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

高校學生公寓太陽能供熱水系統(tǒng)改造及節(jié)能分析

余克志1，俞淵2

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

本文詳細說明了上海海洋大學新校區(qū)大學生生活區(qū)太陽能熱水系統(tǒng)改造工程。首先分析了原熱水系統(tǒng)的運行原理和缺陷，提出原熱水系統(tǒng)的基礎上添加空氣源熱泵機組，形成新的熱水系統(tǒng)，并對熱泵機組進行了選型計算。最后通過熱水系統(tǒng)改造前后的水、電和天然氣的實測消耗量分析了其綜合能耗和運行費用。分析結果表明，改造后熱水系統(tǒng)的綜合能耗減少約21.72%，運行費用減少約23.63%。說明熱水系統(tǒng)的改造是成功的。

高校；太陽能；熱水；節(jié)能；空氣源熱泵

0 前言

上海海洋大學學生公寓太陽能中央熱水系統(tǒng)為目前全國最大的太陽能建筑一體化工程?？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)不完全測算，每年可節(jié)能40%～56%，對校區(qū)所在的臨港新城低碳功能區(qū)的建設起到良好的示范作用[1]。

然而太陽能系統(tǒng)也存在一些缺點：太陽能集熱器的工作受氣候條件和晝夜變化影響太大，當天氣條件不利(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，只能依靠輔助熱源進行加熱[2]。

空氣源熱泵熱水機組與太陽能集熱系統(tǒng)相比，最大優(yōu)勢在于只要室外環(huán)境溫度在機組運行范圍內(nèi)(-10～50℃)就可以全天候直供熱水，彌補了太陽能系統(tǒng)本身存在的缺陷；同時在相同條件下，機組占地面積遠小于太陽能集熱板的占地面積。將太陽能和熱泵兩者結合起來,揚長補短，優(yōu)勢互補，既達到節(jié)能減排、又能保證全年全日連續(xù)供熱，是近年來中央熱水系統(tǒng)熱源設備發(fā)展的新動向[3-6]。近年來，太陽能與空氣源熱泵結合的熱水系統(tǒng)在辦公樓[3]、醫(yī)院[7]、產(chǎn)業(yè)中心[8]、公寓[9]中均得到廣泛的應用。許多研究者還從理論上對太陽能空氣源熱泵的控制系統(tǒng)設計、優(yōu)化設計等作了深入的研究，為太陽能與空氣源熱泵的實際工程設計提供了理論依據(jù)[10-14]。

借鑒其他研究者理論和實踐的經(jīng)驗，上海海洋大學對原部分熱水系統(tǒng)實施改造，添加了太陽能的輔助熱能——空氣源熱泵熱水機組。考慮到上海地區(qū)冬季可能出現(xiàn)的極端冷天氣，太陽能和空氣源熱泵均存在制熱能力的不足，保留了燃氣熱水鍋爐作為備用輔助熱源，形成了太陽能、空氣源熱泵和燃氣鍋爐的聯(lián)合供熱水系統(tǒng)。

1 原太陽能熱水系統(tǒng)及其存在的問題

1.1 原太陽能系統(tǒng)簡介

圖1 太陽能熱水系統(tǒng)的工作原理圖

原來的太陽能熱水系統(tǒng)的工作原理如圖1所示。其工作原理如下：

首先在夜間通過水池9給太陽能儲熱水箱1加滿冷水，整個儲熱水箱的容積根據(jù)終端用戶的用水量確定。其次在某一固定時刻(如上午9：00)開始給太陽能儲熱水箱1里的冷水加熱。其加熱控制方法是：在集熱器陣4和太陽能儲熱水箱1里面各設置一個感溫器，當集熱器陣4的溫度高于太陽能儲熱水箱1時即開啟太陽能循環(huán)泵6使太陽能儲熱水箱1的水不斷加熱，否則即關閉太陽能循環(huán)泵6。最后當終端用戶11開始用水前30 min，判斷太陽能儲熱水箱1的水溫是否達到某一設定值(如60℃)，如未達到設定值即開啟循環(huán)加熱泵13，通過輔助加熱設備14給熱水加熱到設定值，供給終端用戶11。

1.2 原系統(tǒng)的能耗分析

原系統(tǒng)經(jīng)過運行，取得了一定的節(jié)能效果[1]。但是，在運行兩年后，發(fā)現(xiàn)整個系統(tǒng)的能耗較高。表1統(tǒng)計了學生宿舍A085-A087原太陽能系統(tǒng)的水和天然氣消耗量。

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

從表1可以看到，原太陽能熱水系統(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，熱負荷增大引起的；夏季的7～8月份，太陽能充足，且由于暑假，在校學生較少，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，隨著使用時間的增加，太陽能集熱器的集熱效率在下降，導致加熱單位自來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

既然太陽能熱水和燃氣鍋爐系統(tǒng)的天然氣消耗較高，我們考慮對其進行改造?？紤]到空氣源熱泵的能耗較低，將其添加到原太陽能熱水系統(tǒng)中，構成太陽能、空氣源熱泵和燃氣鍋爐的聯(lián)合供熱水系統(tǒng)，其原理如圖2所示。

從圖2可知，新的太陽能熱水系統(tǒng)中，增加了恒溫水箱6。太陽能集熱器加熱的水儲存在蓄熱水箱2內(nèi)，如果達到指定的溫度，可以經(jīng)過恒溫水箱6送到用戶。如果達不到指定的溫度，則開啟空氣源熱泵5?？諝庠礋岜?由壓縮機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。如果還達不到指定的溫度，則開啟鍋爐水泵11和燃氣鍋爐12，由燃氣鍋爐完成加熱熱水“最后的接力棒”。

圖2 太陽能熱水系統(tǒng)改造的工作原理圖

2.2 熱泵機組選型

熱泵系統(tǒng)設計的關鍵是熱泵機組的選型。實際設計過程中，可認為空氣源熱泵機組的制熱量能替代燃氣鍋爐的提供熱量的一個百分比(替代率)，即

Q·T=f·Vqη

(1)

式中Q——熱泵制熱功率/kW;

T——熱泵每天運行時間/s,實際熱泵運行時間取為3 600 s;

f——替代率,替代率過小，空氣源熱泵的節(jié)能特點不能發(fā)揮；替代率過大，空氣源熱泵的能耗過大，在夏季會造成不必要的浪費,實際設計中取為80%;

V——天然氣消耗量/m3,按照表1的實測數(shù)據(jù)，實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《綜合能耗計算通則》[15]的計算標準，天然氣熱值為35 544 kJ/ m3;

η——燃氣鍋爐的效率，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)

實際運行時配置了兩臺KFXRS-34II空氣源熱泵機組(見表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大幅下降。按照方程(1)，這時可以通過提高熱泵運行時間T來保證熱泵的制熱量，或者減少替代率f(即增加燃氣鍋爐的運行時間)來平衡熱水系統(tǒng)的總需求熱量。

表2 空氣源熱泵機組技術參數(shù)表

3 技術經(jīng)濟分析

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

改造后的太陽能熱水系統(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%，可見燃氣鍋爐的使用時間大大下降。特別是5～11月，7個月時間幾乎實現(xiàn)天然氣零消耗。當然，在天然氣消耗急劇減少的情況下，空氣源熱泵的使用時間增加，導致耗電量達到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《綜合能耗計算通則》[15]的計算標準，1 t水可折算0.085 7 kgce(千克標準煤)，1 m3天然氣可折算1.214 3 kgce。而據(jù)國家能源局公布的火電發(fā)電標準煤耗，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)進行計算匯總，得到改造前后系統(tǒng)綜合能耗對比圖，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個月系統(tǒng)改造后綜合能耗都下降了夏季的7～8月份，太陽能集熱系統(tǒng)基本能夠滿足熱水負荷的要求，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，仍然需要通過燃氣鍋爐來補充熱量，空氣源熱泵的節(jié)能效果無法體現(xiàn)。由此可見，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%?？梢娤到y(tǒng)改造后的節(jié)能效果十分明顯。

3.2 經(jīng)濟分析

可以按照綜合能耗的算法分析熱水系統(tǒng)改造的運行費用差異。按照國家的收費政策，1 t水需花費3.68元，1 m3天然氣需花費2.7元，1 kW·h電需花費0.612元(2011年價格)。根據(jù)這些數(shù)據(jù)進行計算匯總，得到改造前后系統(tǒng)運行費用對比圖，如圖4所示。

從圖4可以看出，系統(tǒng)運行費用的對比結果與綜合能耗的對比結果類似，一年中的春秋季節(jié)，運行費用下降幅度很大；但冬季和夏季的運行費用有所上升?？傮w而言，系統(tǒng)改造前后運行費用由改造前的117 178元下降到改造后的89 723元，運行費用減少約23.63%，節(jié)約費用約27 000元左右?？紤]到整個熱水系統(tǒng)改造費用約為10萬元，大約4年即可收回成本了。可見熱水系統(tǒng)改造的經(jīng)濟效益十分可觀。

圖4 熱水系統(tǒng)改造前后運行費用對比圖

4 結語

上海海洋大學新校區(qū)學生生活區(qū)太陽能中央熱水系統(tǒng)為目前全國最大的太陽能建筑一體化工程。2010年，在原有的太陽能熱水系統(tǒng)的基礎上，選取A085-A087進行試點改造，形成太陽能、空氣源熱泵和燃氣鍋爐三種能源聯(lián)合供熱水系統(tǒng)。經(jīng)過一年的運行測試，改造后的系統(tǒng)綜合能耗下降了21.72%，運行費用下降了23.63%。初步估算，運行4年即可收回改造成本。目前，學校已將該試點推廣到全校所有學生公寓。本案例對其他高校學生公寓的熱水系統(tǒng)的建設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

上海市科學技術委員會“創(chuàng)新行動計劃”科研項目(09dz1202400)

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

TK519

A

1002-6339 (2014) 01-0087-05