双热源热泵热水系统在学生公寓的应用

张娅玲



双热源热泵热水系统在学生公寓的应用

张娅玲

（江苏城乡建设职业学院，江苏 常州 213147）

依据上海地区气象数据，结合高校学生公寓用生活热水情况，分析探讨高校学生公寓应用双热源热泵热水系统的可行性，并通过具体工程案例对不同热水供应系统进行技术经济比较。分析研究表明：污水源+空气源热泵热水系统是一种节能环保的高效热水系统，能同步实现废水热能回收利用，可以提升系统能效，并保证四季均匀恒定供应热水，适合单幢或多幢学生公寓独立使用，可以在高校推广应用。

双热源；污水源；空气源；热泵热水系统；回收利用

随着社会经济的发展和人民消费水平的提高，生活热水的需求量大幅提升。高校学生公寓人员密集，是热水消耗的大户。以往高校热水供应系统通常采用燃气、燃油锅炉或电锅炉集中供应，能耗水平高，同时由于某些宿舍距离浴室远，学生深感不便，而送至每幢公寓又会带来输配损失和热量损失。热泵热水机组可以利用高品位的电能，通过制冷循环吸收低品位热能（空气或者水源中的热能），制取55℃左右的热水，是重要的节能设备。近年来，常用空气源热泵制取热水，但空气源热泵冬季性能系数COP值较低，往往需要辅助大功率的电加热器，耗能增加；水源热泵能利用水中储存的热量，有较高的性能系数，但水源中断时就无法工作。高校学生浴室通常固定时间开放，洗浴废水流量、温度相对稳定，是废水源热泵有效可靠的理想热源，于是一种空气源加污水源的双热源热泵热水系统应运而生。本文以上海某校园学生公寓双热源热泵热水系统为例，与传统热水供应系统进行经济技术比较，比较结果表明学生公寓应用双热源热泵热水系统技术适宜并且节能环保，还可以提升校园生活环境，对建筑节能工作具有十分重要的意义。

一、双热源热泵热水系统技术适宜性分析

空气源热泵热水系统是以空气为低温热源，通过利用少量电能，采用蒸汽压缩热泵技术加热生活热水。该系统不但可以有效节约能源并且对环境无污染，具有广阔的发展空间和应用前景。

通常洗浴后排入污水系统的废水温度仍较高（约35℃），如果洗浴用水按43℃、自来水按10℃计算，则洗浴热量利用只占加热自来水所需热量的24%，其余76%的热量随着废水排放而损失。因此，洗浴废水热量的回收潜力巨大。高校学生浴室的使用人数和使用时间相对集中，特别是固定开放时间的集中浴室，洗浴后的废水温度、流量都比较稳定，为污水源热泵提供了可靠有效的热源。

双热源热泵热能梯级利用热水系统是将空气源热泵和污水源热泵结合起来，先利用废水预热器对自来水预热，再利用高效的污水源热泵对补水进行加热，增加了废水的热能梯级利用。双热源热泵工作原理如图1所示。

图1 双热源热泵热能循环工作原理图

上海属于夏热冬冷地区，分析上海典型气象年数据[1]得到全年日平均温度曲线如图2所示。上海全年平均室外空气温度为17.63℃，最冷月平均气温5.8℃<10℃，按规范宜设置辅助热源[2]。

图3 上海地区空气源热泵热水机组逐月COP与环境参数的关系

能效比（COP）是评价空气源热泵热水机组节能效果的性能指标，通常设备厂家给出的COP能达到3.7以上。但机组实际运行的工况往往与名义工况存在较大差异，因此机组铭牌所示COP并不能真实反映机组的性能，并且机组全年均在制热工况下运行，室外环境温度、初始进水温度和目标水温都对机组的性能有着极大的影响。季节性COP经验公式[3]能更合理地评价空气源热泵热水机组的全年性能指标：

COP=[1+2（t-a）]×[1-3×（a-w）/（a-d）]

式中t为初始冷水温度与目标温度的平均值，Ta为环境温度，Tw为湿球温度，Td为露点温度。

吴静怡等的验证结果表明该公式计算出的COP具有通用性，可准确反映空气源热泵热水机组实际运行的综合性能[4]。上海地区空气源热泵热水机组逐月COP与环境参数的关系如图3所示，由图可以看出，机组COP随室外温度的变化发生改变，计算得出机组年平均COP在3.4左右。

二、工程实例经济效益性分析

1.项目介绍

以上海某高校1#学生公寓为例。该公寓为五层，共有宿舍206间，每间宿舍住4~6人，合计1 080人。根据国家现行规范，每人每天热水用量为50L，则日用水总量为54T，冷水进水温度取值12.8℃，热水出水温度采用55℃。考虑学生放假因素，全年供水时间为270天。该公寓浴室设在二层，热泵机组及水箱等设备设置在一层，选用2台空气源热泵机组，2台水源热泵机组（带废水预热器），10吨废水储水箱和15吨热水储水箱各一个。

双热源热泵热能梯级利用热水机组配备热能回收装置，使自来水通过预热和热泵两级加热，废热水通过热能回收和向水源热泵循环供热，实现了废热的梯级利用[5]。该校学生浴室热水系统采用的节能设计路线为：洗浴后产生的废热水经过过滤进入废水箱，先通过热能回收装置对自来水进行预热，再作为污水源热泵的低位热源，对生活热水的补水进行加热，同时利用空气源热泵维持热水箱的水温，以保证持续稳定供水。废水中的热量经两级利用，从35℃降到15℃，热能利用率从原来的24%提高到85%，降温后的废水排入学校的中水系统。

该浴室热水系统投入使用后，学校在2014年10月27-28日委托江苏省民用建筑能效测评机构对该项目进行了能效测评，其评估结果如表1所示。

表1 双热源热泵热能梯级利用热水系统性能测试汇总表

2.经济环保效益分析

空气源热泵机组制热水年平均COP取值3.3，电辅助加热器及电锅炉热效率取0.95，燃油锅炉热效率取0.85，燃气锅炉热效率取0.80；用电热值为3.6MJ/kWh，燃油热值为43.1MJ/kg，燃气热值为35.6MJ/kWh；电费按0.55元/kWh，轻柴油按6元/kg，天然气按2.9元/Nm3，电锅炉电价按谷电0.35元/kWh计。

根据以上数据，该公寓全年热水总耗热量为：

=∆t=4.2kJ/（kg.℃）×54×（55-12.8）℃×270=2584159MJ

根据学校后勤部门提供的实测数据，2015年9月至2016年6月该公寓热水系统的用电量（包括机组、水泵等）为167 273kWh，电费总计9.2万元。

对于不同的热水供应系统，燃料年需求量=年总耗热量÷燃料燃烧值÷热效率，再根据燃料单价求出不同热水系统的年运行费。费用比较见表2及图4所示。

表2 不同热水供应系统年运行费用比较

由表2可以看出，双热源热泵热水系统的年均能效比可达4.3，同时因其使用电这种清洁能源，节能的同时减少了煤炭和燃气的消耗，从而减少了CO2、SO2及粉尘的排放，可以有效改善校区的室内空气环境质量，环保效益同样十分明显。

图4 不同热水系统的年运行费比较

三、结论

双热源热泵热水系统是一种比较适合校园建筑特点、节能环保的热水供应方式。通过以上分析可以看出：高校学生公寓采用双热源热泵热水系统具有可行性，可以实现系统的全年稳定高效运行，满足学生的生活热水需求。经过计算分析，本案例中双热源热泵热水系统与传统燃煤锅炉、燃气锅炉、电锅炉等提供热水的系统相比，其节能环保效益明显，适合夏热冬冷地区的学生公寓使用，具有独特的优势。

[1]中国气象局气象信息中心气象资料室，清华大学建筑技术科学系.中国建筑热环境分析专用气象数据集[M].北京：中国建筑工业出版社，2005.

[2]GB50015-2003（2009年版），建筑给水排水设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2007.

[3]G.L.Morrison，Anderson T，Behnia M.Seasonal performance rating of heat pump water heaters[J].Solar Energy，2004(76)：147-152.

[4]吴静怡，姜明毓，王如竹等.空气源热泵热水机组全年综合能效评定[J].制冷学报，2009，30（5）：14-18.

[5]陈则韶，陶文铨，朱延文等.空气/水双源热泵废热再用热水装置的性能分析[J].中国科学：技术科学，2012，42（8）：937-944.

Application of Double Heat Source Heat Pump Hot Water System in Student Apartment

ZHANG Ya-ling

（Jiangsu Urban and Rural Construction College, Changzhou, Jiangsu 213147, China）

Based on meteorological data in the Shanghai area, combining the application of the living hot water in student apartment, the author analyzed the feasibility of the application of double heat source heat pump hot water system in university students' apartment. Through the concrete project cases and the comparison of the technical and economical of different hot water supply system, the results show that the sewage + air source heat pump hot water system is energy saving, environmental protecting and efficient, recycling the heat in waste water at the same time. It can improve the efficiency, and supply hot water in constancy in four seasons. It is suitable for single one or more student apartment independently, and can be applied in colleges and universities.

double heat sources; sewage source; air source; heat pump hot water system; recycling

（责任编辑 鲍东杰）

TU833.1

A

1008—6129（2016）05—0097—05

2016—06—06

张娅玲（1971—），女，河北无极人，江苏城乡建设职业学院，高级工程师。