上海某学生公寓CO2热泵-太阳能互补热水系统运行效果评估

蒋友娣 夏婵 程烜

上海市建筑科学研究院有限公司

0 引言

我国在《巴黎协定》下承诺“到2030年，单位GDP CO2强度比2005年下降60%～65%，特别是到2030年前后实现CO2排放达到峰值并努力早日达峰”。2020年，国家主席习近平在第75届联合国大会期间提出，中国CO2排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。然而，根据《中国建筑能耗研究报告（2019）》显示，我国2017年建筑能耗占全国能源消费总量的比重为21.11%，建筑碳排放占全国能源碳排放比例为19.5%，我国碳减排工作已经进入总量控制阶段，建筑节能将是我国实现2030年碳减排目标的关键领域。

目前，建筑电气化和可再生能源利用是建筑碳中和的主要路径[1]。针对公共建筑，生活热水可采用电驱动热泵或者采用直接电热设备替代燃气或燃油锅炉，或者采用太阳能热水系统替代锅炉制取热水。CO2热泵是采用CO2工质作为制冷剂的热泵机组，与传统热泵加热方式相比，CO2热泵COP更高，可在短时间产生更高温的热水，是一种高效节能的装置。将太阳能技术与CO2热泵技术有效结合，可以相互弥补，真正实现高效、全天候运行，其应用日益增长[2-5]。

本文以上海某学生公寓为案例，分析CO2热泵-太阳能互补热水系统实际运行效果，其结果为CO2热泵-太阳能互补系统应用提供参考价值，有助于公共建筑碳达峰和碳中和目标实现。

1 工程概况

上海某学生公寓，建筑总面积为1.7万m2，包括2栋4层学生公寓和2栋6层学生公寓。入住学生人数为1 008位，设计每人每天用生活热水最高定额为70 L，每天最高供给热水70 000 L。该学生公寓设置有2套同样组合的“CO2热泵-太阳能”互补运行的热水系统，每套分别供应1栋4层和6层的学生公寓。该系统采用绿色、环保及节能等技术，采用多功能互补形式，以最少的能耗达到了最高的效率，完成全天24 h供给生活热水的要求。

热水系统热源及主要附属设备主要参数如表1所示。

表1 热水系统热源及主要附属设备主要参数信息表

根据室外环境情况，本热水系统优先利用太阳能生产集热水储存于集热水箱，若此集热水箱中的热水温度达不到用户需求（设计用户热水供水温度为60℃），则开启高效的CO2热泵机组生产高温水储存于高温水箱，然后集热水箱和高温水箱通过管道连接物理自动混水阀，自动混合后有效输出恒温热水。热水系统流程如图1所示。

图1 热水系统流程图

2 太阳能热水系统集热效率和保证率评估

根据《可再生能源建筑应用测试评价标准》DG/TJ 08-2162-2015的相关要求，同时结合室外环境及现场实际情况，选取1栋学生公寓，对太阳能热水系统进行了2个工况（阴天和晴天）的现场检测，检测工况和检测结果如表2和表3所示。集热器进出口温度及太阳辐照度数据如图2和图3所示。

表2 检测工况

由表3和图2、图3可知：

图3 集热器进出口温度及太阳辐照度数据实时图（工况1）

表3 太阳能热水系统的集热效率和保证率测试结果

图2 测试布点位置示意图

1）太阳能热水系统综合集热系统效率为54.0%，满足《可再生能源建筑应用测试评价标准》DG/TJ 08-2162-2015中“太阳能热水系统集热效率应大于等于40%”的要求。

2）太阳能热水系统全年太阳能保证率为54.0%，满足《可再生能源建筑应用测试评价标准》中“太阳能热水系统的太阳能保证率应大于等于45%”的要求。

3）工况1（阴天）供热水温度在43~50℃之间，工况2（晴天）太阳能系统的供热水温度在45~55℃之间，基本满足《可再生能源建筑应用测试评价标准》DG/TJ 08-2162-2015中对热水出水温度的要求。

3 CO2热泵机组性能评估

根据《公共建筑节能检测标准》JGJ/T 177-2009的相关要求，选取1台CO2热泵机组进行了现场检测。在室外环境温度为15.2℃，相对湿度为67.3%时，CO2热泵机组性能系数为4.1 W/W。具体结果如表4所示。

表4 CO2热泵机组性能系数检测结果

图4 集热器进出口温度及太阳辐照度数据实时图（工况2）

经评估，当平均室外环境温度为15℃时，根据型号为CkYRS-70IICO2热泵热水机组的性能曲线（如图5）可查得机组COP约为4.2，与实际检测的运行效率接近，故判定CO2热泵热水机组性能系数基本符合要求。

图5 CO2热泵机组性能随环境温度的变化曲线

4 CO2热泵-太阳能热水系统节能效果评估

通过本系统的年设计热水需求量及全年太阳能保证率，可得辅助热源CO2热泵系统需提供的年热水量，再根据CO2热泵系统的年运行效率，可得CO2热泵系统的年电耗，即“CO2热泵-太阳能互补热水系统”的年能耗。具体如表5所示。由表5可知，本系统的热水系统年能耗为8.2万kWh。

表5 CO2热泵-太阳能热水系统的年能耗

对于热水系统，目前常规能源多以电热和燃气热水器为主。为分析本热水系统的运行效果，评估时将此热水系统与电热热水器和燃气热水器的能耗进行了对比分析。

1）与电热热水器系统的对比分析

本系统的设计热负荷为2 704 212 MJ，根据现行国家标准《储水式电热水器》GB/T20289中的规定，电热水器加热效率最低为0.9，分析时取0.9，则全部采用电热水器供热时年电耗为83.5万kWh。本热水系统与此对比，年节电量为75.2万kWh，节电率为90.1%，节碳量为592.6 tCO2，具体如表6所示。

表6 与电热水器的对比分析表

2）与燃气热水器系统的对比分析

本系统的设计热负荷为2 704 212 MJ，根据《可再生能源建筑应用测试评价标准》DG/TJ 08-2162-2015的规定可知燃气热水器加热效率为0.84，则全部采用燃气热水器供热时年天然气量为90 572 m3，折合等效电为64.7万kWh。本热水系统与此对比，年节电量为56.5万kWh，节电率为87.3%，节碳量为445.2 tCO2，具体如表7所示。

5 结论

在我国双碳目标大背景下，建筑电气化和可再生能源利用是建筑碳中和的主要路径。本文以上海某学生公寓为案例，分析CO2热泵-太阳能互补热水系统实际运行效果，分析结果如下。

1）太阳能热水系统综合集热系统效率为54.0%，全年太阳能保证率为54.0%，满足标准要求。

2）本热水系统与电热热水器系统进行比较时，年节电量为75.2万kWh，节电率为90.1%，节碳量为592.6 tCO2；与燃气热水器系统进行比较时，年节电量为56.5万kWh，节电率为87.3%，节碳量为445.2 tCO2；CO2热泵-太阳能互补热水系统节能效果可观。

3）本热水系统采用的“CO2热泵-太阳能”互补的绿色、环保、节能等技术，具有能耗低、供应热水温度稳定、控制方便等优点，可在有热水需求的项目中推广应用，有助于碳达峰和碳中和目标实现。