“太阳能―地下水源热泵”复合式热水系统的太阳能保证率研究

“太阳能地下水源热泵”复合式热水系统的太阳能保证率研究 摘 要：本文研究“太阳能-地下水源热泵”复合式热水系统的太阳能保证率与系统经济性的关系。建立数学模型，得出系统年度化总成本与太阳能保证率的关系，并综合考虑节能量、投资回收期以及地区经济发展状况等因素进行经济性分析，在规范所推荐的太阳能保证率范围内得出商洛地区合理的太阳能保证率。所得出的结论可为复合式太阳能热水系统的太阳能保证率的选择提供新的方法。 关键词：复合式热水系统 太阳能保证率 年度化总成本 节能量 增量投资回收期 0引言 太阳能和热泵技术是节约常规化石型能源使用最有前途的多种方式之一。然而，由于太阳能受季节和天气影响较大、热流密度低，导致各种形式的太阳能直接热利用系统在应用上都受到一定的限制。热泵可以高效地从低温热源吸收热量，并排放到高温热源中去1。因此，越来越多的学者试图将两者结合起来，组成热泵辅助太阳能复合式热水系统，使两者可以充分发挥各自的优点。 在“太阳能-地下水源热泵”复合式热水系统中，太阳能保证率对系统中太阳能集热面积、系统投资、运行费用以及节能等有很大的影响，应综合考虑系统投资、运行费用、节能效果和投资回收期等因素，在设计规范推荐的太阳能保证率范围内确定一个合理的太阳能保证率。 1 复合式热水系统 “太阳能-地下水源热泵”复合式热水系统由太阳 能集热子系统、辅助热源系统（地下水源热泵系统）和热水供应系统组成。太阳能集热系统优先加热给水，并将加热的给水蓄存在蓄热水箱中，当热水供应负荷大于太阳能集热系统所能生产的热水时，地下水源热泵工作，或在电力负荷低谷时段工作蓄热，或随热水供应负荷需求开启热泵机组运行来满足即刻的热水供应的要求。 2数学模型的建立 2.1目标函数 以系统的年度化总成本为优化的目标。系统年度化总成本 包括系统年度化初投资 和年运行费用 。 2.2计算年度化初投资 式中： 银行利率； 使用寿命； （1）太阳能集热系统初投资 太阳能集热系统初投资为集热器初投资，蓄热水箱初投资、集热系统循环泵初投资以及集热系统管网初投资之和。 太阳能集热器初投资、蓄热水箱初投资、集热系统管网初投资与集热器面积相关，数学模型为： 集热系统循环泵初投资 式中： 3集热器面积，m2； 集热系统水泵的流量， m3/h ； 集热系统水泵扬程，mH2O； 集热水泵台数； （2）地下水源热泵系统初投资 地下水源热泵系统设备的选择考虑的是太阳辐射最不利的情况，所以设备选择与太阳能保证率无关，即地下水源热泵系统的初投资也是一定的。 （3）热水供应系统初投资 热水供应系统初投资与系统形式等无关，所以初投资也为常量。 2.3计算年运行费用 年运行费用包括太阳能集热系统年运行费用、地下水源热泵系统年运行费用和热水供应系统年运行费用。 式中： 电费单价，元/kWh； 各系统年运行时间，h/年； 各系统用能设备输入功率，kW； 2.4系统的节能量 式中：0.404电折标煤系数，kgce/kWh； 2.5系统的增量投资回收年限 2 参比对象为家用电热水器 式中： ； 取银行贷款利率； 年燃料价格上涨率； 电热水器投资，万元； 标准煤价格，万元/吨； 3 计算结果与分析 选择商洛地区的一个“太阳能-地下水源热泵”复合式热水系统为研究对象，总建筑面积为14.95万m2，在规范推荐的太阳能保证率范围内（30%80%）3按步长为1%计算。 从图1中可以看出，系统年度化成本、初投资都随着太阳能保证率的增大而增加，年运行费用则随着太阳能保证率的增大而减小，运行费用减少量小于系统年度化初投资的增量。当 从30%增加到80%时，系统年度化成本、系统年度化初投资、年运行费用增大的百分比分别为10.35%、43.36%、-54.25%。从计算结果来看，当太阳能保证率增大时，运行费用的变化率最大。 系统年节能量是随着太阳能保证率的增大而增加， 从30%变到80%，节能量增加了12.38%。要获得较大的节能效果、较低的运行费用，则必然要增加初投资，同时也会提高投资回收期，如图2所示 从30%变到80%，静态投资回收期从8.12年增加到11.38年，动态回收期从10.76年增加到17.34年，增加了6.58年，增幅比静态回收期大，增加了增加了6.58年，增幅比静态回收期大，而该系统的寿命为15年，所以一定要在寿命周期内回收增量投资，太阳能保证率小于63%。投资回收期是一个很重要的指标，一定要在合理的范围内，才能被用户接受。而该地区的静态投资回收期要小于10年2，根据计算结果可以得到太阳能保证率的最大值为57%，对应的动态投资回收期为14.25年小于15年。 4 结论 1）本文提出综合考虑系统年度化成本、系统年度化初投资、系统年运行费用、节能量和增量投资回收期来确定合理太阳能保证率的方法。 图1系统年度化成本、系统年度化初投资以及系统年运行费用与太阳能保证率的关系 图2系统增量投资回收年限与太阳能保证率的关系 2）系统年度化成本、系统年度化初投资、节能量和投资回收期随着太阳能保证率的增大而增加；系统年运行费用则反之。 3）确定合理的太阳能保证率要综合考虑系统年度化成本、节能量、投资回收期以及当地的经济发展状况。开发商或者用户根据自身的需求和条件来确定合适的太阳能保证率。 参考文献 1 冯诗愚，胡 伟，高秀峰，等.热泵辅助太阳能中央热水系统年运行特性研究J.太阳能学报， 2008， 29（3）： 283-289. 2 郑瑞澄.民用建筑太阳能热水系统工程技术手册M.北京：化学工业出版社，2005，10. 3 GB50364-2005，民用建筑太阳能热水系统应用技术规范S.第 5 页 共 5 页