节能环保热水热源选择的技术经济分析

　　摘要：介绍了太阳能热水系统与常用几种辅助热水热源组合在实际的运用，结合工程实例，探讨与分析了以太阳能热水系统为主与常用几种辅助热水热源组合运用经济、节能、环保等指标上的分析。
　　
　　关键词：太阳能；热水；节能；经济；环保
　　
　　1太阳能资源利用前景
　　目前，我国已成为煤炭消费第一大国，油、电消费第二大国。面对如此严峻的能源需求，太阳能、风能等新能源的利用为缓解能源紧缺起到积极作用，同时也催生了太阳能行业的政策环境，节约资源是我国的一项基本国策，充分认识到节约资源的重要性和紧迫性，对加快推进建设节约型社会，大力发展循环经济将起到重要作用。近年来，随着城市化和工业化的发展，我国建筑耗能已超过全国能源的消费总量的25%，公共建筑耗能巨大，且浪费严重，宾馆、饭店、集体宿舍是民用建筑的1.8倍，因此采用各项节能措施，降低能耗越发显得重要。宾馆、饭店、集体宿舍的耗能量中，生活热水是仅次于空调的耗能大户，如何正确选择和优化热源，对宾馆、饭店、集体宿舍的节能指标很重要。
　　太阳能是太阳内部连续不断核聚变反应过程中产生的能量，是人类赖以生存和发展的能源，太阳能热水系统就是通过太阳能集热器高效地吸收太阳辐射能，直接转换为热能对水进行加热的产品。太阳能是可再生能源，是取之不尽、用之不竭的新能源。
　　集中式热水系统是以一个单元(或多个单元)为一个循环系统，设置一个总水箱，将若干个集热器串并联组成一个大的系统。但是，太阳辐射具有不稳定性和很强的季节性，如阴雨天和晴天，冬天和夏天的集热器存在得热差异，单一太阳能热水系统不能满足用户要求，因此，配置辅助热源是必要的。技术合理、经济效益和环保效益明显的辅助热源方案能以最低的代价向系统补热。太阳能热水系统对辅助热源的要求包括以下几点：一是自动化，不需要专人管理操作；二是安全可靠、高效率和运行经济性；三是环保。针对于这三点，空气源热泵很好地符合了这些要求，本文将空气源热泵技术和太阳能技术相结合应用于以武汉为代表的中亚热带北缘湿润季风气候区冬季低温时间的研究。
　　2武汉当地地理气象资料及工程概况
　　武汉市属于中亚热带北缘湿润季风气候区。光能资源：年平均太阳能总辐射量为105～113kcal/cm2（均值为109kcal/cm2），年日照时间为1850～2119h。
　　处于地球的N,E，年平均自来水温度为20℃。当地安装太阳能热水器，每天每m3可产热水90kg。武汉市某公司园区员工宿舍区用热水人数为34400人，每人每天用热水定额为45kg，热水使用温度为55℃。（每天日用热水总量为1548t/d）武汉地区全年晴天天约为250d（即太阳能热水系统的有效利用天数在250d左右），剩余的115d里（其中有约55d需完全靠热泵进行加热，60d中太阳能与热泵加热约各占1/2）。在晴天里完全可由太阳能集热器提供热水,每天要供34400人使用热水共1548t（即1548000kg/d），热水使用温度55℃。则需配备太阳能集热器面积为：
　　3太阳能热水系统产热量计算及常用几种辅助加热设备产热计算
　　3.1按照设计方案，设水温为20℃，使用热水水温55℃，17200m2的集热面积在普通晴天里，太阳能热水系统每天可产热水17200（m2）×90（㎏/m2）=1548000（㎏）
　　3.2采用太阳能+热泵中央热水系统
　　冬春季阴雨天水温不够高，设计空气源热泵辅助加热系统，可以根据用水量和用水温度，若完全采用热泵辅助加热装置加热，生产1548000kg的55℃热水，日需耗电量为(电发热值为860大卡/度，空气源热泵年平均能效比为4.35)：
　　
　　根据设计方案，须要辅助加热的115d中大约有55d阴雨天要以空气源热泵加热为主，60天要短时间热泵加热辅助(每天的1/2)。
　　55(d)×14483(kwh/d)＝796565(kwh)（1）
　　60(d)×14483(kwh/d)×1/2＝434490(kwh)（2）
　　结合（1）和（2），全年耗电量为：796565(kwh)+434490(kwh)＝1231055(kwh)
　　3.3采用燃气炉辅助加热运行分析
　　3.3.1、采用燃气炉辅助加热运行分析
　　采用燃气炉加热,每天生产1548000kg的55℃热水,则每天耗气量为(管道煤气燃烧值为3800大卡/m3燃气炉的热效率为90%)：
　　[1548000(㎏)×(55-20)℃]÷[3800(大卡/m3)×90%]≈15842（m3/d)
　　根据设计方案，须要辅助加热的115d中大约有55d阴雨天要以燃气炉加热为主,60d要短时间燃气炉加热辅助(每天的1/2),则全年采用燃气炉辅助加热需耗气量为：
　　55(d)×15842(m3/d)=871310(m3)（3）
　　60(d)×15842(m3/d)×1/2=475260(m3)（4）
　　结合（3）和（4），每年需要耗气量为:871310+475260=1346570m3
　　3.4采用燃油炉辅助加热运行分析
　　3.4.1、采用燃油炉辅助加热运行分析
　　采用燃油炉系统辅助加热,每天生产1548000kg55℃的热水,则每天耗油量为(柴油发热值为10200大卡/㎏；燃油炉的热效率为80%):
　　[1548000(㎏)×(55-20)℃]÷[10200(kcal/㎏)×80%]≈6640(㎏/d)≈7821(l/d)
　　根据设计方案，须要辅助加热的115d中大约有55d阴雨天要以燃油炉加热为主,60d要短时间燃油炉加热辅助(每天的1/2)。
　　则全年采用燃油炉辅助加热需耗油量为：
　　55(d)×7821(l/d)=430155(5)
　　60(d)×7821(l/d)×1/2=234630(6)
　　结合（5）和（6），每年需要耗油量为430155+234630=664785
　　3.5采用纯电加热
　　若完全采用纯电锅炉加热，把年平均20℃的自来水加热至55℃，满足1548000㎏热水的需要，日需耗电量为(电发热值为860大卡/度,电锅炉热效率为95%)：
　　
　　则采用纯电锅炉进行加热，每年需要耗电：
　　4常用几种辅助热源方案经济性对比分析
　　方案一：采用太阳能+热泵热水系统年耗电所需费用为(电费按0.64元/度计)
　　1231055(kwh)×0.64（元/kwh）＝787875(元/年)
　　方案二：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3.28元/m3的计算)
　　1346570(m3/年）×3.28元/m3≈4416750(元/年)
　　方案三：采用太阳能+燃油炉加热，全年需耗油所需费用为(柴油单价为6元/l的值计算)
　　664785(l/年）×6元/m3≈3988710(元/年)
　　方案四：采用太阳能+电锅炉进行加热，每年需要电费为(电费按0.64元/度计)
　　
　　通过以上各辅助热源方案费用计算与太阳能组合得出以下结论，如表1，不难看出使用太阳能+热泵中央热水系统是最经济与可行。
　　 太阳能+热泵热水系统 太阳能+燃气炉热水系统 太阳能+燃油炉
　　热水系统 纯电加热热水系统
　　年运行费用（元） 787875.00 4416750.00 3988710.00 15491418.00
　　
　　表1年运行费用对比分析一览表
　　5系统环保性测算分析
　　采用太阳能+热泵中央热水系统每年可减排约10526.3226吨，分析如下：如果将1吨20℃的水加热至55℃，则需吸收热量
　　
　　其中，C：水的比热，；m：质量，kg；：温差，
　　纯碳的发热值（指在完全燃烧的情况下）
　　则将1t15水加热至55需耗纯碳
　　其中m：纯碳的质量；kg：同上；：煤炭炉的热效率，取值为85%
　　从化学角度上分析：1mol纯碳在完全燃烧的情况下可产生1mol，则5.8kg纯碳在完全燃烧的情况下可产生kg
　　
　　其中，：碳质量，kg；：碳的摩尔质量，g/mol；：的摩尔质量，g/mol
　　所以每天将1548t水从20加热到55可减排：
　　则每年可减排：28839.24kg×365d=10526322.6kg≈10526.3226t
　　通过以上计算分析足见太阳能+热泵中央热水系统大大的减少了温室气体的排放，环保效益明显。
　　6结论
　　6.1根据以上能耗分析和环保分析，说明安装太阳能+热泵中央热水系统是最佳的选择。既解决了人们担心的问题，保证了正常供应热水及热水质量，还可以大量地节约资源，不但降低运行费用成本，减少温室气体排放，达到真正高效节能、安全环保，又响应了国家现阶段提倡的节能减排，特别是减少排放CO2温室气体，绿色消费的要求，同时也符合了大力发展循环经济，建设资源节约型、环境友好型社会的要求。
　　6.2太阳能+热泵中央热水系统在实际运行过程中，如果当地有谷价电的优惠，则环保节能将更加明显。