太阳能系统、风冷热泵系统、燃气锅炉联合制热水的节能效益分析

上海烟草集团有限责任公司 施全臻

0 前言

空气源热泵技术是可再生能源应用的主要应用方向之一。空气源热泵热水机组的制造、推广和使用在我国只是最近10年的事，但由于其相对于传统制取热水设备的高效节能、环保、安全、智能化控制、不占用永久性建筑空间等优点而引起了市场日益广泛的关注。热泵热水机组以清洁再生原料(空气+电)为能源，既不使用也不产生对人体有害的气体，同时也减少了温室效应和大气污染。目前，在我国电力资源短缺的前提下，采用热泵热水机组制取热水，即能以最小的电力投入获得最大的供热效益。将热泵热水机组放在建筑物的顶层或室外平台即可工作。

太阳能技术也是可再生能源应用的主要应用方向之一。上海地区的太阳能年辐射量近年来平均值为4700MJ/m2，按照太阳能资源带划分，上海在我国属三类地区，与江苏、浙江两地相当，具有开发利用太阳能的资源条件。其中各类建筑是利用太阳能资源的良好载体，太阳能热水系统与建筑一体化是实现太阳能资源规模化利用的重要途径。太阳能是永不枯竭的清洁能源，量大，资源丰富，绿色环保。但太阳能也具有一些缺点：

1)太阳能的能流密度低。

2)太阳能具有间歇性和波动性。太阳能的辐照度受气候条件等各种因素的影响不能维持常量。

3）太阳能是一种辐射能，具有即时性，不易储存，必须即时转换成其它形式能量才能利用和储存。

1 热水系统应用案例

海烟大酒店每天洗浴等热水日用水量30m3，热水系统由太阳能热水系统、风冷热泵热水系统及燃气锅炉热水系统组成。其中风冷热泵为海烟大酒店空调冷源备机，为提高设备及能源利用效率，此台备机通过管道阀门切换同时参与到酒店空调系统及洗浴热水系统。平时制热水用作洗浴，当空调系统其余设备故障时，切换至空调系统使用。

1）热水系统简介：

海烟大酒店屋顶设置2个10m3不锈钢水箱，分为上水箱与下水箱，上水箱为预热水箱，分别与太阳能系统、风冷热泵系统相连，利用太阳能及风冷热泵加热的热水进入上水箱。（风冷热泵通过板式热交换器间接加热）。下水箱为用户水箱与锅炉系统相连，当太阳能与风冷热泵不能满足用热需求时开启锅炉供热。

2）锅炉系统

海烟大酒店锅炉热水系统由2台力聚ZRQ-25W热水锅炉（制热量为250000kcal/h，燃料为天然气）通过2台热水泵与酒店下水箱相连。下水箱温度设定后，锅炉自动启停。系统图见图1。

图1 锅炉系统图

3）太阳能热水系统

海烟大酒店太阳能热水系统由屋顶太阳能集热板、两台热水循环泵通过管道与上水箱相连。太阳能集热板品牌为北京天普，集热面积100m2，系统图见图2。

图2 太阳能系统图

4）风冷热泵系统

海烟大酒店风冷热泵热水系统由特灵RTXA+212风冷热泵（制热量345kw）通过2台热水循环泵与板式热交换器相连，板式热交换器通过2台热水泵与上水箱相连。系统图见图3

图3 风冷热泵系统图

2 各类热水系统的运行成本分析

针对上述3个系统，对各系统的制热成本作一简单分析。因风冷热泵的运行成本与电价有关，所以分析时分为白天夜间两个时段。因风冷热泵在冬季制热效率下降并且蒸发器表面结霜，故分析时分为冬季工况与其它三季工况。海烟大酒店每天热水负荷平均为30m3，按此数据分析上述3种系统每天制30m3热水的运行成本。太阳能系统为一次性投入，运行时基本不需费用，故分析时按其折旧成本计算。海烟大酒店太阳能系统购置价为50万元，其使用寿命一般为15年，故每天折旧费用为：

以“对口帮扶，优势互补，互惠互利，共同发展”16字方针为指引，两省市党委、政府“真情实意、真金白银、真抓实干”推进对口帮扶合作，形成了“政府援助、人才支持、企业合作、社会参与”的帮扶工作格局，沪滇帮扶合作渐入佳境。作为重要的桥梁和纽带，在云南省扶贫办的大力支持下，云南省投资促进局认真落实沪滇对口帮扶机制，扎实开展扶贫攻坚工作，推动各类扶贫项目落地，组织承办沪滇经济合作及投资促进活动，沪滇经济合作规模和领域不断扩大，沪滇经济合作呈现良好发展态势。

50万元/15年×365天=90元。

风冷热泵属酒店空调系统备机，故暂不计算其折旧值。

热水锅炉系统购置价也为50万元，使用寿命一般为15年，故每天折旧费用也为90元。

1）春、夏、秋三季工况

运行费用计算公式：

式中N为设备每天运行费用，元；

Q为每天酒店热水负荷：1.2×106kcal（30m3水，从15℃升温至55℃）；

q为能源热值：天然气为8300kcal/m3，电力为860kcal/kWh；

表1 春夏秋季每天用能经济分析

表2 冬季每天用能经济分析

n为设备热效率：锅炉为85%，风冷热泵性能系数COP为3.5；

f为能源单价：天然气3.69元/m3，白天电力为1.2元/kWh，夜间电力为0.4元/kWh。

计算结果见表1。

2）冬季工况

因冬季温度较低，风冷热泵需要除霜。海烟大酒店风冷热泵为2个压缩机2个冷媒回路，通常在冬季开启风冷热泵制热时，只有一个冷媒回路在制热，另一个冷媒回路在制冷除霜，所以此时的效率极低，性能系数COP只有1.5左右。用能分析计算结果见表2。

可见，太阳能系统是一次性投入，在之后的运行过程中基本不需要费用，所以应该尽可能的利用太阳能来节省酒店的耗能。在春、夏、秋三季，风冷热泵制热效率较高的前提下，热泵制热水的成本白天比燃气锅炉制热水低三分之一，晚上比燃气锅炉低四分之三，所以春、夏、秋季三季应尽可能的利用风冷热泵。冬季风冷热泵效率过低，白天电价高运行费用较高，所以冬季白天应用燃气锅炉提供酒店热水。夜间电价较低，风冷热泵运行成本比锅炉低，可以利用晚间对水箱进行预热。

3 运行管理

通过上述三个系统的制热水运行成本分析可以发现，这三个系统的成本在春、夏、秋三季时从低到高依次为太阳能系统、风冷热泵系统、燃气锅炉系统。冬季从低到高依次为太阳能系统、燃气锅炉系统、风冷热泵系统。如何组织好节能运行管理，可遵循以下两项原则：

一是利用夜间错峰用电开热泵机组与板交，减少能耗费用。当气温在10摄氏度以上时开始试运行，按照电能上的峰、谷、平价格，在晚上10点至次日凌晨6点时段充分利用阶梯电价的优势开热泵制热水。

二是白天利用太阳能蓄热作为补偿，燃气锅炉作为应急使用与冬季使用。白天避开空调用电高峰时段，充分使用太阳能吸热制热水（根据统计，春夏秋三季光照充足的天气下利用太阳能的话平均一天可产生51℃的热水约30m3，基本可以满足白天的热水需求）。遇到用水高峰及冬季热水不够时再考虑使用燃气热水炉应急补偿。尽量以热泵和太阳能作为制热水的主要手段，减少热水炉使用频率。

按照上述原则，再根据不同的天气状况及上海地区阶梯电价现状，上述三种系统应有不同组合方式才能实现高效节能运行。高效运行的组合方式简介如下：

l)太阳能加热生活热水

在夏季日照良好的晴天，由于太阳辐射量大并且洗浴热水温度较冬季低，此时太阳能系统完全能承担用户所需的热量，系统按此工况工作，此时太阳能循环泵的工作由系统控制器根据太阳能集热器和热水箱的温度进行控制，源源不断的利用集热器采集的热量输送到热水箱，若遇用水高峰，则由燃气锅炉补充。

2)夜间风冷热泵制热，白天依靠太阳能加热生活热水

在春、秋季节日照良好的晴天，此时太阳能系统不能完全承担热水箱所需的热量。由于上海地区夜间谷电电价很低，在0.3元～0.5元/kWh左右，所以在夜间用风冷热泵设备对2个10m3水箱水进行加热至用水温度并保持。白天依靠太阳能制热维持这20m3水温及另外10m3水的制热负荷，若遇用水高峰时则由燃气锅炉补充。

3)夜间风冷热泵制热，白天依靠太阳能及风冷热泵加热生活热水

在春、夏、秋季节阴雨天，此时太阳能系统基本获取不到很多热量。由于上海地区夜间谷电电价很低，所以在夜间用风冷热泵设备对2个10m3水箱水进行加热至用水温度并保持。白天通过风冷热泵完成另外10m3热水的制热负荷，此时太阳能系统只作辅助，若遇用水高峰时则由燃气锅炉补充。

4)利用燃气锅炉制热水太阳能系统作辅助

在冬季天气寒冷，日照很弱的天气情况下，当环境温度低于热泵的经济运行温度时，热泵机组的制热效率下降并且蒸发器表面结霜，此时使用风冷热泵制热水已经不经济并达不到热水箱的热水温度。所以只能利用燃气锅炉制热水，太阳能系统作为辅助。

上述四种高效运行的组合方式，其热水系统概述图见图4。

4 社会效益与节能效益

1）社会效益

一年三季不开燃气热水炉能够有效减少二氧化碳的排放。据统计，酒店目前使用的25万kcal燃气热水炉二氧化碳排放量为每小时31.33Nm3，按原来平均每天需要开燃气热水炉8.8小时算，从今年2月至10月的春夏秋三个季度，使用热泵机组板交制热水相当于减少了二氧化碳排放量7.5万Nm3。

表1 海烟大酒店2011-2012年电费对比

表2 海烟大酒店2011-2012年锅炉天然气费用对比

2）经济效益

表1、表2为海烟大酒店2011年与2012年电费及天然气费用台账，酒店天然气全部用于制热水用燃气锅炉，酒店用电量从往年的数据上来看基本比较一致。所以从表1、表2中我们可分析看出2012年起，采用太阳能系统、风冷热泵系统、燃气锅炉联合制热水后酒店用电量及天然气耗量的变化。从表中我们可以看到由于采用了以风冷热泵加太阳能吸热补偿为主制热水模式，使得燃气热水炉使用频率大幅减少，所以2012年用于锅炉房的天然气费用由2011年的31.12万元降为11.80万元，同比减少了19.32万元；2012年酒店电费由2011年的151.25万元上升为165万元，同比增加了13.75万元。综合核算，改进后实际节约能源费用约5.57万元。

太阳能、空气源热泵作为可再生能源，在建筑领域的能源利用中发挥着越来越重要的作用，它们的应用是解决我国能源和环境问题的重要措施之一。通过本文分析，若能充分使太阳能、空气源热泵、燃气锅炉有机结合起来，在最经济的条件下运行，便能得到很好的社会效益与经济效益。