深圳市空气源热泵辅助太阳能集中热水系统能耗分析及运行优化

张 欣 李 蕾 肖益民



深圳市空气源热泵辅助太阳能集中热水系统能耗分析及运行优化

张 欣1李 蕾2肖益民1

（1.重庆大学 重庆 400044；2.深圳市建设科技促进中心 深圳 518031）

为降低深圳市高层住宅集中式太阳能热水系统的能耗损失及运营成本，以某小区空气源热泵辅助太阳能集中热水系统为例进行能耗分析，进而对系统运行模式进行合理优化。通过实地调研提出目前深圳市集中式太阳能热水系统使用中存在的问题，分析系统单位热水能耗的组成，从能量平衡和能量转化的理论出发确定了热水用量、热水设定温度、系统热损失、集热系统集热效率和热泵机组热效率五个主要的影响因素。对深圳市某小区空气源热泵辅助加热太阳能热水系统进行运行监测，对比了模拟计算的系统能耗和实际能耗，并对系统的运行提出了优化建议。

空气源热泵；太阳能热水系统；能耗分析；系统优化

0 引言

经过对深圳市50个住宅项目太阳能热水系统使用情况的调研发现，系统正常使用的项目为24个，未投入使用的有26个，使用率为48%；其中高层住宅太阳能热水系统正常使用的比例仅为8%，详情见表1。调研结果显示，影响太阳能热水系统在高层建筑中使用的原因主要在于入住率低、收费价格高、系统热稳定性不好、运营管理及服务质量差。

因此降低太阳能热水系统的能耗，加强系统运营维护直接关系到运营商利润以及运营收费标准等。研究系统能耗的组成及影响因素，有利于运营商合理控制系统的运行，降低系统能耗。

1 工程介绍

小区位于深圳市福田区，地处广东省南部沿海的夏热冬暖地区，年平均气温22.3℃，最冷月气温（1月）为14.5℃，最低水温为14℃。年平均太阳能辐射量为5225MJ/㎡，属太阳能资源一般区，但冬季（1月、2月及12月）太阳能辐射量可高达1014.9MJ/㎡[1]。系统的供水设计温度为60℃，以恒温恒压24小时不间断供水为设计目标。

表1 深圳市太阳能热水系统使用情况统计表

1.1 小区太阳能热水系统简介

小区共有22栋楼（1栋A、B、C座，2栋～20栋）安装太阳能热水系统，每栋楼分别安装一套太阳能+热泵集中热水系统。热水供给每栋住宅上部18层2214户共7749人使用（每户按3.5人计）。每个系统采用集中加热集中储水的形式。由6318㎡一体成型平板式集热器（安装于屋面花架上）、60台空气源热泵机组、22个预热水箱，22个恒温水箱，44台太阳能循环水泵，44台供水泵，44台热水加压泵，22台隔膜式汽压罐及22套自动控制系统组成。其中预热水箱和恒温水箱的容积为18m³；太阳能集热器朝南布置，倾角为22°；空气源热泵的输入功率为18kW，供热量为60kW；太阳能循环泵额定流量为12.5m³/h，扬程为20m，额定功率为1.5kW；供水泵和热水加压泵的额定流量为11m³/h，扬程为16m，额定功率为1.1kW。

1.2 系统运行控制

图1 集中储水系统

图2 平板型太阳能集热器

图3 供水泵

图4 空气源热泵

晴天时，当预热水箱水位低于30%，控制阀1开启并对集热系统进行补水，屋顶太阳能集热单元对预热水箱的低温水进行循环加热，太阳能循环泵的启停由温差进行控制。当恒温水箱的水位低于60%时，热水加压泵将预热水箱中60℃左右的热水送入恒温水箱；当预热水箱的温度不在57～60℃时，启用热泵对预热水箱的来水进行加热并送入恒温水箱，即热水加压泵的启停采用水位控制法，空气源热泵采用定温控制。当傍晚以后用户用水高峰期来临时，恒温水箱和预热水箱水位下降，系统重新对集热系统进行补水，第二天继续通过集热系统集热，如此周而复始[2]。

阴天或雨天时，集热器提供的热量达不到系统的水温要求，热泵需要长时间的工作使系统的供水温度达到要求。

图5 空气源辅助加热太阳能热水系统原理图

2 能耗影响因素

空气源热泵辅助加热太阳能热水系统的能耗主要包括空气源热泵的耗电量以及太阳能循环泵、供水泵的耗电量。其中空气源热泵的耗电量主要与系统热负荷和集热系统得热量有关，系统循环水泵、供水泵耗电量主要与用户热水用量有关[3]。

系统的得热包括集热系统从太阳能辐射热转化而来的集热系统的有用得热量和热泵机组耗费电能转化而来的制热量，得到的热量用来满足用户的热量需求，同时有一部分热量损失传递到环境之中。

2.1 系统热负荷

(-) （1）

式中：为热水负荷，kW；为水的密度，kg/m³；为水的定压比热容，4.178kJ/kg·℃；为热水用量，m3；为热水设定温度，℃；为冷水温度，℃。

2.2 集热系统的得热量

=HA(1-) （2）

式中：为集热系统的有用的热量，kJ；为集热器的采光面积，m2；为太阳能集热器采光面上的太阳辐照量，kJ/m2；为集热器效率；为集热系统的管网热损失率。

2.3 热泵机组的制热量

=×（3）

式中：为热泵机组的制热量，kW；为热泵机组的耗电量，kW；为热泵机组的制热效率。

2.4 水泵耗电量

式中：为热水用量，m3；为水泵额定流量，m3/h；为水泵额定功率，kW。

从公式（1）、（2）、（3）和公式（4）可以看出，影响空气源热泵辅助加热太阳能热水系统能耗的主要因素为用户热水用量、热水设定温度T、集热系统集热效率、热泵机组的热效率、系统热损失。

3 运行测试与结果

现对该小区太阳能热水系统的月热水用量和太阳能热泵的月耗电量进行了为期一年的数据统计[4]，进而对该系统进行理论能耗分析[5]，并与实际能耗进行了对比，详情见表2。

其中辐射量为当年气象部门统计的月平均辐射量，冷水温度为当年气象部门统计的月平均气温，热水计算温度取系统设计供水温度60℃，集热效率为集热器测试所得平均效率，管网热损失取平均值0.15，集热板面积为618m2。热水月总耗热量根据公式（1）计算得出，太阳能贡献热量根据公式（2）计算得出，热泵理论耗电量根据公式（3）计算得出，水泵理论耗电根据公式（4）计算得出。

表2 小区太阳能热水系统能耗分析

图6 单位用户月均太阳能热水使用量统计表

该小区12个月用户平均每户使用热水量和单位热水辅助加热耗电量情况如图6、图7所示。从图中可以看出，小区居民使用太阳能热水高峰期主要集中在12月至次年的3月（热水用量超过7m3/户·月，热水辅助加热耗电量超过14kWh/m3）。全年平均使用热水量为6.4m3/户·月，太阳能热水辅助加热平均耗电量为8.4kWh/m3。

月太阳辐射量与月均大气温度最高都为7月份，月均太阳辐射量最低为2月份，月均大气温度最低为1月份。由图7可知，单位热水辅助加热耗电量最低为9月份，最高位2月份，这是由于深圳地区夏季属于汛期，七八月份多台风气候，在阴雨天需要多次启动热泵，相较之下9月份天气晴好，热泵开启次数最少。

图7 单位热水辅助加热耗电量统计表

4 系统优化建议

4.1 调整系统供水温度

从表2可以看出，5月至10月系统实际耗电量远远大于理论耗电量。一方面是由于深圳市从4月到11月处于高温多雨期，阴雨天气需要热泵长期运行来提供热量，系统耗电量较大；另一方面，系统设置不合理，深圳市夏季气温较高，用户对热水温度的要求较低，5月至10月可调整系统的供水温度为50℃，那么从5月至10月除阴雨天气外，空气源热泵都不需启动，系统能耗将大大降低。11月至次年4月系统实际耗电量和理论耗电量相差在22%以内，可调整系统的供水温度至55℃，系统能耗将降低15%～24%。

4.2 减少系统热损失，提高系统热转化效率

夏季较冬季温度高、辐照量大，集热系统集热量大，集热系统的热效率也较高，热泵的热效率也较高，晴好天气热泵基本不需启动；相反冬季较夏季的热水需求量较大，但集热系统集热量和集热效率都较低，因此热泵需提供的热量较大，冬季热泵的热效率又较低，热泵的耗电量大大高于夏季；冬季系统管网和水箱的热损失也较夏季大。可加强系统管网和水箱的保温性能，减少热量损失；保持热泵机房良好的通风，保证热泵机组排出的冷量及时扩散并排出机房，热泵从环境中获得相对高品质的空气热能，提高热泵机组的热效率[6]。

4.3 调整收费模式，降低热水用量

从图7可以看出，12月份至来年3月份，单位太阳能热水辅助加热耗电量远高于其他几个月份，主要是由于冬季环境气温较低，太阳能热泵的能效低，系统热损失大，且用户对热水的需求量和温度要求都较高。

经过调查发现，该小区采用面积收费法，每月每户热水使用量设计标准在8.4m3以内的，按8.4m3计算；超过8.4m3的，超出部分按19元/m³加收热水加热费。从表1可以看出，除1月份，每月每户热水用量都低于8.4m3，这种收费标准无形中促使用户多用热水。应调整收费模式或调低用水上限，控制居民的合理热水用量，系统能耗也将大大降低[7]。

5 结论

本文介绍了深圳市某高层住宅小区空气源热泵辅助加热太阳能热水系统的系统组成及运行原理，通过对系统进行为期一年的运行数据监测，进而对系统进行理论能耗分析并与实测能耗进行对比，据此给出系统优化建议。主要结论如下：

（1）深圳可分为夏季（6月-10月）、冬季（12月-次年3月）和过度季（4、5、11月），该系统夏季空气源热泵辅助加热太阳能热水系统单位热水能耗为3.29m3/kWh，冬季系统单位热水能耗为15.65m3/kWh，春秋季系统单位热水能耗为7.31m3/kWh，随季节变化幅度较大；深圳市居民热水用量按照季节变化进行相应变化，冬季用水量最多，夏季用水量最少，但从全年来看变化幅度比较平缓。

（2）该小区太阳能热水系统若5月至10月调整供水温度至50℃，则除阴雨天外，不需启动空气源热泵；若11月至次年4月调整供水温度至55℃，系统能耗将降低15%～24%；通过调整收费模式可降低居民热水使用量，从而降低系统能耗。

（3）系统能耗除了与系统总的热负荷以及集热系统的集热量有关外，还与集热系统的集热效率和热泵的热效率有关。在居民用水需求不变的情况下，辐照量越大、温度越高，系统需要热泵开启的时间越少，热泵的热效率越高，系统的能耗将越低。

[1] 谢蓉.深圳市太阳能热水系统的设计[J].中国给水排水,2007,23(18):36-38.

[2] 彭娇娇,刘光远.空气源热泵辅助太阳能热水系统的性能测试与分析[J].能源技术,2010,31(2):100-103.

[3] 郑瑞澄,陆宾.太阳能供热采暖工程应用技术手册[M].北京:中国建筑工业出版社,2012:55-58.

[4] 廉小亲,张晓力.太阳能热水监测系统的数据处理及分析[J].测控技术,2009,28(8):18-20.

[5] 万晶.建筑太阳能热水技术的经济评价研究[D].武汉:武汉理工大学,2012.

[6] 刘雨曦.空气源热泵辅助太阳能热水系统在夏热冬冷地区的运行模拟和应用研究[D].重庆:重庆大学,2011.

[7] 施龙,刘刚.以空气源热泵辅助加热的太阳能热水系统[J].可再生能源.2013,31(1):97-101.

Analysis of Energy Consumption and Operation Optimization of Air Source Heat Pump Assisted Solar Energy Hot Water System in Shenzhen

Zhang Xin1Li Lei2Xiao Yimin1

( 1.Chongqing University, Chongqing, 400044;2.Shenzhen Construction Science and Technology Promotion Center, Shenzhen, 518031 )

In order to reduce the energy consumption and operating costs of centralized solar energy hot water system in the high-rise residential in Shenzhen, take the air source heat pump assisted solar energy hot water system of a district as an example for analysis of energy consumption, and then optimize the system operation mode. Put forward the problems existing in the use of the centralized solar energy hot water system through the investigation in Shenzhen, then analyze the composition of the unit energy consumption of hot water, from the energy balance and energy conversion theory to determine the amount of hot water, hot water set temperature, the system heat losses, collection efficiency of solar collector system and thermal efficiency of the heat pump unit are five main factors. Operate and monitor the air source heat pump assisted solar energy hot water system of a district in Shenzhen, Compared the simulated energy consumption with the actual energy consumption and optimized the system.

Air source heat pump; Solar hot water system; Analysis of energy consumption; System optimization

1671-6612（2016）05-590-05

TK512+4

A

张 欣（1990-），女，在读硕士研究生，E-mail：tjjhzx33@163.com

肖益民（1974-），男，博士，副教授，E-mail：xiaoyimin1974@126.com

2015-05-04