空气源热泵开水机的节能研究

□文/梁梦宽 邱社明 史维秀 于志超

饮用水的能耗在办公楼和学校的能耗中占有较大的比例，传统的锅炉集中供饮用水方式已经越来越多的被分散式饮水机所代替。饮水机方便、快捷，但热损失较大，在建筑中按层设置开水机有利于集中供应热水，减少管道热损耗[1～2]。集中式开水机目前常用电热式，能源转换效率高于90%，属于常开型，设备散热损失较大。在装有加热和冷却系统的建筑中，空气源热泵技术已经得到了很好地应用[3～4]，尤其适合于单独的区域建筑[5]。空气源热泵机组通过输入少量电能，从空气中吸收热量，产生几倍于输入电能的热量，对于节能减排具有重要意义[6～7]，同时减少二氧化碳的排放[8]。空气源热泵产生的50℃左右的热水比较适合于洗浴[9～12]。本文从节能角度出发，研究空气源热泵应用于开水机的可行性并提出优化方案。

试验系统及方法

试验系统

饮水装置由空气源热泵（额定制热量为3 235 W）、电加热器（4 kW）及控制器组成，试验过程中安装的测试仪表见图1。

图1 空气源热泵开水机试验系统

为了模拟和改变环境温度，系统置于恒温室内，室内温度和湿度由大型热泵机组及送排风系统控制。辅助电加热采用瞬时加热方式——电磁加热器，保证边取水边加热。

试验方法

出于节能考虑，热泵机组出水温度、COP值越高越好，但两者是矛盾的，机组出水温度越高，COP值越低。试验前对制冷剂进行筛选，采用中高温制冷剂ZHR02。首先优化毛细管长度，保证机组本身的COP值最高。然后改变环境温度，确定热泵的最佳出水温度，以保证装置总的电耗量少。

试验分析

毛细管长度的优化

图2 不同毛细管长度下水箱温度随时间的变化曲线

从图2可以看出，毛细管长度为0.6 m和0.7 m时，热泵机组升温快、最高温度可达到75℃左右且毛细管长度为0.6 m时的换热效果稍好于0.7 m时。

图3 不同毛细管长度下换热量与输入电量之比随时间的变化曲线

从图3中可以看出，毛细管长度不同换热量与输入电量的比值也不同，其中长度为0.6 m时效果最好。综合以上情况，确定试验毛细管长度为0.6 m。

不同环境温度下热泵机组的运行效果

水箱内水的初始温度为35℃，周围环境温度分别为10、20、30、40℃时，启动热泵机组为水箱加热，水温随时间的变化曲线见图4，换热量与输入电量之比的变化曲线见图5。

图4 不同环境温度下水温随时间的变化曲线

从图4可以看出，环境温度越高，水箱温度上升越快。当环境温度为20、30、40℃时，水箱的最高温度可以达到75℃。而环境温度为10℃时，水箱温度只能达到65℃，说明水箱温度与环境温度的最大差值可达到55℃。

图5 不同环境温度下换热量与输入电量之比随水箱温度的变化曲线

从图5可以看出，环境温度越高，系统的换热量与输入电量的比值越高。环境温度为30℃和40℃时，将水加热到70℃，系统换热量与输入电量之比约为1.7和1.76；而环境温度为20℃时，该比值接近于1，已经不节能。从这个角度考虑，冬季热泵系统的出水温度以55℃为宜，此时系统换热量与输入电量之比值为1.4，环境温度为20、30、40℃时制取55℃热水所对应的热电比分别约为2.2、3.0、3.2，制取65℃热水所对应的热电比分别为1.6、2.3、2.8，节能效果明显。

（2）通过3kW立磨机试验知，在现有条件下，系统平台较佳工况条件为：研磨介质直径7mm，介质充填率30%左右，磨机转速30Hz左右。

节能分析

以天津地区某高校5层教学楼为例，假设使用时间从8:00—22:00，22:00以后机组停机，用水量按照0.6 m3/（d·层）进行计算，水箱容积为 120 L，电加热器效率为96%。

采用电加热器的耗电量

如果采用电加热，则一天的耗电量为

式中：N——耗电量，kW·h；

△T——温差，℃；

C——水的比热，取4.19 kJ/（kg·K）；

ρ——水的密度，取1 000 kg/m3；

V——用水量，m3；

ε——由水箱散热引起的热量放大系数，按照经验数值取1.05；

η——电能转化为热能的转换效率，取96%。

按照式（1）计算，如果用电直接将水加热到100℃，整个教学楼的耗电量约为221.5 kW·h/d。

采用空气源热泵和辅助电加热器的耗电量

假设早上热泵机组开机时水温为30℃，热泵机组先将混水区中的水从30℃加热到55℃，其他时间水温45℃时开启热泵机组。

（1）热泵机组的出水温度为55℃

环境温度为10℃时。水从30℃开始加热时系统换热量与输入电量之比取平均值2.4，从45℃开始加热时取1.7，总耗电量为196.75 kW·h/d，比普通电加热节能11.2%。

环境温度为20℃时。水从30℃开始加热时系统换热量与输入电量之比取平均值3.3，从45℃开始加热时取 2.4，总耗电量为189.63 kW·h/d，节能 14.4%。

环境温度为30℃时。水从30℃开始加热时系统换热量与输入电量之比取平均值4.0，从45℃开始加热时取 3.3，总耗电量约为 185.32 kW·h/d，节能16.3%。

若每年约有30 d时间楼内温度为10℃左右，30 d左右的时间温度为30℃，其余时间均在25℃左右，年综合节能14.8%。

（2）环境温度为10℃时热泵机组的出水温度为55℃，其他情况下出水温度为65℃

环境温度为20℃时。水从30℃开始加热时系统换热量与输入电量之比取平均值3，从45℃开始加热时取 2.2，总耗电量为 166.43 kW·h/d，节能 24.9%。

环境温度为30℃。水从30℃开始加热时系统换热量与输入电量之比取平均值3.6，从45℃开始加热时取2.8，总耗电量约为159.71 kW·h/d，节能27.9%。

若每年约有30 d时间楼内温度为10℃左右，30 d左右的时间温度为30℃，其余时间均在25℃左右，年综合节能25.2%。

结论

（1）随着环境温度的升高，热泵系统的换热量与输入电量的比值逐渐升高，说明热泵型开水机在夏季运行最为节能。

（2）对于热水量为0.6 m3/d的热水机组，若空气源热泵的出水温度为55℃，对比电开水器，每年可节能15%左右。

（3）若按照季节控制热泵机组出水温度冬季55℃、其他季节65℃，则每年节能25%左右，效果显著。

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