高校学生公寓太阳能供热水系统改造及节能分析

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(1.上海海洋大学 食品学院，上海201306；2.上海海洋大学 节能与环保办公室，上海 201306)

高校学生公寓太阳能供热水系统改造及节能分析

余克志1，俞渊2

(1.上海海洋大学 食品学院，上海201306；2.上海海洋大学 节能与环保办公室，上海 201306)

本文详细说明了上海海洋大学新校区大学生生活区太阳能热水系统改造工程。首先分析了原热水系统的运行原理和缺陷，提出原热水系统的基础上添加空气源热泵机组，形成新的热水系统，并对热泵机组进行了选型计算。最后通过热水系统改造前后的水、电和天然气的实测消耗量分析了其综合能耗和运行费用。分析结果表明，改造后热水系统的综合能耗减少约21.72%，运行费用减少约23.63%。说明热水系统的改造是成功的。

高校；太阳能；热水；节能；空气源热泵

0 前言

上海海洋大学学生公寓太阳能中央热水系统为目前全国最大的太阳能建筑一体化工程。总集热器面积为6 472 m2。系统日产热水量为845 t，可同时满足32栋宿舍楼的近16 000人的每日热水需求。据不完全测算，每年可节能40%～56%，对校区所在的临港新城低碳功能区的建设起到良好的示范作用[1]。

然而太阳能系统也存在一些缺点：太阳能集热器的工作受气候条件和昼夜变化影响太大，当天气条件不利(如光照不足、夜间等情况)或者屋面可放置集热器面积有限时，只能依靠辅助热源进行加热[2]。

空气源热泵热水机组与太阳能集热系统相比，最大优势在于只要室外环境温度在机组运行范围内(-10～50℃)就可以全天候直供热水，弥补了太阳能系统本身存在的缺陷；同时在相同条件下，机组占地面积远小于太阳能集热板的占地面积。将太阳能和热泵两者结合起来,扬长补短，优势互补，既达到节能减排、又能保证全年全日连续供热，是近年来中央热水系统热源设备发展的新动向[3-6]。近年来，太阳能与空气源热泵结合的热水系统在办公楼[3]、医院[7]、产业中心[8]、公寓[9]中均得到广泛的应用。许多研究者还从理论上对太阳能空气源热泵的控制系统设计、优化设计等作了深入的研究，为太阳能与空气源热泵的实际工程设计提供了理论依据[10-14]。

借鉴其他研究者理论和实践的经验，上海海洋大学对原部分热水系统实施改造，添加了太阳能的辅助热能——空气源热泵热水机组。考虑到上海地区冬季可能出现的极端冷天气，太阳能和空气源热泵均存在制热能力的不足，保留了燃气热水锅炉作为备用辅助热源，形成了太阳能、空气源热泵和燃气锅炉的联合供热水系统。

1 原太阳能热水系统及其存在的问题

1.1 原太阳能系统简介

图1 太阳能热水系统的工作原理图

原来的太阳能热水系统的工作原理如图1所示。其工作原理如下：

首先在夜间通过水池9给太阳能储热水箱1加满冷水，整个储热水箱的容积根据终端用户的用水量确定。其次在某一固定时刻(如上午9：00)开始给太阳能储热水箱1里的冷水加热。其加热控制方法是：在集热器阵4和太阳能储热水箱1里面各设置一个感温器，当集热器阵4的温度高于太阳能储热水箱1时即开启太阳能循环泵6使太阳能储热水箱1的水不断加热，否则即关闭太阳能循环泵6。最后当终端用户11开始用水前30 min，判断太阳能储热水箱1的水温是否达到某一设定值(如60℃)，如未达到设定值即开启循环加热泵13，通过辅助加热设备14给热水加热到设定值，供给终端用户11。

1.2 原系统的能耗分析

原系统经过运行，取得了一定的节能效果[1]。但是，在运行两年后，发现整个系统的能耗较高。表1统计了学生宿舍A085-A087原太阳能系统的水和天然气消耗量。

表1 学生宿舍A085-A087原太阳能热水系统的水和天然气消耗

从表1可以看到，原太阳能热水系统的天然气消耗是较高的。具体有如下的规律:

(1)按月份分析。冬季的11月～次年的3月份，其天然气的消耗量最高。这是由于冬季太阳能辐射较弱，集热器的效果欠佳，且室外气温低，水初温较低，热负荷增大引起的；夏季的7～8月份，太阳能充足，且由于暑假，在校学生较少，天然气的消耗量比较少。

(2)按年度分析。2009年每加热1 t的水需消耗4.5 m3的天然气，但2010年则需要约6.3 m3的天然气。不考虑其他因素的话，随着使用时间的增加，太阳能集热器的集热效率在下降，导致加热单位自来水所消耗的天然气量增加。

2 空气源热泵系统改造

2.1 系统原理

既然太阳能热水和燃气锅炉系统的天然气消耗较高，我们考虑对其进行改造。考虑到空气源热泵的能耗较低，将其添加到原太阳能热水系统中，构成太阳能、空气源热泵和燃气锅炉的联合供热水系统，其原理如图2所示。

从图2可知，新的太阳能热水系统中，增加了恒温水箱6。太阳能集热器加热的水储存在蓄热水箱2内，如果达到指定的温度，可以经过恒温水箱6送到用户。如果达不到指定的温度，则开启空气源热泵5。空气源热泵5由压缩机10、冷凝器7、节流阀8和蒸发器9组成，其中热水的加热在冷凝器7中完成。如果还达不到指定的温度，则开启锅炉水泵11和燃气锅炉12，由燃气锅炉完成加热热水“最后的接力棒”。

图2 太阳能热水系统改造的工作原理图

2.2 热泵机组选型

热泵系统设计的关键是热泵机组的选型。实际设计过程中，可认为空气源热泵机组的制热量能替代燃气锅炉的提供热量的一个百分比(替代率)，即

Q·T=f·Vqη

(1)

式中Q——热泵制热功率/kW;

T——热泵每天运行时间/s,实际热泵运行时间取为3 600 s;

f——替代率,替代率过小，空气源热泵的节能特点不能发挥；替代率过大，空气源热泵的能耗过大，在夏季会造成不必要的浪费,实际设计中取为80%;

V——天然气消耗量/m3,按照表1的实测数据，实际每天消耗的天然气为91.39 m3;

q——天然气的燃烧值/kJ·m-3，按照《综合能耗计算通则》[15]的计算标准，天然气热值为35 544 kJ/ m3;

η——燃气锅炉的效率，取为85%。

按照方程(1)，可得到

Q=fVqη/T=0.8×91.39×35544×0.85/(10×3600)=61.36kW

(2)

实际运行时配置了两台KFXRS-34II空气源热泵机组(见表2)，总额定制冷功率为68 kW，满足要求。

值得注意的是，这里的68 kW是名义制热功率。在冬季气候下，空气源热泵的制热功率会大幅下降。按照方程(1)，这时可以通过提高热泵运行时间T来保证热泵的制热量，或者减少替代率f(即增加燃气锅炉的运行时间)来平衡热水系统的总需求热量。

表2 空气源热泵机组技术参数表

3 技术经济分析

表3 学生宿舍A085-A087改造后太阳能热水系统的水、电和天然气消耗

改造后的太阳能热水系统的水、电和天然气消耗如表3所示。从表3可以看出，与改造前的2010年(表1)对比分析，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)的条件下，改造后的天然气的消耗量为5 795 m3，比改造前的35 762 m3减少83.8%，可见燃气锅炉的使用时间大大下降。特别是5～11月，7个月时间几乎实现天然气零消耗。当然，在天然气消耗急剧减少的情况下，空气源热泵的使用时间增加，导致耗电量达到81 120 kW·h。

3.1 节能分析

图3 热水系统改造前后综合能耗对比图

按照表3的分析，热水系统改造后，天然气的消耗减少了，但是电耗增加了，总的能耗可以按照《综合能耗计算通则》[15]的计算标准，1 t水可折算0.085 7 kgce(千克标准煤)，1 m3天然气可折算1.214 3 kgce。而据国家能源局公布的火电发电标准煤耗，系统改造后的2011年1 kW·h电可折算0.33 kgce。根据这些数据进行计算汇总，得到改造前后系统综合能耗对比图，如图3所示。

从图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个月系统改造后综合能耗都下降了夏季的7～8月份，太阳能集热系统基本能够满足热水负荷的要求，空气源热泵系统反而增加了少许的能耗；而冬季的12～1月份，室外温度较低，空气源热泵系统的制热效率下降，仍然需要通过燃气锅炉来补充热量，空气源热泵的节能效果无法体现。由此可见，一年中的春秋季节使用空气源热泵系统是最合适的。

从图3还可以看出，系统改造前后综合能耗由改造前的43 913 kgce下降到改造后的34 375 kgce，综合能耗减少约21.72%。可见系统改造后的节能效果十分明显。

3.2 经济分析

可以按照综合能耗的算法分析热水系统改造的运行费用差异。按照国家的收费政策，1 t水需花费3.68元，1 m3天然气需花费2.7元，1 kW·h电需花费0.612元(2011年价格)。根据这些数据进行计算汇总，得到改造前后系统运行费用对比图，如图4所示。

从图4可以看出，系统运行费用的对比结果与综合能耗的对比结果类似，一年中的春秋季节，运行费用下降幅度很大；但冬季和夏季的运行费用有所上升。总体而言，系统改造前后运行费用由改造前的117 178元下降到改造后的89 723元，运行费用减少约23.63%，节约费用约27 000元左右。考虑到整个热水系统改造费用约为10万元，大约4年即可收回成本了。可见热水系统改造的经济效益十分可观。

图4 热水系统改造前后运行费用对比图

4 结语

上海海洋大学新校区学生生活区太阳能中央热水系统为目前全国最大的太阳能建筑一体化工程。2010年，在原有的太阳能热水系统的基础上，选取A085-A087进行试点改造，形成太阳能、空气源热泵和燃气锅炉三种能源联合供热水系统。经过一年的运行测试，改造后的系统综合能耗下降了21.72%，运行费用下降了23.63%。初步估算，运行4年即可收回改造成本。目前，学校已将该试点推广到全校所有学生公寓。本案例对其他高校学生公寓的热水系统的建设和改造具有示范意义。

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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修订稿日期2013-06-29

上海市科学技术委员会“创新行动计划”科研项目(09dz1202400)

余克志(1971～)，男，博士，副教授，从事制冷空调、太阳能系统的仿真与优化研究。

TK519

A

1002-6339 (2014) 01-0087-05