不斷上漲的趨勢，空氣源熱泵輔助太陽能熱水系統(tǒng)的經(jīng)濟性優(yōu)勢會越來越明顯。

各方案動態(tài)費用年值計算表 表6

4.2.2 貸款利率的影響

空氣源熱泵輔助太陽能熱水系統(tǒng)雖然動態(tài)費用年值最低，也具有最低的年經(jīng)營成本，但其初投資折算年值最高，且占其動態(tài)費用年值的比例也為最高，達到55.2%，因此該系統(tǒng)的經(jīng)濟性受貸款利率的影響較大。

首先研究在貸款利率由5%～12%變化時，各方案的動態(tài)費用年值變化情況，貸款利率取每隔1%進行計算，將計算結(jié)果繪制成折線圖，如圖3所示。

圖3 貸款利率變化對各方案動態(tài)費用年值的影響

可以看出，貸款利率由5%增長到12%時，初投資費用最高的空氣源熱泵輔助太陽能熱水系統(tǒng)的動態(tài)費用年值增加非常明顯，而當(dāng)貸款利率達到12%時，其動態(tài)費用年值已經(jīng)超過空氣源熱泵。使用EES方程求解器軟件，進一步求解使二者動態(tài)費用年值相等的貸款利率值，如下：

解得i=11.02%，Z1=Z2=5.559。即貸款利率小于11.02%時，空氣源熱泵輔助太陽能熱水系統(tǒng)的動態(tài)費用年值小于空氣源熱泵系統(tǒng)，具有最優(yōu)的經(jīng)濟性；而貸款利率大于11.02%時，空氣源熱泵具有最優(yōu)的經(jīng)濟性。

本文研究分析了空氣源熱泵輔助太陽能熱水系統(tǒng)的節(jié)能效益、環(huán)保效益及經(jīng)濟效益。以合肥地區(qū)某培訓(xùn)中心宿舍為服務(wù)對象考慮，計算了該系統(tǒng)的全年常規(guī)能源替代量為26.35t標(biāo)準(zhǔn)煤，由此而帶來的二氧化碳減排量為65.08t/年，二氧化硫減排量為0.53t/年，粉塵減排量為0.26t/年，節(jié)能與環(huán)保效益顯著。同時，將該系統(tǒng)與空氣源熱泵熱水系統(tǒng)、電輔助加熱的太陽能熱水系統(tǒng)、電鍋爐、燃氣鍋爐、燃油鍋爐這幾種常見的熱水制備方案進行了對比。對比結(jié)果表明，空氣源熱泵輔助太陽能熱水系統(tǒng)的能耗及排放水平明顯低于其他系統(tǒng)方案，節(jié)能和環(huán)保方面優(yōu)勢明顯。并基于動態(tài)費用年值法分析了這幾種熱水制備方案的經(jīng)濟性，分析結(jié)果表明，以當(dāng)前的能源價格計算，在貸款利率低于11.02%的前提下，空氣源熱泵輔助太陽能熱水系統(tǒng)具有最優(yōu)的經(jīng)濟性；而在能源價格不斷上漲的趨勢下，相對于其他系統(tǒng)方案，空氣源熱泵輔助太陽能熱水系統(tǒng)的經(jīng)濟性優(yōu)勢也會越來越明顯。

[1]GB50015-2003，建筑給水排水設(shè)計規(guī)范[S].

[2]中國氣象局氣象信息中心氣象資料室,清華大學(xué)建筑技術(shù)科學(xué)系.中國建筑熱環(huán)境分析專用氣象數(shù)據(jù)集[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社,2005.

[3]中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部，中國建筑科學(xué)研究院.可再生能源建筑應(yīng)用示范項目測評導(dǎo)則[E].

[4] 于國清，李玉潔.家用太陽能熱水系統(tǒng)的節(jié)能與環(huán)境效益分析[J].節(jié)能技術(shù)，2007，25(3)：211-226．

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1007-7359（2016）05-0078-04

10.16330/j.cnki.1007-7359.2016.05.020

許浩天（1989-），男，安徽合肥人，畢業(yè)于合肥工業(yè)大學(xué)，碩士。