空气源热泵热水系统优化设计实例分析

空气源热泵热水系统优化设计实例分析

安晓红

中冶华天工程技术有限公司江苏南京210000

摘要：结合某学校Ⅲ类学生宿舍的空气源热泵热水系统的设计，介绍了该系统中热泵机组和储热水箱选型的方法和步骤，同时通过采用双水箱的优化设计提高了空气源热泵热水系统的效率。

关键词：空气源热泵；集中热水供应系统；双水箱；优化设计

引言

伴随我国对新能源研究的不断深入，太阳能、空气能等技术在建筑给排水设计中的使用率也越来越高，用太阳能、空气能制备热水，能达到缓解煤、天然气等不可再生能源的消耗的目的，且具有节能、安全、环保的特点。近年来，空气能热泵因其安装位置灵活、占地面积小、不受昼夜影响而在我国南部地区广泛应用。本文基于安徽宿州某学校学生宿舍的空气源热泵热水系统设计，系统地介绍了该系统中热泵机组和储热水箱选型的方法和步骤，同时通过采用双水箱、辅助加热的优化设计提高了空气源热泵热水系统的效率，以实现该系统在淮北地区稳定、高效的运行。

1工程概况

本工程为宿州市某学校学生宿舍区热水系统设计，共5栋宿舍，为减少热水配水过程中热量的损耗，因此每栋宿舍为一个独立的热水系统。本文以其中一栋宿舍进行分析。该宿舍楼六层，共403间宿舍，每间宿舍设有独立卫生间，内设一个淋浴器，每间宿舍入住学生6人。根据学生作息和生活规律，宿舍的热水采用分段定时供水，每天的供水时段为：6:00~9:00；11:00~14:00和18:00~24:00。宿州市年平均气温为14.5℃，最冷月平均气温最1.0℃，小于-10℃的极端最低气温平均每年0.8至5.8天，小于或等于-20℃的极端最低气温约十年一遇。

2热水系统的组成及设计参数的选择

2.1热水系统的组成

本工程空气源热泵热水系统由7台空气源超低温热泵机组、加热水箱、保温水箱、辅助电加热系统、水泵及管道阀门等组成。空气源热泵热水系统原理图见图1所示（图中仅示意了两台热泵机组）。热泵机组采用全自动控制方式，根据水箱内热水的温度变化，自动启停；同时机组内还设有各种保护装置，可避免出现漏电、干烧、超高温等危险事故。

图1空气源热泵热水系统原理图

2.1设计参数的选择

热泵热水系统中需要选取的主要设计参数为用水定额、冷水水温、热泵工作时间。该宿舍为设有独立卫生间的6人间宿舍，在《建筑给水排水设计规范》GB50015-2003（2009年版）中并没有此类宿舍的明确分类，根据相关文献[1]按Ⅲ类宿舍设计，规范中热水定额为40~80L/人?d（60℃），但用水定额范围较广，而《民用建筑节水设计标准》(GB50555—2010)规定，本类宿舍的平均日热水用水定额为35～45L/(人·d)。杨柳[2]等人研究了典型学生公寓的生活热水用水定额，根据其研究结果将热水定额选为40L/（人·d），这样既满足规范要求又能更接近实际用水需求。本工程因有辅助热源，另一个参数冷水水温按当地农历春分、秋分所在月的平均气温和冷水供水温度计算，取值为10℃。热泵工作时间关系到热泵数量和系统供热的安全性，工作时间过短会增加系统造价，工作时间过长又会影响冬季的辅助加热系统的耗电量，因此合理的确定工作时间至关重要。如热泵热水系统按春秋季平均日的参数设计，一般加热时间按8～12h［3］，因为本工程为学生宿舍，在冬季最冷月学生会放寒假停止热水供应，所以选取工作时间选为12h。

3设计小时供热量的计算

热泵型号及数量的选择需要根据系统所需的供热量来确定，因此首先需根据热水系统出水温度和当地的冷水温度计算出热水总供热量，计算式如下：

4保温水箱容积

本工程的热水系统为定时供水，且选用的是非直热式热泵机组，所以所需的储热水箱总容积为定时供应最大时段的全部热水量。宿舍的最大供水时段为18:00~24:00，共6个小时。在这6个小时内机组仍然可以运行有热水产生，所以本工程的储热水箱总容积取最大时段全部热水量的90%，计算所得的总容积V=43.5m3。项目采用了双水箱设计，设置了V1=3.6m3的加热水箱，所以保温水箱的容积V2=V-V1=39.9m3。

5控制原理

当加热水箱中的水位低于浮球阀浮子，自来水自动从冷水给水管补进加热水箱中；水位高于浮球阀浮子时，自动停止补水；当加热水箱温度达到60℃且储热水箱中的水位低于浮球阀浮子时，水箱间增压泵启动，热水进入保温水箱，保温水箱水位高于浮球阀浮子时，水箱间增压泵停止工作。当温度传感器T2测得加热水箱中水温低于设定温度时，生活热水一次循环泵开启，热泵机组启动，进行循环加热，提高水箱水温，当水温达到设定温度时，T2发出控制信号，生活热水一次循环泵和热泵机组关闭。当温度传感器T4测得保温水箱中水温低于设定温度时，系统进入强制循环加热模式。电加热器作为机组的备用系统，同时可以在环境温度较低时（温度可设定）使用，电磁阀M2打开，M3关闭，电加热器开启，提高水温，弥补机组低温环境下的能力衰减。当环境温度升高后（温度可设定），M2关闭、M3开启、电加热器关闭。

6本项目热泵热水系统特点

①因本项目位于淮北地区，冬季气温低，不适合直热型热泵机组[4]，所以该系统选用了高效超低温机组。且每栋宿舍设独立的热水给水系统，缩短系统热水供回水管路长度，减少热水配水过程中的热量损失。②宿州市冬季气温较低，因此系统设置了辅助电加热系统，以减少项目初期投资，同时在冬季气温较低的时段内也能保证热水的供应，实现了热水系统供水的稳定性。③另外，本工程采用了双水箱设计。据相关文献报道［5］，单水箱热泵热水系统加热过程中自来水补水与水箱热水混合，热泵循环加热水温起点高，存在机组平均加热效率难以提高的问题，后来东南大学鹿琳[6]等提出了一种双水箱（加热水箱和储水水箱）的热泵热水系统，该系统冷水补水进入加热水箱，被热泵机组加热到设定温度后送至储水水箱以供给用户侧，从而避免冷热水混合造成机组效率较低的问题。他们的实验表明双水箱热泵热水系统避免了在使用过程中自来水补水与水箱原有热水混合，降低了空气源热泵机组加热过程中的平均工作温度，提高了热泵机组的加热效率，具有明显的节能效果。因此，本工程采用双水箱设计，一方面可以节能，另一方面还可以减少储热水箱的总容积。

7结语

空气源热泵热水机组的制热能力和产水量随着环境温度的降低而降低，虽然在中部地区使用过程中需增加辅助加热设备，但相比传统的热水制备系统，仍具有节能的优势。同时，双水箱设计具有加热控制灵活、提高热泵机组加热效率、减少储热水箱总容积的特点。

参考文献:

［1］彭世瑾.Ⅲ类学生宿舍热水系统计算公式参数取值探讨,给水排水,201,38(1):110-111.

［2］杨柳，陈静，张少良，段梦庆,典型学生公寓生活热水用水定额研究,给水排水,2014,40(7):157-161.

［3］陈伟，王靖华，屈利娟，等．可再生能源和节能设备加热生活热水系统设计参数探讨．给水排水，2012，38(9):79-83.

［4］王靖华,吕存阵,王小红．夏热冬冷地区空气源热泵热水系统设计参数的探讨与检测.给水排水,2015,-41(10):75-79.

［5］於慧姝，陆春林，金苏敏．热泵热水器蓄热水箱的漏热损失分析．流体机械，2010，38（11）：:81-84.

［6］鹿琳，梁彩华，张小松.双水箱热泵热水系统的构建及性能.化工学报.2016,S2(67):333-338.