北方高校学生浴池热水供应方式运行经济技术比较分析

程勃刘晔马帅

(吉林建筑大学市政与环境工程学院，长春130118)

摘要：太阳能-空气源热泵热水系统在我国南方地区得到广泛应用，而在北方寒冷地区运用得较少，并且热泵机组在冬季运行存在困难.因此，需要对太阳能热水系统与传统热水系统进行经济技术比较分析.本文通过对不同热源的热水系统进行技术分析与计算，建立数学模型,模拟计算加热100t水的全年运行工况.在未考虑初投资的前提下对比其在长春地区的年运行总成本与节能效果，结果表明太阳能-空气源热泵+冬季外购热水系统在我国北方寒冷地区使用要比传统热水制备方式更符合国家发展要求.

关键词：太阳能空气源热泵；热水系统；太阳辐射强度；耗电量；成本费用

收稿日期：2015-01-05.

作者简介：程勃(1989～)，男，吉林省长春市人，在读硕士研究生.

中图分类号：TK 519文献标志码：A

Comparison Analysis of the Students Bath Hot Water Supply Running

Economic and Technical

CHENG Bo，LIU Ye，MA Shuai

(SchoolofMunicipalandEnvironmentalEngineering，JilinJianzhuUniversity，Changchun，China130118)

Abstract：Solar energy - air source heat pump hot water system has been in wide range of applications in southern China, but in the northern cold regions use less, and the existence of difficulties in the winter heat pump operation. So we need to compare analysis with solar water heating systems and hot water systems of traditional economic comparative analysis techniques. In this paper, based on the different heat source analysis and calculation of hot water system, set up mathematical model to simulate calculating the operation of annual that 100 tons of water heating . On the premise of not considering initial investment, analysis difference system in Changchun area cost and energy savings, the results show that solar energy - air source heat pump hot water system with buy hot water in winter are more in line with the national development requirements than other hot water system of traditional.

Keywords:solar energy-air source pump；hot water system；solar radiation intensity；power consumption；operating costs

目前我国制备生活热水的方法主要有：专设燃煤热水锅炉；利用燃油(气)锅炉；太阳能热水系统；电热水器等[1].传统燃烧式热水锅炉在北方应用极其广泛，但化石能源作为不可再生能源的同时，由于技术的有限，使得燃烧化石能源的过程其热值不能得到充分的利用，不完全燃烧导致碳排放量增大，对环境污染严重，电热水锅炉在能耗上过大.随着上世纪能源危机的到来，世界能源的发展进入了多元化时代，太阳能-热泵作为新型可再生能源其热水系统与传统热水系统相比具有绿色节能低碳环保的特点[2].由于北方地区冬季寒冷，太阳能热水系统并未形成大规模应用，再加上学校寒暑假期出现热水供应间歇期，考虑分析对比利用不同热源的热水供应系统其全年运行的经济性与节能特点.

1工程概况

已建成校学生热水浴池位于我国东北地区，纬度43°53′[1].每天洗浴所需热水量100t，洗浴设计出水温度45℃[2].目前学校洗浴热水的供应来源主要是购买热电厂的热水，夏季购买热水温度可达85℃，冬季购买热水温度75℃.冬季冷水温度为5℃，夏季冷水温度为22℃[3].学校原有蓄热水箱24m3，2.2KW箱间循环泵两台；混合供热水箱36m3，7.2kw供水离心泵两台，运行期间只启用一台，水泵运行时间按学生浴池运营时间提前2h计算.学生浴池全年运营天数≤366d，减去寒暑假期84d、法定假日19d、每周一休息按40周计40d，运营总天数按223d计，冬季运营93天，每天12：30点至19：30点营业(7h)，春夏秋季运营130d，每天13：30点至20：30营业(7h)，根据热水加热热源的不同，对系统进行经济性对比与可行性分析.

2热水供应方案及经济性分析

方案一：全年采用外购热电厂热水，夏季水温85℃，冬季水温75℃(考虑运输过程热量散失)；

方案二：太阳能+空气源热泵+冬季外购热电厂热水(冬季外购水温75℃)[4]；

方案三：全年采用电加热方式为系统提供热量(电加热器功率300kw)；

方案四：全年用燃气锅炉加热热水.

2.1学校购买热水方式运行费用分析

目前学校全年购买热水方式运行费用分析：

式中：CW为水的定压比热容，kJ/(kg·℃)，一般选用4.2kJ/(kg·℃)；th为混合热水终了温度,45℃[3]；tl为冷水温度夏季水温22℃，冬季水温5℃[3]；tr为购买热水温度夏季水温85℃，冬季水温75℃；Mr为购买热水量，kg；Ml为所需冷水量，kg；ρω为混合后45℃热水密度993kg/m3，本文近似取值1000kg/m3.

式中：Fg为全年依靠外购热电厂热水运行学生浴池洗浴所需费用，元；Fr为热水费用，32元/t；Fl为冷水费用，4.5元/t；xd为电价，0.55元/kw·h；Psp为水泵运行功率，kw；Tsp为水泵运行时间，h.学生浴池现有热水系统运行情况见表1.

表1　学生浴池现有热水系统运行情况

2.2传统加热水系统运行经济性分析

2.2.1电加热水系统

式中：Fd为全年依靠电加热设备加热热水供给学生浴池所需费用，元；Tdj为电加热器运行时数，冬季20h，春夏秋季12h；Pdj为电加热器功率，300kw；n为运行天数，d.电加热器热水系统运行情况见表2.

表2　电加热器热水系统运行情况

2.2.2燃气锅炉加热水系统

式中：FT为全年用燃气锅炉热水系统供给学生浴池热水所需费用；V为燃用天然气量，m3/年；xt为天然气价格，3.33元/Nm3；xr为人工费，80元/天.

设1t燃气炉1h耗气量为Vh标准立方米则[5]：

式中：VD为日均消耗的燃气量，Nm3/天；经计算天然气总耗量89795Nm3，所需费用299017.35元.

根据式(5)，(6)，(7)计算出燃气锅炉热水系统年运行经济性情况，如表3所示.

表3　燃气锅炉热水系统运行情况

注：选用1t/h的燃气热水锅炉，相当于600000Kcal的热量，相当于(600×1.163×3600)2512080=kJ

2.3太阳能—热泵系统运行经济性分析

太阳能集热器集热量计算[1,6-7]：

式中：Q为太阳能集热器全年日均集热量，kJ；AC为太阳能集热器采光面积，1500m2；JT为太阳能集热器采光面上的年平均日太阳辐照量，取长春地区纬度倾角平面日太阳辐照度为16127kJ/m2[1,6]；ηcd为太阳能集热器年平均集热效率，按实际测试结果选取50%[1]；ηL为储热水箱和管道的热损失率，根据经验取值宜为20%[1].

式中：Qal为冬季采暖季节日均太阳能集热量，kJ[4]；JTl为冬季采暖季节当地纬度倾角平面平均日照辐射量，取十二月平均日照辐射量13116kJ/(m2·d).

通过(8)式计算的太阳能集热器日均集热量9676200kJ，春夏秋季节将100000kg冷水自22℃加热至45℃，通过(1)式计算可知所需耗热量为9660000kJ，在太阳辐照度充足的情况下完全依靠太阳能集热量即可满足热水供应的需求.冬季冷水温度5℃左右，十二月平均日辐射量为13116kJ/(m2·d)，经(9)式[1]计算冬季太阳能集热量为7869600kJ，结合(1)式计算冬季加热等量的水至45℃所需耗热量为16800000kJ，太阳能集热器集热量最多将水温加热到24℃.由于冬季室外温度过低，太阳能储热水箱和管道热损失较大，再加上太阳辐照强度与辐照时间降低，单单依靠太阳能集热器的集热量无法满足系统的设计要求[8].

式中：F为机组运行费用，元[9]；P为设备功率，90.6kW；n为运行天数，d；Trp为热泵机组运行的时数，12h；φ为负荷百分数，% 取1；Ψ为时间百分数，% 取1.冬季外购热水辅助太阳能热水系统运行情况见表4.

表4　冬季外购热水辅助太阳能热水系统运行情况

注：冬季外购热水量需考虑太阳能集热量，冬季运行93d，其中38d购热水量41t；55d购热水量57t.

4种不同热源的热水系统的节能效果与经济性如图1，图2所示.

图14　种不同热源的热水系统节能效果分析

图24　种不同热源的热水系统的经济性分析

由图1和图2可知，全年购买热水的耗电量是最低的，但其价格并不是最经济的.经对比，太阳能+空气源热泵热水系统(冬季购买热水)的经济性尤为突出.

3结论

对比现有的热水系统，太阳能-热泵热水系统年运行总耗电量160293.6kWh,总费用31.76万元，每年节省约7万元，相当于节约天然气89795Nm3.相比之下，太阳能-热泵热水系统在运行期间其经济节能性十分优越，为其在北方寒冷地区使用提供依据.

参考文献

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[6]郑瑞澄,路宾,李忠.太阳能供热采暖工程应用技术手册[M].北京：中国建筑工业出版社，2012:76-93.

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