空气源热泵辅助太阳能集中生活热水系统分析

余 勋 （思迈建筑设计（上海）有限公司，上海 230000）

1 引言

2020 年9 月，习近平总书记在联合国大会上宣布：“中国力争于2030 年前二氧化碳排放达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和目标。”当前我国建筑行业运行碳排放约占全国总量的20%，各领域都在探寻快速实现碳达峰并深度减排的有效途径。集中生活热水系统作为建筑总能耗中不可忽视的重要组成部分，目前仍较多以燃煤、燃油、燃气等化石能源作为热源[1-3]。在双碳目标下，生活热水系统寻找清洁高效的替换能源刻不容缓。

太阳能作为一种清洁环保、安全无害的可再生能源，其开发利用能有效缓解碳排放压力。但在夜晚、连续阴雨或者日照时数较低等气候条件下，太阳能资源不足，无法连续运转，空气源热泵凭借其高效、安全耐用、安装灵活等优势成为太阳能系统的首选辅助热源。空气源热泵辅助太阳能热水系统既能克服有时太阳能辐照量不足的弊端，又能有效弥补空气源热泵在室外气温较低时制热性能下降的不足。目前，空气源热泵和太阳能常见的组合形式分为2 种，即空气源热泵辅助太阳能制备热水和空气源热泵辅助太阳能制备热媒。控制系统是整个热水系统的中枢，有效合理的控制方式是保证整个系统稳定高效运行的关键所在[4]。因此，本文分析了空气源热泵辅助太阳能制备热水和热媒系统的控制逻辑、优缺点及选择依据，并以上海某新建酒店为研究对象，分析空气源热泵辅助太阳能制备热水系统的能源供比和二氧化碳排放量。

2 空气源热泵辅助太阳能制备热水

空气源热泵辅助太阳能制备热水的系统示意图如图1 所示，根据室外气候条件的不同，本系统可分为4 种运行工况[5]，即太阳能集热单元单独运行、空气源热泵单独运行、太阳能集热单元与空气源热泵联合运行、太阳能集热单元与空气源热泵均不运行。

图1 空气源热泵辅助太阳能制备热水系统示意图

根据图1 可知，本系统运行控制逻辑如下。T1-T2≥5～10℃，太阳能集热循环泵开启；T1-T2＜1～3℃，循环泵关闭。T2-T3≥5～10℃，集热与供热循环泵开启。T3＜50℃，空气源热泵循环泵开启；T3≥58℃，循环泵关闭。T4＜53℃且T4-T3≥5℃，生活热水供应系统循环泵开启；T4≥53℃，循环泵关闭。

3 空气源热泵辅助太阳能制备热媒

在改造项目中，受原热水系统形式、机房面积、结构荷载等诸多因素限制，利用空气源热泵辅助太阳能系统满足冷热水同源的要求时，可利用其制备热媒，示意图如图2所示。

图2 空气源热泵辅助太阳能制备热媒系统示意图

根据图2 可知，本系统运行控制逻辑如下。T1-T2≥5～10℃，太阳能集热循环泵开启；T1-T2＜1～3℃，循环泵关闭。T2-T3≥5～10℃，集热与供热循环泵开启。T3＜50℃，空气源热泵循环泵开启；T3≥58℃，循环泵关闭。T4＜53℃且T5-T4≥5℃，生活热水供应系统循环泵开启；T4≥53℃，循环泵关闭。T5≤58℃，热媒循环泵开启；T5＞58℃，循环泵关闭。

4 系统对比分析

上述2 种组合形式优缺点对比见表1。

表1 空气源热泵辅助太阳能热水系统对比

由表1 可知，制备热媒的系统热效率较低，一是受限于热泵的出水温度，热媒温度较低；二是多一级换热。鉴于板式换热器换热温差小，故推荐板式换热器配闭式储水罐的换热方式。空气源热泵辅助太阳能制备热水的系统控制简单，制备热媒的系统控制相对较复杂，但其灵活度高，冷、热水箱分设不同处亦可实现冷热水同源，故适用于改造项目。对于新建项目，建议优先选择空气源热泵辅助太阳能制备热水的系统，冷、热水箱同设于屋面保证冷热同源，充分利用空气能和太阳能。

5 能源供比分析

此处以上海某新建100 间单人间客房的高端酒店为例，分析空气源热泵辅助太阳能制备热水系统的太阳能、空气源热泵和电加热的能源供应量。该热水系统平均日耗热量Qmd按式（1）确定，其值为1.44×106kJ/d。

式中，Qmd——平均日耗热量，kJ/d；qmr——平均日热水用水定额，取140L/（床·d）；m——用水计算单位数，取100床；b1——同日使用率，取0.5；C——水的比热，4.187kJ/(kg·℃)；ρr——热水密度，0.983kg/L；tr——热水温度，60℃；——年平均冷水温度，10℃。

根据《建筑给水排水设计标准》（GB 50015-2019），空气源热泵按上海春分所在月平均温度12℃选型，所需制热量85kW。参照空气源热泵样本，对应输入功率18kW，8℃时低温制热衰减15kW。系统晴天由太阳能供热，多云天气由太阳能和空气源热泵等比例联合供热，阴雨雪天气由空气源热泵供热，高温低于12℃时考虑热泵制热衰减。太阳能、电加热和空气源热泵年均能源供应量分别表示为Q阳、Q电、Q空，表达式见式（2）～式（4），计算结果见图3。

图3 空气源热泵辅助太阳能制备热水系统二氧化碳排放量

式中，Qmd——太阳能年均能源供应量，kJ/a；Q电——低温时电加热年均能源供应量，kJ/a；Q空——空气源热泵年均能源供应量，kJ/a；D晴——2022 年上海全年晴天天数，52d；D云——2022 年上海全年多云天数，229d；D阴雨雪——2022 年上海全年阴雨雪天数，84d；D1——2022年上海全年多云天气中气温低于12℃的天数，45d；D2——2022 年上海全年阴雨雪天气中气温低于12℃的天数，22d；k——多云天气太阳能和空气源热泵供能比例，上海2022 年多云天气平均云量为50%，k 取50%；ΔP——空气源热泵低温运行的制热衰减，低温运行平均温度为8℃，15kw；T——空气源热泵设计工作时间，12h/d。

经计算，结果如图3所示。

由图3 可知，本系统年均供热量为5.26×105MJ/a，太阳能和空气源热泵供热比例相当，均占总供热量的46%，电加热占总供热量的8%，节能效果显著。

6 二氧化碳排放量分析

此处仍以上海某新建100 间单人间客房的高端酒店为例，分析空气源热泵辅助太阳能制备热水的系统的二氧化碳排放量。二氧化碳排放量表达式为[6]：

式中，QCO2——二氧化碳排放量，kg/a；Q——系统中会引起二氧化碳排放的能源的年平均能耗，MJ/a；W——标准煤的热值，为29.308MJ/kg；Eff——加热装置的效率，电加热和燃气锅炉均按90%计；FCO2——碳排放因子，kg 碳/kg 标准煤，燃气0.404、电能0.866。

空气源和太阳能无二氧化碳排放，系统的Q 值计算见式（6），主要包括两部分，一是气温低于12℃时弥补热泵制热衰减的辅助电加热能耗，二是热泵工作时输入的电功率能耗。传统燃气锅炉热水系统年能耗Q 计算见式（7），为用水系统的年平均耗热量。

式中，P——空气源热泵的输入功率，18kw。

经计算，空气源热泵辅助太阳能制备热水系统的二氧化碳排放量为23884kg/a，传统燃气锅炉热水系统二氧化碳排放量为29540kg/a，年二氧化碳排放减少5656kg，减碳19.1%，减碳效果显著。

7 结论

集中生活热水供应系统中，太阳能与空气源热泵常见的组合形式分为两种，即空气源热泵辅助太阳能制备热水和空气源热泵辅助太阳能制备热媒。其中，制备热媒的系统灵活度高，多用于改造项目，而新建项目建议优先选用空气源热泵辅助太阳能制备热水。

控制系统是整个热水系统的中枢，有效合理的控制方式是保证整个系统稳定高效运行的关键所在。

研究案例充分利用太阳能和空气源热泵，二者供热比例相当，各占总供热量的46%，电加热占总供热量的8%。

较传统燃气锅炉热水系统，空气源热泵辅助太阳能制备热水的系统减碳19.1%，减碳效果显著。