空气源热泵辅助太阳能系统在学生公寓淋浴系统中的应用

上海海洋大学节能与环保办公室 赵海鹏 俞 渊 王彦伟

上海海洋大学临港校区自建设之初就在节能方面做了充分的准备，但是随着学校办学规模不断扩大，师生人数与教学生活设施的大幅度增加，学校的能源需求也急剧上升，因此推行节能减排措施势在必行。本文以学生公寓淋浴系统中空气源热泵辅助太阳能制备热水为例，分析该项目试点的必要性和效果，以期为后续节能改造提供参考和借鉴。

1 高校楼宇热水供应系统热源种类及分析

高校楼宇热水供热系统中传统的供热方式主要包括：燃煤锅炉加热、燃气锅炉加热、燃气热水器加热、电热水器加热，上述四种取热方式都直接或间接的来自不可再生能源，同时燃煤、燃气产生的二氧化碳、硫氧化物、氮氧化物等会加剧温室效应、酸雨等环境问题。在当今大力提倡节能、低碳、环保的新形势下，各高校也逐渐淘汰了以传统热源为主的供热方式，转而使用安全环保、高效、无污染的太阳能和热泵技术进行校园供热。

1.1 太阳能热水供应系统

目前，很多高校在建设节约型校园过程中纷纷采用太阳能在各个领域供热，太阳能的利用为校园节能减排做出了重要贡献。

（1）太阳能热水系统优缺点

太阳能在校园楼宇中作为热水供应的热源的优点是太阳能为免费能源，降低学校供热运行成本；节约大量不可再生能源；太阳能为清洁能源，使用无污染。缺点是初期设备投资大；供热系统供热不稳定因素多；太阳能热水系统维修、维护成本高。

（2）太阳能热水系统的原理

太阳能热水系统主要是利用专用的太阳能集热器进行光热转换，整个系统通过定温放水、温差强制循环两个操作单元来完成。定温放水是在集热器与贮热水箱中各设一个温度探头，当集热器出水末端的温度探头测到水温T1高于预先设定的T0时，系统就启动热水循环泵，将热水输入贮热水箱,低于T0时热水循环泵就自动关闭；温差强制循环是当贮热水箱中的温度探头测到水箱与集热器的水温差达到预设值T时，启动热水循环泵，使集热器与水箱中的水进行交换循环。

1.2 空气源热泵热水供应系统

（1）空气源热泵热水系统的优缺点

空气源热泵热水系统的优点有：成本低，获取热源免费，为学校节约大量的能源费用；安全，运行过程中水与电分离，消除了电热水器的安全隐患；环保，直接从空气中获取热量，无废气排放，无空气污染；安装、使用便捷，只要有适当的安装空间，就能从空气中获取热量；运行稳定，系统运行时基本不受天气影响，晴雨、昼夜均可运行；效率高，只需输入少量电能即可获得3～4倍的热能。缺点有：低温条件下制热量显著下降，制热COP值降低，需要其他能源辅助。

（2）空气源热泵热水系统原理

气源热泵是指通过空气换热器与室外空气进行换热制取冷量或热量的热泵系统（见图1），空气源热泵系统主要由蒸发器、冷凝器、压缩机、膨胀阀4部分组成。空气源热泵热水系统就是空气源热泵制取热水的装置系统，它根据逆卡诺原理，通过系统少量的电力驱动将空气中难回收的低位热能转变为高位热能释放到水中，从而制取热水，满足生活和供暖的需求。

图1 空气源热泵热水系统原理图

1.3 太阳能与空气源热泵有机结合的热水供应系统

太阳能热水供应系统与空气源热泵热水供应系统各有利弊，除了在使用中有很多共性的优点以外，二者可以优劣互补，实现高效运行。第一，太阳能热水系统可以实现最大化的利用免费能源，但制热效率容易受地域、季节、天气等因素的影响，即稳定性不强。第二，空气源热泵热水系统除了在低温下运行效率较低外，受天气、昼夜等因素的影响较小，即稳定性较好，但是空气源热泵热水系统没有最大限度的利用免费能源。基于上述两点，两者的优缺点可实现极好的互补，两者结合使用制热效率将进一步提高。

两者结合的应用方式主要有2种：第一，以太阳能为主，空气源热泵为辅。在光照充足的时候以太阳能制热为主，充分利用免费能源，在光照不足时为了保证水的热度，使用空气源热泵辅助加热。第二，以空气源热泵为主，以太阳能为辅。主要通过太阳能集热来解决冬季夜晚低温环境下空气源热泵效率下降的问题,其余时间利用空气源热泵单独制热,从而可通过空气热能补偿太阳能的不确定性,最大限度地利用可再生能源来实现楼宇供热的需求。

2 学生公寓太阳能热水供应系统应用及改进实施案例

为推进建设节约型校园建设，上海海洋大学在新校区建设中有学生公寓太阳能中央热水系统。目前，该项工程为全国最大的太阳能建筑一体化工程，总集热器面积为6472m2，系统日产热水量为845m3，可同时满足32栋宿舍楼的近16000人的每日热水需求。

2.1 燃气热水锅炉辅助太阳能热水供应系统

2008年9月学校启用新校区之初，学生公寓的热水是由太阳能集热器（板状）与燃气（天然气）热水锅炉相结合的方式所产生的。每栋楼安装一套独立的热水系统，每套系统在楼顶放置了2个10m3或15m3的水箱，铺设了420m2左右的太阳能集热器。同时，每套热水系统配备了一个0.3t/h的天然气锅炉作为辅助热源，以确保在太阳能不稳定的环境中也能为学生提供热水。

但是在实际的运行过程中发现：一，太阳能集热板面积不足；二，受气候、天气等因素的影响太阳能系统供热不稳定。因此，整个热水供应系统在运行中实际上变成“以燃气加热为主，以太阳能为辅”，即燃气锅炉实际上承担了系统大部分的加热任务，使得燃气锅炉的热效率急剧下降，造成能源成本大幅攀升。2010年4月的燃气费用与去年同期相比，上涨了72.5%；2010年5月的燃气费用与去年同期相比，更是上涨了136.3%。

2.2 空气源热泵辅助太阳能热水供应系统

为了更好的利用好已有的太阳能集热系统，同时进一步减少电和燃气能源消耗，学校2010年11月试点改造公寓热水供应系统，试点范围是第十小区的1幢自然楼（A085、A086、A087）。此次试点主要建成了空气源热泵辅助太阳能热水供应系统（保留了原来的燃气锅炉热水系统以备极端天气使用），并于2011年1月5日正式投入使用。经过一年的试点，该幢自然楼的节能性与经济性均达到较好效果，因此学校于2013年年初开始对本科生A区28幢自然楼进行改造，并于2013年9月1日正式投入使用。

表1 改造前后学生公寓A区淋浴热水系统的水、电和天然气消耗

2.3 改造前后节能量和经济性分析

下面根据2013年9-12月与2012年9-12月的运行数据（见表1），从节能性和经济性的角度对空气源热泵改造效果进行比较，以讨论空气源热泵辅助太阳能系统在学生公寓淋浴系统的节能和降低成本方面的优势。

（1）改造前后节能分析

从表1可以看出，整个系统嵌入了空气源热泵后天然气的消耗量大大下降，2013年9～12月比2012年同期下降了74%，但是改造后系统的用电增加了53.45万kWh。根据《综合能耗计算通则》（GBT2589-2008）[1]天然气折标系数为1.2143kg/m3，电折标系数为0.1229kg/kWh，计算得出各个月份淋浴系统的总能耗如图1。可以看出，虽然淋浴系统改造后增加耗电量，但是总能耗却大大降低，尤其是在9、10、11三个月份空气源热泵效率较高，改造后在加热水量增加的情况下每月淋浴系统的能耗仅为改造前的25%，节约了75%的能耗。2012年9-12月淋浴系统能耗为376.4t标煤，而2013年9-12月淋浴系统能耗仅为164.6t标煤，4个月共节约211.8t标煤，节约率57%，效果显著。

图1 2012与2013年同期能耗标煤对比

（2）改造前后经济效益分析

根据各类能源实际价格，所在地区的水价为3.68元/m3，电价为0.636元/kWh，天然气价格为2.50元/m3，根据这些数据进行计算汇总得出系统改造前后运行费用的对比，如图2。

图2 2012与2013年同期淋浴系统能源费用对比

由图2可以看出：随着气温降低，淋浴系统能源费用呈逐月上升趋势，改造后能源支出费比改造前下降幅度较大，显示在学生洗澡用水量上升的现实情况下，该节能改造项目节约了大量能源费用，据测算，2012年9-12月学生宿舍淋浴系统能源支出费用为77.5万元，2013年9-12月能源支出费用为54.36万元，能源费用减少了23.14万元，费用减少了29.86%，系统改造后的经济效益十分明显。

3 结论

上海海洋大学学生宿舍淋浴系统建设之初采用的是太阳能加天然气锅炉进行加热的方式，2010年学校对A085-A087一幢楼进行了嵌入空气能热泵辅助加热方式，经过1年的试点，能源运行费用减少了23.63%，随后学校采用合同能源管理模式扩大改造范围至整个学生宿舍，整个系统于2013年9月开始运行，2013年9-12月能源支出费用与去年同期相比下降了约30%，效果显著。本案例对目前高校既有建筑的淋浴系统改造提供了较好的示范意义。

[1]国家标准化管理委员会工业标准一部.GB/T2589－2008:综合能耗计算通则［S］.北京:中国标准出版社，2008.6.