空气源热泵热水器在民用工程中的应用

毛惠敏 周萌 海立集团热泵事业部 (200126）

毛惠敏（1984年～），2007年毕业于江苏大学流体力学专业。现工作于上海海立集团股份有限公司热泵事业部。

0 引 言

热泵的理论起源于1824年法国工程师卡诺的卡诺循环的论文。在1850年初英国物理学家开尔文（L.Kelvin）提出：冷冻装置可以用于加热。1912年瑞士的苏黎世成功安装一套以河水作为低位热源的热泵设备用于供暖，并以此申报专利，这就是早期的水源热泵系统，是世界上第一套热泵系统。

热泵的概念就是消耗极少部分电力，充分利用室外空气、水、土壤的能量对室内进行供热、制冷并同时提供廉价热水的热源泵送机械设备。按照冷热源的不同，热泵分为三类：空气源热泵，水源热泵和地源热泵。

空气源热泵热水器是一种利用电能驱动的蒸气压缩制冷循环，将低品位热源（空气）中的热量转移到被加热的水中用于制取热水，满足人们生活、生产需要的设备，可分为直热式热水机和循环加热式热水机，原理如图1。

图1 空气源热泵工作原理

1 空气源热泵的工作原理

一台空气源热泵热水装置，主要由蒸发器、压缩机、冷凝器和膨胀阀四部分组成，通过让冷媒不断完成：蒸发（吸取环境中的热量）→压缩→冷凝（放出热量）→节流→再蒸发的热力循环过程，从而将环境里的热量转移到水中。空气源热泵系统示意图如图2。

压缩过程：蒸发后的运行冷媒被吸入压缩机，通过压缩机的压缩功能，将冷媒压缩成高压高温气体，使其对于较低温度的自来水易于放热、液化。

图2 空气源热泵系统示意

冷凝过程：从压缩机排出的高压高温冷媒被常温的自来水吸收热量而变成的液态冷媒。

节流过程：把液化后的冷媒送入热泵主机蒸发器之前，利用毛细管的压力差，使冷媒在保温水箱的冷凝器内冷凝降压，将它变成即使在低温下也易于蒸发的状态。

蒸发过程：液态冷媒从周围空气中吸收热量而不断蒸发汽化，被吸收热量后的空气变为“冷气”。

2 热泵的优势

空气源热泵热水器具有高效节能的特点，其耗电量是同等容量电热水器的1／4，是燃气热水器的1／3。以每天产1t温升50℃（水温从15℃升至65℃）的热水计，需要用电50kW·h左右，然而对于同样利用电能的热泵来说，在常温下，可以轻松实现75%的节能效果。

它采用空气源热泵原理，每消耗1份电量的同时从空气中吸收4份热量，能效比最高可达5.5，为用户节省一半到四分之三的电费；无需燃料，避免泄露、爆炸的危险；采用冷媒进行热交换，区别于电加热，真正实现水电分离，堪称最安全的热水器；与太阳能热水器不同，它可以24h×365天不间断运行，不受夜晚阴雨等任何环境的影响，持续提供舒适的热水；主机可实现全自动智能控制，水温过低自动加热，严寒条件自动化霜，做到真正的无人值守，方便舒适。

3 民用热泵热水项目设计方案

目前热泵市场每年都在成倍增长，发展势头相当迅猛。在欧美大多数发达国家，如澳大利亚、英国、法国、德国以及北欧南欧的一些国家，热泵产品已经进入了大多数家庭，从20世纪 70 年代生产出家用空气源热泵产品至今，有的产品已正常运行了十几年，其性能得到用户的高度评价。20世纪80年代来，中国热泵在各种场合的应用研究有了许多发展，在京津地区应用实践。这种设备同时对于我国能源使用效率不高、分配不均匀的现状也提出了一个有效的解决方法。中国政府已将热泵技术定为重点推广的环保、节能新技术。

3.1 应用背景

随着人民物质生活水平的提高，以及国家能源的紧缺和节能环保政策的出台，热泵热水器已越来越受到人们青睐。目前空气源热泵产品主要应用于各类民用工程，如连锁或商务酒店、美容美发沙龙、大型娱乐中心、工厂职工、学校浴室、桑拿、足浴、洗浴中心、游泳池以及高档小区的供热水和采暖。

许多企业都碰到用什么设备制造热水的难题，用柴油锅炉制造热水能耗大，而且消防手续复杂，需要空间安置锅炉、油坦克，需专人负责还要年检；用燃气锅炉光接管就几十万元。如今采用逆卡诺循环原理的空气源热泵热水机组，解决了长期用锅炉制造热水能耗大、有危险的矛盾。空调、锅炉用多了都会产生城市“热岛效应”，然而热泵却不同，它在吸热制造热水的同时，还能带来清凉的空气，可谓“一举两得”。

下面以某工程设计为例。

3.2 设计依据

1. 建设单位提供的原设计图和建设单位要求

2《.采暖通风与空气调节设计规范》（GBJ19-87）

3.《通风与空调工程施工及验收规范》（GB50243-2002）

4.《通风与空调工程质量检验评定标准》（GBJ304-88）

5.《简明空气调节设计手册》（中国建筑工业出版社）

6《.采暖空调制冷手册》（机械工业出版社）

7《.建筑给水排水设计规范》（GB50015-2003热水用水定额，如表1所示）

8《.给水排水施工规范》

9《.给水排水设计手册》

10.《建筑给水排水及采暖工程施工质量验收规范》

表1 GB50015－2003热水用水定额

3.3 其他设计参数

表2 室外设计参数

表3 冷水进水温度

3.4 设计说明

（1）设计思路

在满足设计要求的前提下，结合实际使用需求，充分发挥各种型式产品的性能特点，使热水系统的性能价格比及运行达到最合理化，且尽量降低设备初投资与运行费用，并有利于以后的日常设备管理和维修。根据工程要求并结合产品性能特点对系统进行系统设计。

（2）保温水箱容量及机组的确定

将1t的水从自来水补水温度（15℃）加热至热水供水温度（55℃）所需热量q=Cm△t＝4.187×1000×（55-15）=167480kJ，其中C=4.187kJ/kg·℃ (注：单位质量的某种物质温度上升或者降低1℃所吸收或者释放的热量叫做该物质的比热容，简称比热，用字母C来表示)。使用空气源热泵热水机组，热水用的越多越能体现节能特性。职工浴室淋浴房设有24个淋浴喷头,每个淋浴头流量12L/min，浴室开放3h，极限用热水量为:Q=120×24×80=51840L，考虑混合水系统设置，可满足500人洗浴用热水，故水箱选择50t。

商用型机组一天的最佳工作时间为12h，以每天产50t温升40℃（从15℃～55℃的冬季工况）热水计， 4.5kW空气源热泵热水器产水量为410L/h，则4.5kW主机台数=热水总用水量(m3/h)/（机组热水产量(m3/h)×12h）=50 000/（410×12）≈10台

（3）采用循环式制热，可以满足热水供应

（4）水系统流程控制说明

主机为10台4.5kW热泵热水机组, 系统设计末端供水采用循环式供水，当管路内水温低于设定温度时，管路中感温头传送信号，增压水泵及回水管上的电磁阀打开，机组及循环水泵开始运行加热，这样可以保证使用热水末端随时都可以用到热水；系统补水和风冷冷热水模块机组补水使用同一个补水箱，水箱内水位开关传送信号，补水管上的电磁阀打开进行补水。

（5）热泵热水机组系统控制

热泵系统按照设定工作时段和设定供水温度要求自动工作，在设定工作时段内，循环加热水水泵启动，热泵机组同时工作，水箱内的水通过热泵机组被循环加热，水箱内的水逐步被加热，当达到设定温度时系统停止工作。当水箱内的水低于设定温度时，系统重新自动启动工作使水箱内的水保持在设定的温度范围内。并且热泵系统也可根据实际用水量大小设定和调整供水时间、温度、控制水位等参数，达到最大限度满足用水又节约用水的目的。

空气源热泵系统控制器适用于单压缩机（单相/三相），风冷，直出水式或循环水式热泵热水机组。控制器由主板，室内操作线控器，恒温器(选配件)组成。具有性能稳定可靠、功能先进、用户设置灵活、外型美观、保护功能齐全等特点(根据需要一套控制器既可做普通循环式,又可做直出水加上循环式)。

图3 系统的控制面板

控制器操作面板采用电容式感应触摸按键，具有操作灵敏度高、抗干扰能力强、无限次操作、外型美观、防尘防水等优点。

4 施工及调试要求

4.1 安装注意事项

（1）主机水管连接处的钣金经过特别设计，在安装时可将水管附近的内部支撑钣金去掉，即可获得大量的安装空间。

（2）管道安装过程中应保持管道内壁的干净，避免杂物进入管道中。

（3）安装水箱的时候应考虑基础的承重能力，不宜采用过大的水箱。

（4）大型热水工程系统，如果有必要时进行选型安装膨胀水箱。

4.2 调试注意事项

（1）先检查机组参数设置情况，根据当地的使用条件可适当调整参数设置；

（2）检查电动阀的灵活度，避免因为安装不规范或者异物卡住电动阀；

（3）检查各个部件的安装情况，确认系统的保护设置能正常；

（4）系统运行前，需先将管道内的空气排出。

5 节能效果比较

以每天产50温升40℃（从15～55℃的冬季工况）热水计，将1t水从自来水补水温度（15℃）加热至热水供水温度（55℃）所需热量q=Cm△t＝4.187×1000×（55-15）=1.67×105kJ，其中C=4.187kJ/kg·℃ (注：单位质量的某种物质温度上升或者降低1℃所吸收或者释放的热量叫做该物质的比热容，简称比热，用字母C来表示)。

表4 利用不同加热设备加热50吨热水的费用比较

表4所列空气源热泵的效率按照均值3.5计算，在实际使用中能效比会随环境温度变化而变化，最高可超过5.5。同样加热50t水，与电热水器相比较，空气源热泵机组一整年（365天）共节约623 602kW·h，相当于减少排放252t标准煤。目前，上海财政将合同能源管理项目支持由原来的每节约1t标准煤奖励300元提高至500元。使用空气源热泵中央热水机组，不仅省下电费，更有国家补贴。图4为该项目现场。

图4 项目现场