北方高校學生浴池熱水供應方式運行經濟技術比較分析

程勃劉曄馬帥

(吉林建筑大學市政與環(huán)境工程學院，長春130118)

摘要：太陽能-空氣源熱泵熱水系統(tǒng)在我國南方地區(qū)得到廣泛應用，而在北方寒冷地區(qū)運用得較少，并且熱泵機組在冬季運行存在困難.因此，需要對太陽能熱水系統(tǒng)與傳統(tǒng)熱水系統(tǒng)進行經濟技術比較分析.本文通過對不同熱源的熱水系統(tǒng)進行技術分析與計算，建立數(shù)學模型,模擬計算加熱100t水的全年運行工況.在未考慮初投資的前提下對比其在長春地區(qū)的年運行總成本與節(jié)能效果，結果表明太陽能-空氣源熱泵+冬季外購熱水系統(tǒng)在我國北方寒冷地區(qū)使用要比傳統(tǒng)熱水制備方式更符合國家發(fā)展要求.

關鍵詞：太陽能空氣源熱泵；熱水系統(tǒng)；太陽輻射強度；耗電量；成本費用

收稿日期：2015-01-05.

作者簡介：程勃(1989～)，男，吉林省長春市人，在讀碩士研究生.

中圖分類號：TK 519文獻標志碼：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

目前我國制備生活熱水的方法主要有：專設燃煤熱水鍋爐；利用燃油(氣)鍋爐；太陽能熱水系統(tǒng)；電熱水器等[1].傳統(tǒng)燃燒式熱水鍋爐在北方應用極其廣泛，但化石能源作為不可再生能源的同時，由于技術的有限，使得燃燒化石能源的過程其熱值不能得到充分的利用，不完全燃燒導致碳排放量增大，對環(huán)境污染嚴重，電熱水鍋爐在能耗上過大.隨著上世紀能源危機的到來，世界能源的發(fā)展進入了多元化時代，太陽能-熱泵作為新型可再生能源其熱水系統(tǒng)與傳統(tǒng)熱水系統(tǒng)相比具有綠色節(jié)能低碳環(huán)保的特點[2].由于北方地區(qū)冬季寒冷，太陽能熱水系統(tǒng)并未形成大規(guī)模應用，再加上學校寒暑假期出現(xiàn)熱水供應間歇期，考慮分析對比利用不同熱源的熱水供應系統(tǒng)其全年運行的經濟性與節(jié)能特點.

1工程概況

已建成校學生熱水浴池位于我國東北地區(qū)，緯度43°53′[1].每天洗浴所需熱水量100t，洗浴設計出水溫度45℃[2].目前學校洗浴熱水的供應來源主要是購買熱電廠的熱水，夏季購買熱水溫度可達85℃，冬季購買熱水溫度75℃.冬季冷水溫度為5℃，夏季冷水溫度為22℃[3].學校原有蓄熱水箱24m3，2.2KW箱間循環(huán)泵兩臺；混合供熱水箱36m3，7.2kw供水離心泵兩臺，運行期間只啟用一臺，水泵運行時間按學生浴池運營時間提前2h計算.學生浴池全年運營天數(shù)≤366d，減去寒暑假期84d、法定假日19d、每周一休息按40周計40d，運營總天數(shù)按223d計，冬季運營93天，每天12：30點至19：30點營業(yè)(7h)，春夏秋季運營130d，每天13：30點至20：30營業(yè)(7h)，根據(jù)熱水加熱熱源的不同，對系統(tǒng)進行經濟性對比與可行性分析.

2熱水供應方案及經濟性分析

方案一：全年采用外購熱電廠熱水，夏季水溫85℃，冬季水溫75℃(考慮運輸過程熱量散失)；

方案二：太陽能+空氣源熱泵+冬季外購熱電廠熱水(冬季外購水溫75℃)[4]；

方案三：全年采用電加熱方式為系統(tǒng)提供熱量(電加熱器功率300kw)；

方案四：全年用燃氣鍋爐加熱熱水.

2.1學校購買熱水方式運行費用分析

目前學校全年購買熱水方式運行費用分析：

式中：CW為水的定壓比熱容，kJ/(kg·℃)，一般選用4.2kJ/(kg·℃)；th為混合熱水終了溫度,45℃[3]；tl為冷水溫度夏季水溫22℃，冬季水溫5℃[3]；tr為購買熱水溫度夏季水溫85℃，冬季水溫75℃；Mr為購買熱水量，kg；Ml為所需冷水量，kg；ρω為混合后45℃熱水密度993kg/m3，本文近似取值1000kg/m3.

式中：Fg為全年依靠外購熱電廠熱水運行學生浴池洗浴所需費用，元；Fr為熱水費用，32元/t；Fl為冷水費用，4.5元/t；xd為電價，0.55元/kw·h；Psp為水泵運行功率，kw；Tsp為水泵運行時間，h.學生浴池現(xiàn)有熱水系統(tǒng)運行情況見表1.

表1　學生浴池現(xiàn)有熱水系統(tǒng)運行情況

2.2傳統(tǒng)加熱水系統(tǒng)運行經濟性分析

2.2.1電加熱水系統(tǒng)

式中：Fd為全年依靠電加熱設備加熱熱水供給學生浴池所需費用，元；Tdj為電加熱器運行時數(shù)，冬季20h，春夏秋季12h；Pdj為電加熱器功率，300kw；n為運行天數(shù)，d.電加熱器熱水系統(tǒng)運行情況見表2.

表2　電加熱器熱水系統(tǒng)運行情況

2.2.2燃氣鍋爐加熱水系統(tǒng)

式中：FT為全年用燃氣鍋爐熱水系統(tǒng)供給學生浴池熱水所需費用；V為燃用天然氣量，m3/年；xt為天然氣價格，3.33元/Nm3；xr為人工費，80元/天.

設1t燃氣爐1h耗氣量為Vh標準立方米則[5]：

式中：VD為日均消耗的燃氣量，Nm3/天；經計算天然氣總耗量89795Nm3，所需費用299017.35元.

根據(jù)式(5)，(6)，(7)計算出燃氣鍋爐熱水系統(tǒng)年運行經濟性情況，如表3所示.

表3　燃氣鍋爐熱水系統(tǒng)運行情況

注：選用1t/h的燃氣熱水鍋爐，相當于600000Kcal的熱量，相當于(600×1.163×3600)2512080=kJ

2.3太陽能—熱泵系統(tǒng)運行經濟性分析

太陽能集熱器集熱量計算[1,6-7]：

式中：Q為太陽能集熱器全年日均集熱量，kJ；AC為太陽能集熱器采光面積，1500m2；JT為太陽能集熱器采光面上的年平均日太陽輻照量，取長春地區(qū)緯度傾角平面日太陽輻照度為16127kJ/m2[1,6]；ηcd為太陽能集熱器年平均集熱效率，按實際測試結果選取50%[1]；ηL為儲熱水箱和管道的熱損失率，根據(jù)經驗取值宜為20%[1].

式中：Qal為冬季采暖季節(jié)日均太陽能集熱量，kJ[4]；JTl為冬季采暖季節(jié)當?shù)鼐暥葍A角平面平均日照輻射量，取十二月平均日照輻射量13116kJ/(m2·d).

通過(8)式計算的太陽能集熱器日均集熱量9676200kJ，春夏秋季節(jié)將100000kg冷水自22℃加熱至45℃，通過(1)式計算可知所需耗熱量為9660000kJ，在太陽輻照度充足的情況下完全依靠太陽能集熱量即可滿足熱水供應的需求.冬季冷水溫度5℃左右，十二月平均日輻射量為13116kJ/(m2·d)，經(9)式[1]計算冬季太陽能集熱量為7869600kJ，結合(1)式計算冬季加熱等量的水至45℃所需耗熱量為16800000kJ，太陽能集熱器集熱量最多將水溫加熱到24℃.由于冬季室外溫度過低，太陽能儲熱水箱和管道熱損失較大，再加上太陽輻照強度與輻照時間降低，單單依靠太陽能集熱器的集熱量無法滿足系統(tǒng)的設計要求[8].

式中：F為機組運行費用，元[9]；P為設備功率，90.6kW；n為運行天數(shù)，d；Trp為熱泵機組運行的時數(shù)，12h；φ為負荷百分數(shù)，% 取1；Ψ為時間百分數(shù)，% 取1.冬季外購熱水輔助太陽能熱水系統(tǒng)運行情況見表4.

表4　冬季外購熱水輔助太陽能熱水系統(tǒng)運行情況

注：冬季外購熱水量需考慮太陽能集熱量，冬季運行93d，其中38d購熱水量41t；55d購熱水量57t.

4種不同熱源的熱水系統(tǒng)的節(jié)能效果與經濟性如圖1，圖2所示.

圖14　種不同熱源的熱水系統(tǒng)節(jié)能效果分析

圖24　種不同熱源的熱水系統(tǒng)的經濟性分析

由圖1和圖2可知，全年購買熱水的耗電量是最低的，但其價格并不是最經濟的.經對比，太陽能+空氣源熱泵熱水系統(tǒng)(冬季購買熱水)的經濟性尤為突出.

3結論

對比現(xiàn)有的熱水系統(tǒng)，太陽能-熱泵熱水系統(tǒng)年運行總耗電量160293.6kWh,總費用31.76萬元，每年節(jié)省約7萬元，相當于節(jié)約天然氣89795Nm3.相比之下，太陽能-熱泵熱水系統(tǒng)在運行期間其經濟節(jié)能性十分優(yōu)越，為其在北方寒冷地區(qū)使用提供依據(jù).

參考文獻

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