史海林，郑怡莉，邹胜利
山东大学（青岛）后勤管理处，266237
摘要：本文以某沿海高校宿舍区典型太阳能辅助空气源热泵系统为研究对象，根据当地气候、太阳能资源情况，研究了3.21～4.5和11.1～15这两个时间周期内太阳能辅助空气源热泵系统替代燃气热水锅炉房作为生活热水热源的可行性。通过建立模型、选取室外气温范围下对应的空气源热泵的做功能效系数和模型计算，从能量消费和成本费用2个方面评估了延长前、后的效益。结论证明在适当的室外气温下适当延长太阳能辅助空气源热泵系统运行周期，具有显著的节能经济和环保效益。
关键词：空气源热泵；燃气；热水；节能；成本；
1 背景
近年来，全国树立和践行绿水青山就是金山银山的理念，国民经济和人民生活形成绿色发展方式和生活方式，国家对可再生能源的发展也日益重视，政策支持力度不断增大。2020年4月10日，国家能源局发布了关于《中华人民共和国能源法（征求意见稿）》（以下简称《征求意见稿》）公开征求意见的公告。在《征求意见稿》中，国家进一步强调优先发展可再生能源，推动非化石能源替代化石能源的相关政策。国家将制定相关价格、财政等优惠政策，进一步激励和支持可再生能源开发利用。
国内高校积极践行空气源和太阳能的利用。不少高校采用空气源热泵和太阳能联合系统为校园提供生活热水[1][2][3]，而研究证明环境温度、太阳能贡献率对空气源热泵系统的全年能效系数有显著影响[4][5]。
本文以青岛市某高校为例，研究延长太阳能辅助空气源热泵系统运行周期，替代燃气热水锅炉房作为生活热水热源的可行性。根据当地气候、太阳能资源情况，合理选取3月21日～4月5日和11月1日～15日这两个时间周期；通过建立模型、选取合理参数进行计算，评估其能量消费、成本费用和碳排放量的对比情况和效益。
2 原始数据
2.1地理位置和气候条件
项目所在地位于位于青岛市北部，地处东经120°07′～121°23′，北纬36°18′～36°37′，属平原丘陵半湿润温凉气候区，光照充分，四季分明，气候温和，雨热同期。春季气温回升缓慢，较内陆迟1个月，风大，降水少，易干旱；冬季风大温低，持续时间较长。年平均气温12℃。无霜期200天左右，年平均相对湿度为70.65%。年日照时数达2345.1小时。图1、图2分别为青岛市月平均气温和月平均太阳辐射量[6]。
图1 青岛市月平均气温分布情况 图2 青岛市月平均太阳辐射量
2.2 生活热水供应现状
目前，宿舍区生活热水的热源有2种供应方式，供暖季为一次热网，非供暖季为太阳能辅助空气源热泵系统。根据当地太阳能资源情况，太阳能大约提供热负荷5~10%。当地供暖季从11月15日至次年4月5日，合计141天。在11月上旬，青岛室外环境温度范围约为5～10℃；3月下旬～4月上旬，室外环境温度范围约为10~15℃。空气源热泵在该温度范围内仍有较好的做功能力。
生活热水换热站系统图如下：
2.3主要耗能设备
太阳能辅助空气源热泵系统主要耗能设备为空气源热泵和配套循环泵。该系统现有3台空气源热泵，型号均为KFX-90/2-03，25℃时COP=90/22=4.5。配套2台威乐循环泵，功率4kW，流量32m3/h，扬程26米。非采暖季空气源热泵提供大约90~95%的生活热水热负荷。
3 计算过程
3.1 计算公式及基础数据
1.每日生活热水用量
宿舍楼用水量Qv可由式（1）估算：
（1）
式中：q为热水用水定额，L/（人•天）；n为用水人数。
2.每日生活热水负荷
生活热水负荷Qd可由式（2）计算：
（2）
式中：c为45℃水的比热容;ρ为45℃时水的密度，kg/m3；tr为生活热水侧的热水温度，℃；t1为生活热水侧的冷水温度，℃。
3. 热泵做功
若替代燃气热水锅炉，热泵为满足每日生活热水负荷，需要做功如下：
（3）
式中：η0是太阳能提供热负荷百分比；η1是生活热水侧管网损失；η2为泵房内容积式换热器换热效率；η3为空气源管道系统管网损失。
热泵总出力情况：
（4）
式中：
是标煤低位发热量，APF为空气源热泵在计算周期内的能效系数。
4.热力做功
（5）
式中：η4是一次供热管网损失。
5.燃气用量
（6）
式中：η5为燃气锅炉热效率。
3.2 计算过程
1、基础数据
计算天数：选取3月21日～4月5日和11月1日～15日合计31天。
宿舍人数为2039名学生，生活热水24小时连续供应。生活热水的热水温度取45℃，根据当地实际情况计算月份时冷水温度取10℃， 热水比热容取4.187 kJ/(kg?℃)。根据《建筑给排水设计规范》（GB50015）[7]，学生热水用水定额为40 L/（人?天）。
空气源热泵制热能力受环境温度较大影响，根据王宇等[6]的研究，夏热冬冷地区在5℃～15℃月时空气源热泵能效系数取3.09。
太阳能提供负荷的5%，空气源热泵或者燃气热水锅炉提供负荷的95%。
天燃气供应生活热水时单价3.08元/Nm3，电力单价0.549元/(kW?h)。
各管网损失及热效率见表1。
表1 管网热损失和设备热效率汇总
2、计算结果及对比
将已知数据代入式（1）～（5），并计算31天分别由太阳能辅助空气源热泵系统和燃气热水锅炉该宿舍楼生活热水的能源消费和成本费用见表2。从下表可以看出，在3月21日～4月5日和11月1日～15日这31天中，使用空气源热泵替代燃气热水锅炉供应生活热水，节约能量折标煤18975.25kg，节约费用4.43万元，节约率100%以上。
表2 不同热源方式下能源经济数据对比
太
4 结论
根据青岛当地气候条件和宿舍楼基础条件，本文从生活热水用量和热负荷入手，考虑了能量生产、传输和换热各流程热效率，分别计算了31天内空气源热泵和燃气热水锅炉供应生活热水所消耗的能源和成本费用，同等条件下使用空气源热泵作为热源比燃气热水锅炉节约能量折标煤18975.25kg，节约费用4.43万元，节约率100%以上。结果表明，在3月21日～4月5日和11月1日～15日这一时间范围中，使用空气源热泵替代燃气热水锅炉具有显著的节能经济效益。
在下一步工作中，将完善太阳能在不同辐射能范围下的做功情况，进一步优化太阳能-空气源热泵系统效能评估，逐渐降低燃气热水锅炉的使用率，进一步降低生活热水费用。
参考文献：
[1] 汪浩.高校宿舍空气源热泵结合太阳能热水系统应用研究[J].科技创新导报，2019，16(03): 192-194.
[2] 王建玉.空气源热泵辅助太阳能热水系统的节能控制策略研究[J].节能，2018，37(06): 25-28.
[3] 冯春红.高校学生宿舍生活热水系统的设计与分析[J].江苏建筑职业技术学院学报，2018,18(2): 31-34.
[4] 王宇，由世俊，孙颖楷，等.空气源热泵热水器性能测试及运行评价研究[J].流体机械，2017，45(10): 77-82.
[5] 郭宏伟，王宇，高文学，等.不同气候区太阳能-空气源热泵热水系统运行性能评价[J].制冷学报，2019，40(04): 45-51,100.
[6] 曹兴，刘宇飞，于恒等.青岛地区屋顶太阳能板最佳安装角度分析[J].青岛科技大学学报（自然科学版），2020，41(1)：87-90.