太阳能辅助加热形式的运行成本比较

太阳能辅助加热形式的运行成本比较

邢磊

中国中轻国际工程有限公司北京100026

摘要：简要介绍了太阳能系统辅助热源的几种方式，从多方面对不同辅助热源进行了分析比较，为新建、扩建及改建的小型集中热水项目提供了参考。

关键词：卡诺循环；辅助热源；空气源热泵；电加热

1概述

太阳能是一种可再生的能源，我国太阳能资源丰富，利用范围很大。但由于太阳能能量密度低、分散，且辐射强度受各种因素影响（如昼夜，季节，地点，气候等）不能维持常量。具有明显的间歇性。因此在太阳能利用过程中往往需要设置辅助热源来实现供能效果。而不同的辅助加热方式对太阳能热水系统初期建设成本的投入及使用后的运行维护费用具有很大的影响。为此，本文以工程实例数据为基础，分析常用了的几种太阳能辅助加热方式。

2辅助热源种类

目前，常用的太阳能辅助加热方式有4种：a）电加热，很多太阳能热水系统都采用这种方式；b）空气源热泵加热；c）燃气配套加热；d）蒸汽配套加热。

2.1电加热配套加热

在许多实际工程中，由于实际条件的限制，往往采用电作为辅助热源。电阻式电加热是目前太阳能热水系统使用最普遍的一种辅助加热方式。电加热方式的优点是在建筑物电源功率能够保证的前提下，建设期加热设备投资较小、性能可靠。但其缺点是运行费用很高，而且由于需要的电加热功率很大，电加热系统运行会对其它用电设备形成较大影响，根据电功率的大小，有些热水使用量较大的热水系统，可能需要增设新的变压器，敷设专用供电线路，使得额外投资增加。采用电加热作为辅助热源，不但会消耗大量的电能，而且对电网的高峰负荷也形成很大压力。

2.2空气源热泵配套加热

卡诺循环：由两个定温过程和两个绝热过程所组成的可逆的热力循环。蒸发式制冷的原理是利用逆卡诺循环来实现。

蒸发式制冷的循环过程：低温低压的蒸汽被压缩成高温高压的气体，在冷凝器中放热冷凝为常温高压液体，常温高压的液体在节流机构处变为常温低压的液体，在蒸发器内吸热变为低温低压的蒸汽。

利用逆卡诺循环中的放热过程的热机即为热泵。“泵”是一种能提高位能的机械设备，比如水泵主要是提高水位或增加水压。而“热泵”是一种能从自然界的热源中获取低位热能，经过电力做功，输出可被人们所用的高品位热的设备。

热源：是指我们从中抽取能源的环境，如空气，地下井等。

热泵按结构、用途等可以有多种分类。如果按所取热源方式，常见的可分为空气源、水源、地热等；按用途分，可以分为采暖热泵、烘干热泵、热泵热水器。

空气源热泵的原理：压缩机的驱动和压缩动力下，气态冷媒（制冷剂）被吸进压缩机内并被压缩成高温高压的气态冷媒；高温高压气态冷媒流入冷凝器；此时低温的水和流动着高温冷媒的通过盘绕在水箱外壁的铜管（散热盘管或称冷凝器）进行热交换，冷水温度升高，气态冷媒温度降低及液化；液态冷媒通过节流阀压力降低；低压液态冷媒流入蒸发器吸收了风机带来的空气中的热量而气化，如此周而复始的运行，利用空气中的热能将水加热到设定温度。见下边图1

空气源热泵是近年来新发展起来的一种太阳能热水系统辅助加热方式。因热泵制热在节能降耗及环保方面的良好表现，从而在热水供应系统中也越来越多的采用热泵设备作为热源。其中以室外空气为热源的空气源热泵，结构简单，不需要专用机房，安装使用方便，在热水供应系统方面具有不可替代的优势。

2.3燃气配套加热

我国天然气含量丰富，燃气作为太阳能辅助加热热源也比较常见。但近年来燃气泄漏事故频发，使用燃气作为辅助热源的风险性也相对较高。

2.4蒸汽配套加热

该方式是传统的获得热水的方式，十分方便。缺点是必须配备锅炉，投资较大。如果附近有热电厂的蒸汽可以引入，必须和其它工程同步配套进行，否则，一次性建设投资较大，且可靠性较差，受制于人，汽源的稳定性难以保证。

由此可见，较常用的、较可行、较为独立、较环保的辅助加热方式是：电配套加热方式、空气源热泵配套加热方式、燃气配套加热方式这三种。

3工程案例太阳能系统计算

3.1项目概况

该项目为北京周边的一座配套宿舍楼。宿舍内共有252人，淋浴器42个，洗脸盆42个。系统为定时集中供应热水，每天晚17点-21点供应热水。当太阳能供热系统无法满足供热需求时，应启动辅助加热设备。

3.2项目的设计小时耗热量，热水量计算

设计小时耗热量：

根据表2可知，北京近19年内每年平均下来一共有108天需要太阳能辅助加热设备来提供热水的热量来源。

那么全年需要的电加热耗电量为：

1260（kw.d）x108（d）=136080（kw.h）

4.2空气源热泵的选型核算

热水机组选型：

选择三台制热量为36KW的机组，每台电功率为9.1kw。

选型校核夏季：

取制热水小时为12h，加热功率为27.3kw，三台制热量为36KW的机组，共108kw的制热量，大于等于实际所需。

此时制取热水的时间为：

h=CM△T/P*3600

公式

h—制取热水的工作时间（h）.

C—水的比热，C=4187（J/kg.℃）

M—热水的日用水量（m³/d）

△T—进水温度与出水温度的温度差（℃）

P—机组的制热量（kw）

经过计算得出此时制取热水的时间为11.3（h）

选型校核冬季：

考虑冬季能力衰减，干球温度-5℃，进水温度5℃时查表得机组为36（kw）的制热能力为22（kw），即能力衰减系数为22/36=0.61。

此时机组每小时的制热量为：

22x3（kw）=66（kw）

根据上文的公式：

h=CM△T/P*3600

此时的制取热水的时间为18（h）

故此时这三台机组运行12h不能满足工程需要，需运行18h才能满足工程的需要。若冬季也按运行12h设计，需添加电辅热。

电辅热功率为：

1.1*（105-66）=39（kw）

选择39KW的电辅热。

根据北京气候基本情况表2可知如果采用空气源热泵辅助加热方式，全年内有将近68天需要采用空气源热泵辅助加热，有40天需要空气热源泵与电辅助联合加热来满足项目的热水热量。

故全年需要空气源热泵的辅助加热的耗电量为：[27.3（kw.h）x12（h）x68（d）]+[39（kw）x（12h）x40（d）]=40996.8（kw.h）

4.3采用燃油（燃气）锅炉为辅助热源分析

热源耗量：

公式：

G—热源耗量，kg/h，Nm³.

k—热媒管道热损失附加系数，k=1.05~1.10（本项目取1.10

Qg—水加热器的设计供热量，W

Q—热源发热量，KJ/kg，KJ/Nm³标准，查《民用建筑太阳能热水系统工程技术手册》表4-11（本项目取34400KJ/Nm³）

η—水加热设备的热效率，查《民用建筑太阳能热水系统工程技术手册》表4-11（本项目取75%）

耗气量为：3.6x1.10x[86（kw）x1000]/[34400（kj/m³）x75%]=13.2（Nm³/h）

根据北京气候基本情况表可知如果采用燃气辅助加热方式，一共需要108天需要燃气加热。

故全年需要燃气辅助加热的热源耗电量为：

13.2（Nm³/h）x12（h）x108＝17107（Nm³/h）

5主要几种太阳能辅助加热热源分析

采用太阳能+电加热系统年耗电所需费用为（电费按0.48元/度计）：

136080（kw.h）×0.48（元/kw.h）≈65300（元/年）。

采用太阳能+空气源热泵系统年耗电所需费用为（电费按0.48元/度计）：

40996.8（kw.h）×0.48（元/kwh）≈19700（元/年）。

采用太阳能+燃气炉加热，全年需耗气所需费用为（管道煤气单价为2.63元/m3的计算）：

13200（m3/年）×2.63元/m3≈34800（元/年）

表3：各辅助热源方案费用计算分析

6结论与建议

根据上文对各个辅助加热设备的计算可以得出，采用空气源热泵系统所运行的费用最低，但对使用地区的室外环境温度有一定的要求。

采用电辅助加热设备时，前提是该建筑附近必须有足够的电源功率能够取得，对于热水使用量较大的场所，就难以保证电源功率。

采用燃气辅助加热设备所运行的费用也相较低。但燃气系统使用范围有限，有些工程不一定有条件设置燃气系统。而且燃气泄漏事故频发，使用燃气作为辅助热源的风险性也相对较高。

根据上边的工程案例分析说明热水供应采用太阳能+空气源热泵系统是最佳选择。它保证正常供应热水质量，还大量地节约资源，降低运行费用，减少温室气体排放，达到了真正高效节能、安全环保，符合国家现阶段提倡大力发展循环经济、节能减排，建设资源节约型、环境友好型社会的要求。

参考文献：.

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[2]彭娇娇，刘光远，徐春艳.空气源热泵辅助太阳能热水系统的性能测试与分析[J].能源技术，2010，（02）：100-103.

[3]欧云峰，杨金华.空气源热泵辅助加热太阳能集中热水系统设计探讨[J].给水排水，2009，（09）：82-84.

[4]张昌.热泵技术与应用[M].北京：机械工业出版社，2008.