低品位多热源联供热水系统的节能分析

山东科技大学机械电子工程学院 ■ 杨前明 李心灵 李亭 李凯

一 引言

太阳能热利用技术的本质是利用太阳能集热器将低品位太阳能转化为高品位热能。由于其自身集热的不连续性以及随季节变化较大等因素，目前还不能单独满足大量热水的需求，必须与其他稳定性较好的热源结合使用[1～5]。空气源热泵热水系统是利用少量电能把不能直接利用的低品位热源(空气)转化为可以直接利用的高位热能的节能设备。废水余热回收设备主要是利用水源热泵、板式换热器等余热回收装置将洗浴废水中的大部分热量回收利用，减少能源的浪费[6～11]。近年来，太阳能热水系统与空气源热泵热水机组联合供热水工程已获得更加广泛的应用，由于全年四季均能充分利用低品位热能，使组合后的太阳能-空气能-污水余热回收能量复合系统(Solar-Air heat pump-Waste heat recovery，SAW)较单一系统更具节能潜力。

二 SAW热水系统的构成及运行原理

1 SAW热水系统构成

图1为SAW热水系统组成示意图。SAW热水系统主要由太阳能、空气源热泵热水机组和废水余热回收设备联合提供热源，主要包括太阳能集热器、空气源热泵热水机组、余热回收装置、蓄热水箱、各类循环水泵、控制系统及管网等环节。

图1 SAW热水系统组成示意图

2 SAW系统运行原理

SAW热水系统主要由太阳能集热、热泵热水、污水余热回收加热3个子系统组成。在整个循环过程中，自来水经过余热回收装置进行预热，根据温差、液位、防冻、排空、恒压等控制系统控制程序实现系统各部分的循环功能。

(1) 太阳能集热系统

太阳能集热系统由太阳能集热器、膨胀罐、蓄热水箱、换热器、循环泵及循环管路构成。集热侧，工质丙二醇通过温差控制系统控制循环泵迫使工质进行强制循环；在冷水侧，工质水通过温差控制系统控制循环泵迫使工质进行强制循环。集热侧与冷水侧通过换热装置不断传递热量，使冷水温度升高，工质温度降低。

(2) 空气源热泵系统

空气源热泵热水系统主要由热泵机组、蓄热水箱、循环泵及循环管路组成。当太阳能热水系统产生的热量无法满足系统的用热水需求时，系统自动启动空气源热泵进行辅助加热。空气源热泵制热系统采用蓄热水箱内部水温控制运行模式，当蓄热水箱内部水温低于所需供水温度时，依次启动循环水泵和空气源热泵机组，直至蓄热水箱内部水温达到设定值，再依次停止热泵机组和循环水泵。

(3) 污水余热回收能量系统

污水余热回收系统主要由水源热泵、板式换热器、循环泵及蓄热水箱构成。在余热回收过程中，一部分自来水在循环泵的作用下，先经过板式换热器进行换热，最后进入蓄热水箱，一部分冷水进入水源热泵进行预热，最后进入蓄热水箱。在这一过程中废水余热得到利用，间接降低了SAW系统的能耗，同时洗浴废水在经过废水处理装置后得到二次利用，减少了水资源浪费。

SAW热水系统综合利用太阳能、空气能、污水废热能等低品位能源作为低温热源，通过系统整合与优化，建立全新的清洁能源利用系统，从而优化能源结构，减少常规能源消耗，促进建筑节能以及能源的可持续利用。

三 SAW系统的热负荷计算与分析

SAW热水系统不仅能使太阳能资源得到充分利用，避免夏季太阳能部分提供热量过多造成资源与成本浪费，而冬季制热量不足无法达到使用要求等缺点，同时利用余热回收装置将洗浴废水中的热量回收利用，还可减少能源浪费。

1 热负荷计算

青岛位于山东半岛南端、黄海之滨，全年平均气温12.3℃，一年中1月为最冷月，平均气温−0.9℃，8月为最热月，平均气温25.3℃。根据建筑给水排水设计规范[12]，查得青岛地区的全年冷水计算温度为10～15℃。结合青岛地区的气候变化情况，冬季取冷水计算温度5℃，春秋季取10℃，夏季取15℃。该浴室每天需要40℃热水150t，浴室四季所需热负荷的计算公式为：

式中：Q为消耗热负荷，MJ；c为水的比热容，4.187MJ/(kg·℃)；m为所需质量，kg；t0为初始温度，℃；t1为所需温度，℃。

SAW热水系统实际安装场地东西长33.2m，南北宽30m，其中水箱占地面积55m2，空气源热泵系统占地面积60m2。由于受安装设备及场地基础设施的影响，实际安装太阳能集热器的有效集热面积为455.04m2。根据中国气象辐射资料年册[13]中太阳能辐射量随季节变化情况，太阳能热水系统(QS)、空气源热泵热水系统(QHP)、水源热泵余热回收系统(QW)在不同季节提供的热量如表1所示。

根据表1绘制出全年各月SAW热水系统各热源随着季节变化所提供的热量占比曲线变化图如图2所示。从图2可知，在SAW热水加热系统中，污水源热泵所提供的热量相对稳定，全年占比约为16.72%；太阳能热水系统受建筑面积影响，提供热量较少，且随季节性太阳能辐照强度的变化而变化，全年占比约为12.79%；空气源热泵热水系统受日照强度影响较小，全年可提供约70.49%的热负荷。

表1 SAW热水系统全年各月能源分配表

图2 全年各月SAW系统各热源提供热量曲线图

2 热负荷占比分析

表2为SAW热水系统全年四季在不同天气情况下各系统提供的热量分配表。由表2可知，受环境温度影响，SAW热水系统夏季提供热量较少，冬季较多；同时受气候变化影响，太阳能集热器供热不稳定，在余热回收系统提供热量一定的情况下，热泵提供热量随太阳能提供热量的减少不断增加。

图3～图6分别为春、夏、秋、冬4个不同季节气候条件下SAW提供总热负荷与各组成热源占比变化规律曲线图。

表2 SAW热水系统提供能量分配表

从图3可看出，夏季外界环境温度及补水温度相对较高，系统所需热负荷总量(Q)在全年四季中为最低量。由于夏季太阳能辐射强度相对较高，所以夏季是全年四季中太阳能热水系统提供热负荷(QS)最富裕季节，应优先采用太阳能集热系统。

从图4分析可看出，冬季外界环境温度及冷水温度相对较低，系统所需热负荷总量(Q)在全年四季中为最高量。由于冬季太阳能辐射强度相对较低，所以冬季是全年四季中太阳能热水系统提供热负荷(QS)最少的季节，应优先采用空气源热泵热水机组。

从图5、图6可看出，春秋季外界环境温度及补水温度相对全年居中，系统所需热负荷总量(Q)在全年四季居中。由于春秋季太阳能辐射强度相对居中，所以春秋季也是全年四季中太阳能热水系统提供热负荷(QS)相对居中的季节，应合理调配太阳能与空源热负荷。

就全年四季而言，每个季节热水热负荷总量(Q)与污水余热回收热负荷(QW)相对稳定。当天气条件由晴天－多云－阴雨变化时，太阳能系统的供热负荷(QS)逐渐减少，热泵提供的热负荷(QHP)逐渐增加。也就是说，由于季节与天气条件由好变差而导致的太阳能供热负荷的减少须由热泵进行补充。

3 合理用能策略

综上所述，为优化能源结构，充分合理利用太阳能、空气能、污水废热回收等低品位热源，实现SAW系统联合供热水，不难获得以下结论与运行策略：

(1) SAW系统热水热负荷总量Q相对不变的情况下，太阳能热负荷QS、空气能热负荷QHP与污水余热回收热负荷QW构成系统总热负荷Q，即Q=QS+QHP+QW。

(2) 由于污水余热回收热负荷QW相对稳定，系统运行的成本取决于太阳能集热系统与空气能热泵热水机组的运行成本。即太阳能热负荷和空气能热负荷是系统热负荷供应主流。

(3) 同一季节、同样天气、太阳光辐射强度高的工况下，应优先采用太阳能集热系统加热热水，不足部分由空气源热泵热水机组进行热负荷补充。这是因为在同样投资总量、单位能耗等条件下，太阳能集热系统的运行成本低于空气源热泵热水机组。

(4) 在冬季、阴雨天气条件下，太阳能辐照强度较低，空气源热泵热水机组是系统的主要热负荷来源，优先采用空气源热泵机组、太阳能集热系统作为辅助热源应是SAW系统运行的基本策略。

四 结论

通过介绍SAW热水系统的组成、运行原理及循环方式，对SAW热水系统各子系统的运行过程进行能源占比分析，提出SAW热水系统全年合理用能运行策略，实际系统运行用能结果验证了本文的用能分析与运行策略的合理性。

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