空气源热泵集中热水系统应用于学生公寓的经济性分析.docx

空气源热泵集中热水系统应用于学生公寓的经济性分析田志勇， 杨露露， 刘 莉， 马若侠(重庆大学城市建设与环境工程学院，重庆 400045)摘要： 空气源热泵热水系统被誉为“第四代热水系统”，应用前景广阔。通过介绍空气源热泵的工作机理，并以重庆某高校 8 号学生公寓的热水改造系统空气源热泵热水系统为例，对空气源热泵热水系统的经济性进行研究，并与其他能源设备运行费用进 行分析比较，表明空气源热泵热水系统具有较好的节能潜力，为集中热水供应系统设计提供相关参考。关键词： 空气源热泵； 能源； 运行费用； 经济性中图分类号： TU822文献标志码： A文章编号： 1673-7237(2012)08-0076-03Cost Analysis on Wat er Heat er w it h Air- source Heat Pum p for t he St udent Apart m entTIAN Zhi-yong, YANG Lu-lu, LIU Li, MA Ruo-xia(College of Urban Construction and Environmental Engineering, Chongqing University, Chongqing 400045, China)Abst ract : Air-source heat pump water heater is known as “the fourth generation of water heater”with broad prospect of application. The mechanism of air -source heat pump is introduced. Taking the water heater with air -source heat pump of a college student apartments NO.8 in Chongqing as an example, its cost is studied, compared with the operation cost of other energy equipments. The comparison indicates that water heater of air-source heat pump is better on energy-saving potential. The research provides relevant reference for the design of cen tral hot water system.Key w ords: air-source heat pump; source of power; operation cost; economical efficiency过蒸发器和冷凝器与外部发生热交换，如图 1 所示。0引言空气源热泵热水系统是以空气为低温热源，经电 能做功从低温侧吸收热量来加热生活用水，热水通过 循环系统直接送入用户，以此作为热水供应。它是一 种高效节能且环保的设备，空气源热泵热水系统具有 很大的节能潜力，越来越受到人们的青睐。在欧洲某 些发达国家使用的比例高达 70%。由于看好热泵热水 机的发展前景，近年国内投资也开始向这一行业聚 集。据不完全统计，进入热泵热水机制造行业的企业 已超过 400 多家。经过发展创新，我国热泵热水机已 具备了为用户提供全面解决方案的能力。空气源热泵热水系统虽然初投资费用相对高一 些，但长期运行节能省钱，已被人们认识和接受，目前 热泵系统已得到广泛应用。在澳大利亚、日本等国家， 由于政府的支持，热泵热水系统发展迅猛。如果在我 国也加强这一方面的政策推动，那么热泵热水系统行 业将越来越兴旺。1空气源热泵机组的工作原理热泵热水机组通常由蒸发器、压缩机、冷凝器和 膨胀阀四大部件构成，冷媒在机组内封闭运行，并通热水出冷水进QC冷凝器水泵膨胀阀压缩 机电能QB蒸发器环境中吸收空气的能量QA图 1空气源热泵热水器原理图空气源热泵热水机组是一种能源提升装置，机组消耗一部分高位电能，通过热力循环，把空气中不能 直接利用的热能转移给冷水，起到制热水的目的。原 理和空调机类似，都是利用了逆卡诺循环，在蒸发器 中，制冷剂蒸发吸收环境大气中的热能，经过压缩的 制冷剂在冷凝器中凝结放热加热供热系统的回水；在冷凝器中，制冷剂凝结成饱和液体，经节流降压降温 进入蒸发器，蒸发吸热，气化为干饱和蒸汽，从而完成 一个循环。与电热水系统不一样，热泵热水系统中的电能只 是用来给压缩机提供动力，保证压缩机工作，并不直收稿日期：2012-03-27； 修回日期：2012-04-1376接加热冷水。从整体上，机组的工作过程只是一个能量的转移过程，不是能量的转换过程，因此，机组的能 源效率有很大优势。2系统的构成与运行空气源热泵热水系统由热泵机组、水泵、热水管 网、保温水箱等部分组成，其循环加热模式系统原理如图 2 所示。空气源热泵热水机组现行加热冷水的方法主要 有循环加热模式和直接加热模式两种。(1)循环加热模 式：机组选择循环模式时，系统要保证有两个水箱，自 来水每次进入热泵机组，被加热的温差只有 5 左 右，经加热后的水回到其中的一个水箱，温度不满足 要求的水在机组和水箱之间持续循环(水的温升一次只是 5 )，直至加热至满足要求，此时加热后的水不再进入机组加热，而是进入另外的保温水箱储存起 来，以供使用；如果用户用水量较少时，水箱和管道的 水温可能有所下降，不满足使用，这种情况下，可以设 置控制元件，将冷却后的水再次回到机组重新加热。 (2)直接加热模式：顾名思义，直接加热模式就是自来 水进入机组后，只经过一次加热，水温即达到使用要 求，不进行重复循环。目前，根据工程实践和实验研究，循环模式下，机 组的进口水温的越来越高，根据压焓图可知，此时机 组的效率也变得越来越低，与使用直接加热热模式相 比，并不具备太大的优势。所以，除非特殊要求，笔者 建议空气源热泵的运行方式优先选择直接加热模式。3空气源热泵与其他热源设备的比较3.1能源设备效率以选取美的公司的 RSJ-380/S-820 热泵机组为 例，根据厂家提供的实验数据，当环境温度为 10 时，COP 高达 4.0(厂家测试的自来水的初温是 20 )。 在 2012 年 3 月期间，自来水初温为 12.8 ，环境温 度为 25.6 条件下，根据重庆某高校安装的该机组的实际测试，机组实际运行的 COP 为 3.5 左右。加热冷水时，采用燃气锅炉，其热效率一般为80%；采用太阳能热水器，热效率一般为 200%；燃油 锅炉的热效率一般为 70%；电锅炉的热效率一般为95%。3.2 能源运行费用计算通过计算比较空气源热泵，燃油、燃气锅炉、电锅 炉的能源消耗量及运行费用，并对其经济性进行对比 分析。为了便于比较，以加热 1 000 kg 为例，假若用户 热水消耗量为 1 000 kg/d。设在相同条件下，对 1 000 kg 的初始温度为 20 ， 温度提高 35 ，加热热水所需要的热量 Q=1 000 kg35 1 kcal/(kgK)=35 000 kcal。不同能源的能源消耗量和运行费用如表 1 所示。4 工程实例以重庆某高校男生 8 公寓为例，该公寓 2011 年7 月安装空气源热泵热水系统，于 2012 年 2 月 19 日 正式投入使用。该宿舍大约入住有 990 人，热泵在楼 顶加热冷水后，储存在保温水箱，热水经管道进入每 个房间的浴室，以供使用。4.1 设计选型针对该公寓的空气源热泵机组选型，重点在于 能满足最不利工况冬季高峰期的热水使用量。根据 GB500152003建筑给水排水设计规范，重庆地区 自来水初温为 15 ，设定热水温度为 55 ，用水定 额为 50 L /(人 /d)。由于学生用水有着一定的规律性， 计算时选取的热水同时使用系数为 0.5，经过计算，可 得机组的设计热负荷热 94.4 kW，水日用量约为 25 m3；为满足用水高峰量和考虑同时使用量，水箱配置的有效容积取热水日用量的 80% ，即为 20m3(机组与设备 见表 2)。运行能耗分析根据实际的跟踪测试，公寓 8 的日平均用水量为电磁阀4.2循环 水 箱保温 水 箱保温 水 箱热泵 机 组热泵 机 组热泵 机 组自来水供水热水循环泵循环进水热水增压泵热水供水循环出水止回阀热水回水图 2空气源热泵热水系统流程图77表 1能源消耗量与运行费用比较热泵热水机组燃油热水炉燃气热水炉电热水炉热水炉使用能源能源热值 年平均能效比 /% 所耗能量单价所需费用 /元民用电860 kcal/kWh35011.63 kWh0.52 元 /kWh6.05商用电860 kcal/kWh35011.63 kWh0.90 元 /kWh10.47轻柴油10 200 kcal/kg704.9 kg5 元 /kg24.5液化气24 000 kcal/kg801.82 m314 元 /m325.48民用电860 kcal/kWh9542.83 kWh0.67 元 /kWh28.69商用电860 kcal/kWh9542.83 kWh0.90 元 /kWh38.54噪声环境影响状况 安全性能小无 安全可靠中污染严重，个别城市已禁用中有燃烧气体排放中无 电热管易老化，有漏电隐患有漏气、火灾、爆炸等危险表 2 公寓 8 的机组和主要附属设备设备名称性能参数数量 / 台备注额定制热量 38.5 kW 额定功率 9.1 kW额定制热量 19.2 kW 额定功率 6.2 kW21空气源热泵机组冷水增压泵热水循环泵 热水增压泵 保温水箱流量 2.5l L/S流量 6.94 L/S流量 6.94 L/S扬程 32 M 功率 1.54 kW扬程 12.5 M 功率 1.5 kW扬程 12.5 M 功率 1.5 kW1 备 1 用21221 备 1 用如果用循环模式加热时要用 2 个水箱有效容积 22.80 m324.43 m3，这里取 25 m3 计算并比较空气源热泵与燃油、燃气锅炉、电锅炉的日运行费用(元)，如图 3 所示。8007006005004003002001000结霜对机组性能的影响较大，例如，华北、东北和西北地区，冬季室外温度过低，不宜用空气源热泵，除非设 置辅助热源和除霜设备，需要在技术上和经济上综合 评价方案的可行性。因此，在进行集中热水供应系统 设计时，设计人员不能盲目跟风，应根据当地气象参 数和工程实际情况，因地制宜，选择合适的热源设备。参考文献：1吴静怡,江明旎 ,王如竹 ,等.空气 源热泵热水机组全年综合 能效评 定J.制冷学报,2009,30 (5):14-18. 2秦邵冬.热泵热水机组集中热水供应系统初探J.给水排水,2004,30 (8):71-73.3GB 500152003,建筑给水排水设计规范S. 4龚伟申.高校生活热水系统的选择和设计J.制冷与空调,2009,23(3):76-79. 5罗清海,汤广发,龚光彩,等.建筑热水节能中的热泵技术J.给水排水,2004(5):98-101.6吴坚红.空气源热泵热水供应系统及其经济性分析J.上海建设科 技,2009(3):63-65.7Rousseau P G, Greyvenstein G P.Enhancing the impact of heat pump water heaters in the South African commercial sector J. Energy,2000,25 (1):51-70.8柴沁虎,马国远.空气源热泵低温适应性研究的现状及进展J.能源工程,2002(5):25-31.热泵燃油燃气电热图 3 日运行费用比较从表 2 中可以看出，空气源热泵系统日运行费用 比燃油锅炉、燃气锅炉大约节省费用 450 元，较电热 锅炉节省 550 元；热泵系统的使用年限一般为 20 年， 采用全寿命周期的理念，则空气源热泵比燃油锅炉、 燃气锅炉节省 328.54 万元，较电热锅炉节省 401.5 万元。 另外，若合理使用谷电加热，实现削锋填谷，优化空气 源热泵的使用控制，则节省的费用会更多。5 结语(1)与其他建筑中热水供应相比，在学生