陳樹(shù)文

(湖南城建職業(yè)技術(shù)學(xué)院 湖南湘潭 411101)

0 引言

節(jié)約能源、優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)是保護(hù)環(huán)境、構(gòu)成生態(tài)文明的重要一環(huán)。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，目前我國(guó)校園能耗占社會(huì)總能耗的8%[1]，生活熱水耗能占高校能耗的22%[2]。同時(shí)，全國(guó)大學(xué)生生均能耗、水耗分別是全國(guó)居民人均能耗的4倍和2倍。據(jù)調(diào)查夏熱冬冷地區(qū)的 13 所高校發(fā)現(xiàn)，平均生均能耗為全國(guó)人均能耗的2倍左右，其中最高的達(dá)4倍之多[2]，可見(jiàn)高校建筑能耗存在較大的節(jié)能潛力。本文以某高校生活熱水供應(yīng)項(xiàng)目為例，探討太陽(yáng)能和燃?xì)怆p驅(qū)型熱泵制取衛(wèi)生熱水系統(tǒng)在高校的應(yīng)用，并通過(guò)分析對(duì)比研究找出節(jié)能減排潛力。

1 工作原理介紹

太陽(yáng)能和燃?xì)怆p驅(qū)型熱泵為氨-水吸收式熱泵機(jī)組，其中氨為制冷劑、水為吸收劑，通過(guò)表面式換熱器從空氣中提取低品位熱能，實(shí)現(xiàn)1.8倍的高效制熱功能，是一種高效的節(jié)能型能源綜合利用系統(tǒng)，其工作原理見(jiàn)圖1[3]。該機(jī)組通過(guò)熱能(太陽(yáng)能或燃?xì)猱a(chǎn)生的熱能)驅(qū)動(dòng)水對(duì)氨的釋放與吸收，產(chǎn)生氨的相態(tài)變化，從而產(chǎn)生吸熱和放熱過(guò)程。系統(tǒng)內(nèi)部包括兩個(gè)循環(huán)：制冷劑循環(huán)及吸收劑循環(huán)。

圖1 太陽(yáng)能+燃?xì)怆p驅(qū)型熱泵系統(tǒng)原理圖

吸收劑循環(huán)：在發(fā)生器中，燃?xì)饣蛱?yáng)能產(chǎn)生的熱量將氨水溶液中的氨氣蒸發(fā)出來(lái)，氨水溶液由濃溶液變成高溫的稀溶液；該高溫氨水稀溶液然后被換熱降溫、節(jié)流后進(jìn)入吸收器吸收來(lái)自過(guò)冷器的氨氣并放出熱量成為氨水濃溶液，然后經(jīng)過(guò)水冷換熱器降溫后，被溶液泵送入精餾塔，被加熱后一部分進(jìn)入吸收器的高效換熱器進(jìn)行熱交換，一部分直接進(jìn)入發(fā)生器提餾段。兩部分濃溶液在換熱后都回到發(fā)生器，進(jìn)入下一個(gè)吸收劑的循環(huán)。

制冷劑循環(huán)：在發(fā)生器中燃?xì)饣蛱?yáng)能加熱氨水濃溶液蒸發(fā)出高溫高壓的氨氣，該高溫高壓氨氣經(jīng)精餾器精餾后進(jìn)入冷凝器冷卻降溫成液氨，再被過(guò)冷器中的氨氣過(guò)冷，再經(jīng)膨脹閥節(jié)流后進(jìn)入蒸發(fā)器(翅片式換熱器)，吸收空氣中的熱量轉(zhuǎn)化為氨氣，進(jìn)入過(guò)冷器吸收熱量成為過(guò)熱的氨氣，之后在吸收器中被稀溶液吸收，氨水稀溶液變成濃溶液，再進(jìn)入發(fā)生器，開(kāi)啟下一制冷劑循環(huán)。

在該熱泵機(jī)組制熱過(guò)程中，太陽(yáng)能或燃?xì)馊紵诎l(fā)生器中輸入熱量Q1，而后通過(guò)吸收器后水冷換熱器釋放熱量Q3；同時(shí)，制冷劑吸收發(fā)生器中燃?xì)猱a(chǎn)生的熱量后在冷凝器中釋放熱量Q2，并在蒸發(fā)器中吸收熱量Q4；由此，整個(gè)系統(tǒng)熱量輸入為Q1+Q4，熱量輸出為Q2+Q3，系統(tǒng)能效比COP=(Q2+Q3)/Q1。

2 應(yīng)用實(shí)例介紹

某高校位于湖南省長(zhǎng)沙市。由于長(zhǎng)沙的年太陽(yáng)能輻射量處于可以有效利用的地區(qū)，且長(zhǎng)沙的天然氣供應(yīng)量滿足要求。根據(jù)當(dāng)?shù)貧夂蚣澳茉葱问教攸c(diǎn)，選用太陽(yáng)能+燃?xì)怆p驅(qū)動(dòng)型熱泵對(duì)該校制取衛(wèi)生熱水。

2.1 工程概況

本過(guò)程包括1#-8#公寓，住宿總?cè)藬?shù)15 720人，供應(yīng)熱水水溫55～60 ℃。根據(jù)《建筑給水排水設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50015-2019，宿舍內(nèi)設(shè)有衛(wèi)生間時(shí)，其日平均衛(wèi)生熱水量用量為40-55L/人，按40L/人計(jì)算，則總衛(wèi)生用水量為628.8 t/d。該項(xiàng)目于2016年10月開(kāi)始建造，2017年9月正式投入運(yùn)行。

2.2 系統(tǒng)方案優(yōu)選

目前采用的生活熱水供應(yīng)設(shè)備主要包括電熱鍋爐、空氣源熱泵熱水器、太陽(yáng)能熱水器、燃?xì)忮仩t或燃油鍋爐、燃?xì)鉄岜玫?。這些設(shè)備及系統(tǒng)的主要優(yōu)缺點(diǎn)如表1所示。

表1 各種類型生活熱水供應(yīng)設(shè)備經(jīng)濟(jì)技術(shù)分析一覽表[4-7]

綜上所述,采用太陽(yáng)能熱水器、空氣源熱泵熱水器與燃?xì)鉄岜?，都是較節(jié)能環(huán)保的制取生活熱水方式。其中由于太陽(yáng)能熱水器利用免費(fèi)太陽(yáng)輻射熱制取生活熱水,節(jié)能效益為最佳，燃?xì)鉄岜么沃?。但考慮長(zhǎng)沙地區(qū)累計(jì)全年的太陽(yáng)總輻射量[8]為3902.5 MJ/m2，屬于太陽(yáng)輻射熱較差地區(qū)，為確保制熱效果，將太陽(yáng)能+燃?xì)庀嘟Y(jié)合,既可充分利用太陽(yáng)能,又可節(jié)約輔助能源,最大限度降低運(yùn)行成本,節(jié)省費(fèi)用[9]，同時(shí)又確保系統(tǒng)生活熱水的可靠供應(yīng)。

2.3 系統(tǒng)設(shè)備配置

由于太陽(yáng)能集熱器的造價(jià)較高，為降低總造價(jià)，該系統(tǒng)考慮采用配置部分太陽(yáng)能+燃?xì)怆p驅(qū)型熱泵承擔(dān)部分熱水負(fù)荷，同時(shí)配置部分燃?xì)鉄岜贸袚?dān)剩余負(fù)荷。

該項(xiàng)目1#-8#公寓所需的生活熱水量基本一致，且在每一棟樓都單獨(dú)配置生活熱水系統(tǒng)。以2#棟為例說(shuō)明，該棟的生活熱水量為78.6 t/d，其設(shè)備配置的主要設(shè)備技術(shù)參數(shù)如表2所示。

表2 2#棟熱水供應(yīng)系統(tǒng)設(shè)備參數(shù)

根據(jù)《建筑給水排水設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50015-2019)，生活熱水溫度按照60℃，長(zhǎng)沙冷水溫度按照5℃計(jì)算。按照生活熱水量78.6 t/d，每天需要的總制熱量為18 070 140 KJ；按照每天制熱16 h計(jì)算，每小時(shí)需要的加熱量為314 kW/h。因此，最大熱水產(chǎn)量情況下該系統(tǒng)每天需要開(kāi)啟4臺(tái)雙驅(qū)型熱泵及3臺(tái)燃?xì)鉄岜猛瑫r(shí)運(yùn)行方可。

2.4 系統(tǒng)原理圖

太陽(yáng)能+燃?xì)怆p驅(qū)型熱泵熱水系統(tǒng)的系統(tǒng)原理圖如圖2所示。

圖2 2#棟太陽(yáng)能+燃?xì)怆p驅(qū)型熱泵生活熱水供應(yīng)系統(tǒng)原理圖

該生活熱水系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，當(dāng)太陽(yáng)輻射熱滿足生活熱水制熱需求時(shí)，優(yōu)先運(yùn)行4臺(tái)太陽(yáng)能+燃?xì)怆p驅(qū)型熱泵中的部分或全部機(jī)組利用太陽(yáng)能制取生活熱水，不足部分由3臺(tái)燃?xì)鉄岜醚a(bǔ)充。當(dāng)太陽(yáng)能輻射熱不夠時(shí)，優(yōu)先開(kāi)啟全部4臺(tái)太陽(yáng)能+燃?xì)怆p驅(qū)型熱泵利用太陽(yáng)能制取生活熱水，不足部分由3臺(tái)燃?xì)鉄岜醚a(bǔ)充；如仍然不夠，則將部分或全部4臺(tái)太陽(yáng)能+燃?xì)怆p驅(qū)型熱泵改用燃?xì)怛?qū)動(dòng)制取生活熱水，同時(shí)3臺(tái)燃?xì)鉄岜萌匀槐３譂M負(fù)荷運(yùn)行。

2.5 經(jīng)濟(jì)性分析

該熱水供應(yīng)系統(tǒng)按每年運(yùn)行270 d、每天運(yùn)行16 h，電價(jià)按照0.6元/kW·h,天然氣價(jià)格按照2.65元/Nm3計(jì)算。

計(jì)算公式如下：

熱水系統(tǒng)年運(yùn)行費(fèi)用=每天耗能費(fèi)(耗電量×電價(jià)+耗天然氣量×天熱氣價(jià))×年運(yùn)行天數(shù)

熱水系統(tǒng)年總運(yùn)行費(fèi)用=[1.6×7×16×0.6+(78.6×4/7×1.905×4+78.6×3/7×3.81)×2.65]×270=(107.5+566.85)×270=182 074元

則2#棟熱水供應(yīng)系統(tǒng)的總造價(jià)與運(yùn)行費(fèi)用如表3所示。

表3 2#棟熱水供應(yīng)系統(tǒng)總造價(jià)及運(yùn)行費(fèi)用一覽表

如該2#棟采用電熱水器或空氣源熱泵熱水器，按前計(jì)算條件，且其能效比為2.8計(jì)算，其年運(yùn)行費(fèi)用約為如表4所示。

表4 2#棟熱水供應(yīng)系統(tǒng)采用其他能源時(shí)運(yùn)行費(fèi)用一覽表

對(duì)比發(fā)現(xiàn)，采用太陽(yáng)能+燃?xì)怆p驅(qū)型熱泵系統(tǒng)與電熱水器系統(tǒng)相比，每年可以節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用67.48萬(wàn)元；與空氣源熱泵熱水器系統(tǒng)相比，每年也可節(jié)約13.41萬(wàn)元，節(jié)能效益可觀。

2.6 環(huán)境效益分析

按前設(shè)備配置，2#棟配置集熱器面積為240 m2，按全年運(yùn)行270 d計(jì)算，則其太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)年節(jié)能量[10]:

ΔQsaveAcJTηcd(1-ηL)×365=240×10.55×0.65×0.85×270=1390.93MJ×270=3555.11MJ

式中:Ac為太陽(yáng)能集熱器面積,m2;

JT為太陽(yáng)能集熱器采光表面太陽(yáng)輻射量,MJ/m2, 長(zhǎng)沙地區(qū)為10.55 MJ/(m2·d)[8];

ηcd為太陽(yáng)能集熱器集熱效率，取65%;

ηL為管路及貯水箱熱損失,常規(guī)取值0.15。

按該學(xué)校8棟宿舍樓計(jì)算，則總年節(jié)能量為300 441 MJ。

太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)二氧化碳減排量計(jì)算:

=23 167 kg

式中:W為標(biāo)準(zhǔn)煤熱值,29 308 kJ/kg。

由此可見(jiàn)，該高校采用太陽(yáng)能+燃?xì)怆p驅(qū)型熱泵的生活熱水供應(yīng)系統(tǒng)，每年可以減少23 167 kg標(biāo)準(zhǔn)煤的排放。

2.7 運(yùn)行效果

該項(xiàng)目自2017年9月開(kāi)始正式運(yùn)行以來(lái)，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，其各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)與設(shè)計(jì)值基本吻合，節(jié)能效益非常明顯。

3 結(jié)論

本文對(duì)太陽(yáng)能+燃?xì)怆p驅(qū)型熱泵熱水技術(shù)在高校生活熱水的供應(yīng)在具體項(xiàng)目上的應(yīng)用進(jìn)行說(shuō)明,并進(jìn)行對(duì)比分析,總結(jié)得出以下幾點(diǎn)結(jié)論:

(1)高校由于學(xué)生多，每年需要的生活熱水量是非常大的，所需要的制熱量也大。采用太陽(yáng)能+雙能源燃?xì)鉄岜门c燃?xì)鉄岜玫穆?lián)合作用方式，與電熱水器相比，其運(yùn)行費(fèi)用僅為其22.65%；與空氣源熱泵熱水器相比，其運(yùn)行費(fèi)用僅為其59.5%，節(jié)能效益非?？捎^。

(2)傳統(tǒng)能源燃燒后，會(huì)產(chǎn)生二氧化碳等，導(dǎo)致空氣污染。而太陽(yáng)能作為清潔能源,每平方米太陽(yáng)能集熱面積每年可減少156kg二氧化碳排放。

可見(jiàn)，使用太陽(yáng)能+燃?xì)怆p驅(qū)型熱泵為高校提供生活熱水是一種有效的節(jié)能排放措施，具有一定的借鑒意義。