许浩天 （安徽省建筑科学研究设计院，安徽 合肥 230001）
空气源热泵辅助太阳能热水系统效益分析
许浩天 （安徽省建筑科学研究设计院，安徽 合肥 230001）
以合肥地区某培训中心宿舍生活热水工程为例，建立了空气源热泵辅助太阳能热水系统的可视化系统模型，计算了该系统的常规能源替代量、二氧化碳减排量、二氧化硫减排量、粉尘减排量等数据，对比分析了该系统和其他热水制备方案的节能效益、环保效益和经济效益。研究结果表明，该系统在对比的几种方案中具有最优的节能性和环保性；而该系统的经济性受贷款利率影响较大，当贷款利率低于11.02%时，该系统具有最优的经济性，但其经济性优势随能源价格的上涨而更加明显，因而在合肥地区具有很高的推广价值。
空气源热泵；太阳能热水；效益分析
本文研究的空气源热泵辅助太阳能热水系统中，太阳能集热单元与空气源热泵单元并联，热水供应按全日24h供应设计，并采用双水箱设计。集热水箱容量按一天用水量设计，至每天某一既定时刻之前，须将集热水箱中的自来水加热至所需温度，并将既定温度的热水全部供至恒温水箱供用户取用，集热水箱则在第二天开始加热前补满自来水，如此循环。系统原理图如图1所示。
图1 空气源热泵辅助太阳能热水系统原理图
根据天气条件的不同，优先使用太阳能单元进行加热，仅在太阳辐射不能满足制热水要求时，才开启空气源热泵进行补充。
本文研究的系统服务于合肥地区某培训中心宿舍，该宿舍楼按II类宿舍设计，设计使用人数100人，用水定额80L/(人·日)[1]，日热水用量为8000L/d。选取的空气源热泵额定功率为19.6kW，太阳能集热器面积为265.90m2。选择《中国建筑热环境分析专用气象数据集》中的合肥典型气象年的逐时数据作为本文的气象数据[2]，并采用TRNSYS软件建立系统模型（图2）。
图2 空气源热泵辅助太阳能热水系统的TRNSYS模型
系统运行以太阳能集热单元为主，太阳能集热单元单独供热不满足热水水温55℃要求时，则开启空气源热泵单元。保证每日24:00水温达到55℃的同时，为使系统具有较低的能耗值，故通过比较，设定每月的热泵开启时刻（该时刻下若水温已达到55℃，则热泵默认不开启）。分别计算每月设定13:00、13:30、14:30、15: 00、15:30、16:00、16:30、17:00、17:30及18:00开启热泵的当月系统总能耗，得出了每月的最佳开启时刻，并计算出了该模式下的系统全年总能耗（表1）。
每月热泵开启时刻、各单元集热量及系统能耗 表1
上文计算了该系统的全年能耗（电耗）为8587.73kWh，参考《可再生能源建筑应用示范项目测评导则》，全年常规能源替代量可用如下的计算方法[3]：
式中：Qbm——系统的全年常规能源替代量（tce）
Qce——使用常规能源制备相同的热水消耗的标准煤量（tce）
Qsys——系统的全年一次能源消耗量（2.66tce），（电力与一次能源的转换率取0.31kgce/kWh）
式中：Qs——太阳能单元全年集热量，484684.81MJ
Qhp——热泵单元全年集热量，68035.97MJ
qce——标准煤计算热值，29309MJ/tce
ηce——标准煤计算热效率，65%
计算得Qce=29.01tce，与Qsys一起代入式（1）中，计算得Qbm=26.35tce。即系统全年的常规能源替代量为26.35t标准煤。
表2给出了其他热水制备方案采用的能源种类、能源理论热值及热源设备的热效率[4]。
其他各方案的能源种类及其理论热值和热效率一览表 表2
将以上各系统方案按前文计算得出的系统全年总集热量552720.78MJ和表1给出的能源热值和热效率进行计算，计算结果见表2。其中电辅助太阳能热水系统与本文研究的系统具有相同的太阳能集热面积、集热效率等参数。
由表3可以看出，空气源热泵辅助太阳能热水系统在以上各系统方案中具有最低的能耗，全年能耗为1.06t标准煤，单位热水能耗为0.36kgce/t，仅相当于能耗最高的燃油锅炉的4.49%，相当于其他方案中能耗最低的电辅助加热的太阳能热水系统的26.57%，由此可见，在这几种方案中，空气源热泵辅助太阳能热水系统具有最好的节能效益。
环保效益的评价可以用二氧化碳减排量、二氧化硫减排量和粉尘减排量来体现，计算公式如下[3]。
①二氧化碳减排量计算公式如下：
式中：QCO2——二氧化碳减排量（t/年）
Qbm——标准煤节约量（t/年）
2.47 ——标准煤的二氧化碳排放因子，无量纲
②二氧化硫减排量计算公式如下：
式中：QSO2——二氧化硫减排量t/年）
Qbm——标准煤节约量（t/年）
0.02 ——标准煤的二氧化硫排放因子，无量纲
③粉尘减排量计算公式如下：
式中：QFC——粉尘减排量（t/年）
Qbm——标准煤节约量（t/年）
0.01 ——标准煤的粉尘排放因子，无量纲
由前文可知，本系统的全年常规能源替代量Qbm=26.35tce，计算得出，系统的二氧化碳减排量为65.08t/年，二氧化硫减排量为0.53t/年，粉尘减排量为0.26t/年，环保效益显著。
各方案能耗计算表 表3
为了更明显的体现空气源热泵辅助太阳能热水系统的环保效益，下面计算其相对于电辅助加热的太阳能热水系统、空气源热泵热水系统、电锅炉、燃气锅炉、燃油锅炉这几种系统方案的相对减排量。需要特别说明的是，使用电力作为能源本身没有排放，但是在使用一次能源生产电力的过程中会产生排放和污染，因此，采用电力等价折标系数，将用电系统的能耗转化为一次能源消耗量来用于减排量的计算。电力等价折标系数取0.31kWh/kgce。表4中给出了各系统方案的全年一次能源消耗量，并计算了其消耗量和空气源热泵辅助太阳能热水系统消耗量的差值。
各方案全年一次能源消耗量及与太阳能+空气源热泵方案的差值 表4
根据表4中各系统方案的全年一次能源消耗量和空气源热泵辅助太阳能热水系统消耗量的差值，按照公式（3）、（4）、（5）的方法，可以计算空气源热泵辅助太阳能热水系统相对于其他各系统方案的二氧化碳减排量、二氧化硫减排量和粉尘减排量。计算结果如表5所示。
由表5可以看出，对于以上各种制备热水的系统方案，在能源生产及能源使用的全过程中，空气源热泵辅助太阳能热水系统相对于排放最高的电锅炉能够实现二氧化碳减排124.05t/年，二氧化硫减排1.00t/年，粉尘减排0.50t/年；相对于排放最低的电辅助加热太阳能热水系统，能够实现二氧化碳减排18.18t/年，二氧化硫减排0.15t/年，粉尘减排0.07t/年。由此可见，空气源热泵辅助太阳能热水系统在减少污染物排放方面优势明显，环保效益显著。
空气源热泵辅助太阳能热水系统相对于其他方案的污染物减排量 表5
对空气源热泵辅助太阳能热水系统的经济效益研究分析采用动态费用年值法。在动态费用年值法中，年计算费用的计算公式如下：
式中：Zd——动态计算方法下的年计算费用（万元）
Cd——年经营成本（万元）
Pd——初投资费用（万元）
n——设备使用寿命年限（年）
i——贷款利率或采用部门的标准内部收益率（%）
公式（6）中，年经营成本Cd包括购买能源的费用、设备维护管理的费用（按固定资产投资总额的2%计算）、设备折旧费等。
折旧费计算公式：
式中：df——折旧费（万元）
Pf——固定资产投资（万元）
σ——预计净残值率，取4%[49]
n——设备使用寿命年限（年）
初投资费用Pd包括购置设备的费用（按厂商指导价计算，不含末端设备）、土建及安装施工费用等。贷款利率i暂取8%，能源单价按照当地价格进行计算。各系统方案的动态费用年值计算结果如表6所示。
可以看出，当贷款利率为8%时，在以上各系统方案中，空气源热泵辅助太阳能热水系统的动态费用年值最低，为5.03万元，具有最好的经济性；其次是空气源热泵，其动态费用年值仅比空气源热泵辅助太阳能热水系统高出8.2%，也具有良好的经济性。
动态费用年值是年经营成本和初投资折算年值之和。年经营成本受能源价格的影响较大，而初投资折算年值受贷款利率的影响较大。
4.2.1 能源价格的影响
由表6可以看出，空气源热泵辅助太阳能热水系统具有最经济的年经营成本，因此随着能源价格呈不断上涨的趋势，空气源热泵辅助太阳能热水系统的经济性优势会越来越明显。
各方案动态费用年值计算表 表6
4.2.2 贷款利率的影响
空气源热泵辅助太阳能热水系统虽然动态费用年值最低，也具有最低的年经营成本，但其初投资折算年值最高，且占其动态费用年值的比例也为最高，达到55.2%，因此该系统的经济性受贷款利率的影响较大。
首先研究在贷款利率由5%～12%变化时，各方案的动态费用年值变化情况，贷款利率取每隔1%进行计算，将计算结果绘制成折线图，如图3所示。
图3 贷款利率变化对各方案动态费用年值的影响
可以看出，贷款利率由5%增长到12%时，初投资费用最高的空气源热泵辅助太阳能热水系统的动态费用年值增加非常明显，而当贷款利率达到12%时，其动态费用年值已经超过空气源热泵。使用EES方程求解器软件，进一步求解使二者动态费用年值相等的贷款利率值，如下：
解得i=11.02%，Z1=Z2=5.559。即贷款利率小于11.02%时，空气源热泵辅助太阳能热水系统的动态费用年值小于空气源热泵系统，具有最优的经济性；而贷款利率大于11.02%时，空气源热泵具有最优的经济性。
本文研究分析了空气源热泵辅助太阳能热水系统的节能效益、环保效益及经济效益。以合肥地区某培训中心宿舍为服务对象考虑，计算了该系统的全年常规能源替代量为26.35t标准煤，由此而带来的二氧化碳减排量为65.08t/年，二氧化硫减排量为0.53t/年，粉尘减排量为0.26t/年，节能与环保效益显著。同时，将该系统与空气源热泵热水系统、电辅助加热的太阳能热水系统、电锅炉、燃气锅炉、燃油锅炉这几种常见的热水制备方案进行了对比。对比结果表明，空气源热泵辅助太阳能热水系统的能耗及排放水平明显低于其他系统方案，节能和环保方面优势明显。并基于动态费用年值法分析了这几种热水制备方案的经济性，分析结果表明，以当前的能源价格计算，在贷款利率低于11.02%的前提下，空气源热泵辅助太阳能热水系统具有最优的经济性；而在能源价格不断上涨的趋势下，相对于其他系统方案，空气源热泵辅助太阳能热水系统的经济性优势也会越来越明显。
[1]GB50015-2003，建筑给水排水设计规范[S].
[2]中国气象局气象信息中心气象资料室,清华大学建筑技术科学系.中国建筑热环境分析专用气象数据集[M].北京：中国建筑工业出版社,2005.
[3]中华人民共和国住房和城乡建设部，中国建筑科学研究院.可再生能源建筑应用示范项目测评导则[E].
[4] 于国清，李玉洁.家用太阳能热水系统的节能与环境效益分析[J].节能技术，2007，25(3)：211-226．
TU833+.3
B
1007-7359（2016）05-0078-04
10.16330/j.cnki.1007-7359.2016.05.020
许浩天（1989-），男，安徽合肥人，毕业于合肥工业大学，硕士。
