夏热冬冷地区学生公寓热泵热水系统的应用分析

王灿 吴慧华

南京理工大学能源与动力工程学院

0 引言

目前，我国建筑用能已占社会能耗总量的1/3，且仍在继续增长，节能减排也已成为社会热点。生活热水节能作为建筑节能的一个重要领域，若能采用可再生能源加热生活用水，将具有非常可观的节能减排效果。我国高校分布状况以夏热冬冷地区为最多，据统计，仅南京市高校学生总数就达80万人，而高校热水供应系统大多在用燃气锅炉或电锅炉，热水能耗极大且存在环境污染。近年来，空气源热泵和热源塔热泵技术得到快速发展，通过利用少量电能，将空气中的低品位热能转化为高品位能量，可用于加热生活热水。若高校建立以公寓楼为单位的独立式热泵热水系统，不仅可以提高学生学习生活品质，同时起到节能环保作用。

1 热泵热水系统介绍

热泵热水机组按照加热方式可分为循环式和直热式。循环式热泵是指被加热的水反复多次经过机组循环才能被加热到设定的温度，每循环一次，水温上升5～10℃。直热式是指进入机组的冷水一次就被加热到设定的目标温度。根据目前已有的工程实践，对于公寓类建筑，应优先选择直热式热泵热水系统[1]，见图1。来自市政管网的冷水经冷水泵加压后进入机组，直接加热至目标温度（55℃）时送入保温水箱。当保温水箱内水位达到设定值后，机组和冷水泵停止运行。当保温水箱内水温和水位均高于设定下限值时，开启热水增压泵供应热水，同时管网内热水回到保温水箱。当水箱内水温低于设定温度下限值时，开启热水循环泵和机组进行循环加热，直至水温达到55℃为止。

图1 直热式热泵热水系统图

2 可行性分析

空气源热泵热水机组的能效比（COP）是评价机组节能效果的性能指标，但名义工况下的COP与实际运行工况差异较大，并不能充分反映机组性能状况，而且机组全年都在制热工况下运行，室外环境温度，初始加热水温和目标水温对其影响极大。因此为更加合理评价空气源热泵热水机组全年运行的性能指标，G.L.Morrison等[2]人通过结合计算拟合出热泵热水机组季节性COP的经验公式：

式中：ai，Tt，Ta，Tw和 Td分别为季节性修正系数，水温，环境温度，湿球温度和露点温度，其中水温Tt为初始冷水温度与目标温度的平均值。

吴静怡等[3]验证结果表明式（1）计算出的COP具有通用性，可准确反映空气源热泵热水机组实际运行的综合性能。对于南京地区，依据典型气象数据[4]，由式（1）计算出的空气源热泵热水机组的逐月COP曲线，如图2所示，这与南京某高校机组的实际运行COP值吻合度极高[5]，故认为机组年平均COP在3.4左右。

南京属于夏热冬冷地区，虽然适合使用空气源热泵热水系统，但由于冬季低温高湿，机组极易结霜甚至难以正常运行，且整个冬季的平均温度都低于10℃，因此按规范宜设置辅助热源。空气源热泵热水机组可以先将水的温度加热到相对较高的中间温度（40℃左右），起到温度品味提升的作用，然后借助电加热等辅助方式将水温加热到55℃。辅助热源的引入虽然会增加热水系统一定的初投资，但可以有效解决热泵机组冬季各类故障，减少除霜能耗，延长机组使用寿命。

热源塔热泵技术是近年来依据夏热冬冷地区气候特点，尤其是冬季低温高湿而新兴并快速发展应用的一种节能技术，通过利用水或防冻溶液与热空气进行热质交换，从而提取空气中的热能，它既是水源热泵的衍生品，也是空气源热泵的一种先进形式。根据目前应用反馈情况[6,7]，热源塔热泵机组的年平均COP在4.0左右。总之，夏热冬冷地区学生公寓可以采用电辅助空气源热泵或热源塔热泵热水系统供应生活热水。

3 效益分析

3.1 工程案例及基础数据

该案例为南京某高校一幢12层学生公寓，均为4人标准间，共有学生1200人。依据规范[8]，每人每天热水用量为50 L，则日总用水量为60 t，冷水进水平均温度取值10℃，热水出水温度为55℃。考虑学生假期，全年供水时间取为290天，冬季电辅助加热时间为60天。空气源热泵机组制取热水年平均COP取值3.3，电辅加热器热效率取值0.95，热源塔热泵机组年平均COP取值4.0，用电热值为3.6 MJ/kWh。基础数据取值均为保守值，以确保效益计算分析准确。

3.2 经济运行效益分析

依据上述数据，可得该公寓年总耗热量：4.2×60×(55-10)×290=3288600MJ

热源塔热泵机组年耗电费：3288600 MJ÷(4.0×3.6)×0.55=12.56万元

空气源热泵机组年耗电费：3288600 MJ÷(3.3×3.6)×0.55=15.22万元

冬季电辅耗电费用：4.2×60×(55-35)×60÷(3.6×0.95)×0.55=4.87 万元

则空气源热泵系统年总耗电费用为20.09万元。此处空气源热泵年耗热量的计算略大，主要是弥补冬季进水温度低及除霜所需的能耗。

目前高校生活热水供应系统多为电锅炉（电热水器）和燃气锅炉，故将二者与热泵系统进行对比，依据燃料耗量公式（燃料年需求量=年总热量÷燃料热值÷热效率）以及燃料单价求出不同系统的年运行费用，见表1。由表1可知：电辅空气源热泵热水系统的年运行费用比常规燃气锅炉系统节省5.29万元，同时是电锅炉或电热水器系统费用的38%。热源塔热泵热水机组的年运行费用为燃气锅炉的一半，是电锅炉或电热水器的24%，可见经济效益更为显著。虽然热源塔热泵热水机组的年运行费用比电辅助空气源热泵少，但由于热源塔热泵系统组成设备更为复杂，存在机组外其他设备用电且初投资更高，故不能单纯认为热源塔热泵系统的总经济效益一定优于电辅助空气源热泵热水系统。

3.3 节能环保效益分析

由于不同能源计量单位不同，为方便比较不同系统的能耗，将各能源转化为等价一次能源标准煤，其中电能与一次能源的转化率取为0.35，标准煤的热值取为29.3MJ/kg。根据燃料耗量公式进行热能换算，可得燃气锅炉系统和电辅助空气源热泵热水系统年运行能耗分别为140.3吨和128.2吨标准煤，相当于电辅助空气源热泵热水系统每年节省12.1吨标准煤，由可知，相当于每年减少29.9吨CO2、0.24吨SO2和0.12吨粉尘排放量。若进一步将耗电量等价为天然气用量，可得电辅助空气源热泵热水系统的年运行能耗为105919.38 Nm3，比燃气锅炉系统节省天然气9551.13 Nm3。同理可知，热源塔热泵热水系统节能环保效益更为优越。

4 结语

1）结合南京气象数据，证实高校采用电辅助空气源热泵或热源塔热泵热水系统具有可行性，比医院、酒店等建筑类型更具应用性，可实现系统全年高效稳定运行，满足生活热水需求。

2）同常规热水供应系统相比较，热泵热水系统的节能环保效益突出，值得夏热冬冷地区众多高校大力推广使用，不仅有利于提高学生生活品质，打造绿色校园，同时对地区的节能减排大有裨益。

3）此外，学生公寓用水具有明显的特点，例如男女用水量差别较大，热水使用时段主要集中在晚上等。若依据不同性别确定公寓用水总量，同时合理利用谷电加热，实现削峰填谷，更会使得热泵热水系统能耗降低，节省更多运行费用，经济效益将更为显著。