空气源热泵+太阳能热水系统效益分析

冯春红，钟文乐，丁 飞

（泰州职业技术学院，江苏 泰州225300）

采暖空调能耗已成为建筑能耗的最主要部分，而生活热水能耗也居高不下。在满足人们对生活热水需求的同时，如何选择合适的生活热水制备方式，节约能源消耗，减少环境污染，合理利用可再生能源，降低运行成本，已经众人研究的焦点。

1 常用热水系统特点比较

生活用热水的发展突飞猛进，技术也日益成熟，除酒店、宾馆等商业设施，大量小区住宅、医院、学校等人员密集场所，生活用热水都采用中央热水系统。目前常用热水系统特点杨胤保已作过详细调查[1]，笔者主要从技术经济性、节能环保性这两个角度进行分析。

2 常用热水系统技术经济性分析

我国建筑能耗中80%是供冷供暖和供生活热水。从科学利用热能的角度来说，生活热水温度一般在40℃～60℃之间，属较低品位的热能使用，利用电能、燃油、燃气等高品位的能源来加热生活用热水极不合理。

国家相关文件也对民用建筑节能提出明确要求，在建筑热水系统设计方面应加强推广使用太阳能热水系统。通过对几种常用系统特点进行分析比较，用太阳能、地热能、空气能等低品位的能源可以达到相应效果。

2.1 经济性分析方法

2.2 计算条件及技术经济指标计算

（1）在计算时，将利率i统一设定为10%。

（2）各热水工程方案使用年限n，取最高使用年限，电锅炉、燃气、燃油锅炉、太阳能系统10年，地源热泵、空气源热泵系统15年。

（3）设备的总投资K 估算。系统的总投资主要包括设备的前期费用、安装费用以及其他费用等。因各系统未详细进行设计，其投资额不能精确计算。通过上述计算对比，为便于比较近似认为电锅炉、燃油锅炉、燃气锅炉、太阳能＋电辅系统投资相同，而地源热泵为其3倍、太阳能+空气源热泵系统投资为其2倍。

（4）系统的年运行费用C 计算。系统的运行费用主要包括系统的耗能费用、维护费用以及设备的折旧费等，系统的维护费与总投资有关系，一般取2%，折旧费可以表示为：折旧费=固定资产×（1-预计净残值率）/设备寿命，根据实际工程经验净残值率一般为4%[2]。

1）日需热水量：每天需要热水M=mqr=975*4*40=156000L=156t，其中m为用水单位数（人），qr为热水用水设计日用水量（L/人·d，取40L/人·d）。为计算方便按150t进行计算。

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2）自来水温度为冷水温度，取5℃。

3）计算天数：冬季扣除寒假30 天、暑假60天，全年按270天（9个月）计算。

4）日耗热量Q=CM△T=1Kcal/（kg·℃）×（50-5）℃×150*1000kg=6750000Kcal

5）各种能源理论热值及热源热效率见表1。

6）耗能费用：日耗热量÷能源热值÷热效率×计算天数×能源价格。

a.电锅炉：6750000÷860÷0.9×270×0.58=136.57万元

b.燃油锅炉：6750000÷10200÷0.85×270×8.33=175.1万元

c.燃气锅炉：6750000÷8500÷0.9×270×2.5=59.56万元

d.太阳能+电辅：6750000÷860÷0.9×270×0.4×0.58=54.63万元（太阳能保证率f=60%。）

e.空气源热泵：6750000÷860÷3×270×0.58=40.97万元。

f.地源热泵：6750000×270÷860÷3.5×0.58=35.12万元。

g.太阳能+空气源热泵：6750000×270×0.4÷860÷3×0.58=16.39万元。

2.3 技术经济性分析

经过上述计算，各热水工程方案的技术经济性分析见表2。

各热水系统的年值费用均可以用系统投资的一次函数进行表示。通过对电锅炉、燃油锅炉、燃气锅炉三者比较，燃气锅炉年值费用最少；当系统投资A 大于70.43 万元时，燃气锅炉、太阳能+电辅相比，太阳能+电辅年值费用少；太阳能+电辅与空气源热泵相比，空气源热泵年值费用少；当系统投资A 大于13.6 万元时，地源热泵与空气源热泵相比，空气源热泵年值费用少；当系统投资A不大于273.11万元时，太阳能+空气源热泵与空气源热泵相比，空气源热泵年值费用少。

表1 各种能源理论热值及热源热效率

表2 常用热水系统的技术经济指标

此外，地源热泵、空气源热泵、太阳能＋电辅热水系统在运行费用上有优势，尤其是太阳能+空气源热泵年耗能费用最低、年运行费用最少，该热水方案经济性是最好的，但初投资大，可根据实际情况自行建设或采用BOT方式。

3 常用热水系统节能环保性分析

民用公共建筑内生活热水通常采用电能、燃油、燃气等制取热水，消耗大量的高品位能源，能源消耗日益增长，环境污染日趋严重，且随着能源价格日益上扬，热水系统的运营成本也日益增加。大量的化石燃料的燃烧释放大量的CO2，CO2会导致全球气候变暖。评价一个系统好坏其中最重要的指标就是是否对环境有利，评价方式就是衡量其CO2减排方面的优势。

3.1 节能环保性分析方法

3.2 各热水系统工程方案能耗情况

通过上一节技术经济性分析计算得出各系统年耗能情况，为方便各系统运行能耗的比较和直观性，将各能源转换成等价标煤以及等价折标系数，各热水系统的能耗情况如表3所示。

3.3 节能环保效益分析

从表3得出，太阳能+空气源热泵方案的能耗换算成等价标煤为59tce，也是这几个方案中最小的一个，其他的几个方案能耗从小到大依次为地源热泵、空气源热泵、燃气锅炉、燃油锅炉、太阳能+电辅、电锅炉。因此通过对比可以发现太阳能+空气源热泵系统具有很好的节能性。

经过前节分析，太阳能、地源热泵和空气源热泵热水系统在推广使用、运行费用、节能性上均有优势。现重点比较太阳能+空气源热泵、地源热泵、空气源热泵、太阳能＋电辅热水系统的CO2减排量。系统的年节能量是系统全年提供的热量减去系统全年的能耗。系统日耗热量Q=CM△T=1Kcal/（kg·℃）×（50-5）℃×150×1000kg=6750000Kcal，系统全年提供的热量Qy=6750000Kcal/d×270d×4.1858518 KJ/Kcal=7628715MJ，上述各热水系统工程方案的CO2减排量如表4所示。

由表4 得知太阳能+空气源热泵的CO2减排量最多，其节能环保效益最好，对于减少建筑能耗、提高环境质量，促进节能减排具有重要意义。

表3 各热水系统的能耗情况

表4 各热水系统工程方案的CO2减排量

4 结语

综上，太阳能+空气源热泵年耗能费用最低、年运行费用最少、CO2减排量最多，该热水方案技术条件可行、经济效益明显、节能环保效益显著；但毕竟是两套系统的组合，一次投资高，虽然增加的投资可在系统寿命成本中回收。因此，任何一个太阳能与空气源热泵结合的方案都必须按具体情况设计合理，并对水、电、气价格等因素进行可行性论证后，才能确定。