太阳能+燃气双驱型热泵热水系统在高校的应用

陈树文

(湖南城建职业技术学院 湖南湘潭 411101)

0 引言

节约能源、优化能源结构是保护环境、构成生态文明的重要一环。调查发现，目前我国校园能耗占社会总能耗的8%[1]，生活热水耗能占高校能耗的22%[2]。同时，全国大学生生均能耗、水耗分别是全国居民人均能耗的4倍和2倍。据调查夏热冬冷地区的 13 所高校发现，平均生均能耗为全国人均能耗的2倍左右，其中最高的达4倍之多[2]，可见高校建筑能耗存在较大的节能潜力。本文以某高校生活热水供应项目为例，探讨太阳能和燃气双驱型热泵制取卫生热水系统在高校的应用，并通过分析对比研究找出节能减排潜力。

1 工作原理介绍

太阳能和燃气双驱型热泵为氨-水吸收式热泵机组，其中氨为制冷剂、水为吸收剂，通过表面式换热器从空气中提取低品位热能，实现1.8倍的高效制热功能，是一种高效的节能型能源综合利用系统，其工作原理见图1[3]。该机组通过热能(太阳能或燃气产生的热能)驱动水对氨的释放与吸收，产生氨的相态变化，从而产生吸热和放热过程。系统内部包括两个循环：制冷剂循环及吸收剂循环。

图1 太阳能+燃气双驱型热泵系统原理图

吸收剂循环：在发生器中，燃气或太阳能产生的热量将氨水溶液中的氨气蒸发出来，氨水溶液由浓溶液变成高温的稀溶液；该高温氨水稀溶液然后被换热降温、节流后进入吸收器吸收来自过冷器的氨气并放出热量成为氨水浓溶液，然后经过水冷换热器降温后，被溶液泵送入精馏塔，被加热后一部分进入吸收器的高效换热器进行热交换，一部分直接进入发生器提馏段。两部分浓溶液在换热后都回到发生器，进入下一个吸收剂的循环。

制冷剂循环：在发生器中燃气或太阳能加热氨水浓溶液蒸发出高温高压的氨气，该高温高压氨气经精馏器精馏后进入冷凝器冷却降温成液氨，再被过冷器中的氨气过冷，再经膨胀阀节流后进入蒸发器(翅片式换热器)，吸收空气中的热量转化为氨气，进入过冷器吸收热量成为过热的氨气，之后在吸收器中被稀溶液吸收，氨水稀溶液变成浓溶液，再进入发生器，开启下一制冷剂循环。

在该热泵机组制热过程中，太阳能或燃气燃烧在发生器中输入热量Q1，而后通过吸收器后水冷换热器释放热量Q3；同时，制冷剂吸收发生器中燃气产生的热量后在冷凝器中释放热量Q2，并在蒸发器中吸收热量Q4；由此，整个系统热量输入为Q1+Q4，热量输出为Q2+Q3，系统能效比COP=(Q2+Q3)/Q1。

2 应用实例介绍

某高校位于湖南省长沙市。由于长沙的年太阳能辐射量处于可以有效利用的地区，且长沙的天然气供应量满足要求。根据当地气候及能源形式特点，选用太阳能+燃气双驱动型热泵对该校制取卫生热水。

2.1 工程概况

本过程包括1#-8#公寓，住宿总人数15 720人，供应热水水温55～60 ℃。根据《建筑给水排水设计规范》GB 50015-2019，宿舍内设有卫生间时，其日平均卫生热水量用量为40-55L/人，按40L/人计算，则总卫生用水量为628.8 t/d。该项目于2016年10月开始建造，2017年9月正式投入运行。

2.2 系统方案优选

目前采用的生活热水供应设备主要包括电热锅炉、空气源热泵热水器、太阳能热水器、燃气锅炉或燃油锅炉、燃气热泵等。这些设备及系统的主要优缺点如表1所示。

表1 各种类型生活热水供应设备经济技术分析一览表[4-7]

综上所述,采用太阳能热水器、空气源热泵热水器与燃气热泵，都是较节能环保的制取生活热水方式。其中由于太阳能热水器利用免费太阳辐射热制取生活热水,节能效益为最佳，燃气热泵次之。但考虑长沙地区累计全年的太阳总辐射量[8]为3902.5 MJ/m2，属于太阳辐射热较差地区，为确保制热效果，将太阳能+燃气相结合,既可充分利用太阳能,又可节约辅助能源,最大限度降低运行成本,节省费用[9]，同时又确保系统生活热水的可靠供应。

2.3 系统设备配置

由于太阳能集热器的造价较高，为降低总造价，该系统考虑采用配置部分太阳能+燃气双驱型热泵承担部分热水负荷，同时配置部分燃气热泵承担剩余负荷。

该项目1#-8#公寓所需的生活热水量基本一致，且在每一栋楼都单独配置生活热水系统。以2#栋为例说明，该栋的生活热水量为78.6 t/d，其设备配置的主要设备技术参数如表2所示。

表2 2#栋热水供应系统设备参数

根据《建筑给水排水设计规范》(GB 50015-2019)，生活热水温度按照60℃，长沙冷水温度按照5℃计算。按照生活热水量78.6 t/d，每天需要的总制热量为18 070 140 KJ；按照每天制热16 h计算，每小时需要的加热量为314 kW/h。因此，最大热水产量情况下该系统每天需要开启4台双驱型热泵及3台燃气热泵同时运行方可。

2.4 系统原理图

太阳能+燃气双驱型热泵热水系统的系统原理图如图2所示。

图2 2#栋太阳能+燃气双驱型热泵生活热水供应系统原理图

该生活热水系统运行时，当太阳辐射热满足生活热水制热需求时，优先运行4台太阳能+燃气双驱型热泵中的部分或全部机组利用太阳能制取生活热水，不足部分由3台燃气热泵补充。当太阳能辐射热不够时，优先开启全部4台太阳能+燃气双驱型热泵利用太阳能制取生活热水，不足部分由3台燃气热泵补充；如仍然不够，则将部分或全部4台太阳能+燃气双驱型热泵改用燃气驱动制取生活热水，同时3台燃气热泵仍然保持满负荷运行。

2.5 经济性分析

该热水供应系统按每年运行270 d、每天运行16 h，电价按照0.6元/kW·h,天然气价格按照2.65元/Nm3计算。

计算公式如下：

热水系统年运行费用=每天耗能费(耗电量×电价+耗天然气量×天热气价)×年运行天数

热水系统年总运行费用=[1.6×7×16×0.6+(78.6×4/7×1.905×4+78.6×3/7×3.81)×2.65]×270=(107.5+566.85)×270=182 074元

则2#栋热水供应系统的总造价与运行费用如表3所示。

表3 2#栋热水供应系统总造价及运行费用一览表

如该2#栋采用电热水器或空气源热泵热水器，按前计算条件，且其能效比为2.8计算，其年运行费用约为如表4所示。

表4 2#栋热水供应系统采用其他能源时运行费用一览表

对比发现，采用太阳能+燃气双驱型热泵系统与电热水器系统相比，每年可以节约运行费用67.48万元；与空气源热泵热水器系统相比，每年也可节约13.41万元，节能效益可观。

2.6 环境效益分析

按前设备配置，2#栋配置集热器面积为240 m2，按全年运行270 d计算，则其太阳能热水系统年节能量[10]:

ΔQsaveAcJTηcd(1-ηL)×365=240×10.55×0.65×0.85×270=1390.93MJ×270=3555.11MJ

式中:Ac为太阳能集热器面积,m2;

JT为太阳能集热器采光表面太阳辐射量,MJ/m2, 长沙地区为10.55 MJ/(m2·d)[8];

ηcd为太阳能集热器集热效率，取65%;

ηL为管路及贮水箱热损失,常规取值0.15。

按该学校8栋宿舍楼计算，则总年节能量为300 441 MJ。

太阳能热水系统二氧化碳减排量计算:

=23 167 kg

式中:W为标准煤热值,29 308 kJ/kg。

由此可见，该高校采用太阳能+燃气双驱型热泵的生活热水供应系统，每年可以减少23 167 kg标准煤的排放。

2.7 运行效果

该项目自2017年9月开始正式运行以来，系统运行稳定，其各项技术指标与设计值基本吻合，节能效益非常明显。

3 结论

本文对太阳能+燃气双驱型热泵热水技术在高校生活热水的供应在具体项目上的应用进行说明,并进行对比分析,总结得出以下几点结论:

(1)高校由于学生多，每年需要的生活热水量是非常大的，所需要的制热量也大。采用太阳能+双能源燃气热泵与燃气热泵的联合作用方式，与电热水器相比，其运行费用仅为其22.65%；与空气源热泵热水器相比，其运行费用仅为其59.5%，节能效益非常可观。

(2)传统能源燃烧后，会产生二氧化碳等，导致空气污染。而太阳能作为清洁能源,每平方米太阳能集热面积每年可减少156kg二氧化碳排放。

可见，使用太阳能+燃气双驱型热泵为高校提供生活热水是一种有效的节能排放措施，具有一定的借鉴意义。