学生浴室空气源热泵热水系统浅析

○雷兵山段朝霞

（1、武汉大学后勤保障部湖北 武汉430072 2、武汉大学采 购 与 招投标中心湖北 武汉430072）

一、项目概况

湖滨浴室位于我校湖滨学生宿舍区，二层独立建筑，一楼设淋浴头88个，二楼设淋浴头92个。浴室热源采用环保无污染且经济节能的空气源热泵加热系统，由空气源热泵热水机组制取洗浴用热水。考虑冬季随环境温度的改变、空气源热泵机组效能衰减等因素，冬季另配置有蒸汽混合加热器辅助加热（其蒸气来源于燃气锅炉），与空气源热泵机组联合制取洗浴热水，保证系统全天候的制热效果。系统设计热水送水温度为50℃。按全年学生用水量的平均值，本项目洗浴热水的每天设计供应水量160吨，分为4个40吨模块化供水单元，采取并联供水模式。当季节变化用水量减少时，可选择单模块（或双模块）运行方式，有效地控制能耗。

二、空气源热泵系统

1、系统计算参数（见表1）

表1 系统计算参数

2、热泵机组选型

根据本工程的实际情况，空气源热泵热水机组的选型需满足热水供应，当冬季空气源热泵热水机组出力不足时，启动蒸汽加热器辅助加热。武汉地区最冷工况下室外湿球温度按-4.0℃计算，热泵的制热量修正系数为0.6，冷水计算温度为5℃。

按160吨水所需要的热量计算：若冬季冷水的温度5℃，那么热水所提升的温差就是45℃，根据公式Q=Lp×Δt×1.01可计算出综合热量：

Q=Lp×Δt×1.01 Kcal

=160000×45×1.01 Kcal

=7272000 Kcal（÷0.86）

=8456 KW

若确定机组运行时间16小时为加热时间，那么每小时所提供的热量应该为528KW。本项目的热水系统设计为4套独立系统，则每套系统设计的小时热量为142KW。每套系统的空气源热泵机组总配置为：RBR-36F机组3台，3台机组的平均小时产热量145.725KW，即可满足要求。

3、热泵机组选型校核

额定工况下空气源热泵热水机组制热能力：每套系统机组制热量145.725KW，每小时产50℃热水量：145.725KW×0.86÷（50℃-5℃）=2.78m3；机组日实际运行时间为：160m3÷（2.78×4）m3/h=14.39小时。

最冷工况下空气源热水机组制热能力：武汉地区最冷工况室外湿球温度为-4.0℃，热泵的制热量修正系数为0.6，冷水计算温度为5℃。每套系统机组产热量：145.725KW×0.6=87.435KW，每小时产 50℃热水量：87.435KW×0.86÷（50℃-5℃）=1.67m3；4套系统每天产水量（50℃）为4×1.67×14=93.52吨。在该工况下，学生浴室热水系统项目辅助加热需配置每小时227KW的热量。

4、系统组成

本系统由4个模块单元组成，每个模块单元由空气源热泵热水机组、蓄热保温水箱、机组制热循环泵及管路、热水供水泵及管路、回水管路、集中控制柜等组成。

系统原理如图1所示。

系统有4个独立的制热模块单元，每套独立模块系统中3台空气源热泵机组（制热量40KW）与水箱采用并联加热方式，热水循环泵一用一备。机组开机后，循环泵启动，水在空气源热泵机组的换热器中加热又循环回水箱，然后由水箱下部循环管循环回机组换热器加热，如此周而复始循环加热直至保温水箱里的水到达设定水温。

图1 系统原理图

每套独立系统模块的水箱与水箱有管道连接，每套模块系统可独立运行，也可并联多模块运行，紧邻的系统可以并联组合起来作为一个整体系统制热，满足高峰期的洗浴用水。

空气源热泵热水机组与水箱连接管道设有过滤器、水流开关、阀门。过滤器装设在机组的进水口处，阻止进水中的杂物进入机组，保护机组的换热器及循环管路，防止堵塞。水流开关负责机组的正常运行，当保温水箱中缺水或管路不通，无循环水流时，主机处于自动保护不开机状态。机组进出水口装设阀门主要用于机组停机检修，当单台机组需要检修或维修时，关闭进出水阀门，不影响其他机组运行。其停机温控设定范围由环境温度至50℃。

5、工作原理

空气源热泵热水机组作为一种热源有着独特的功用，在制取50℃左右的热水其能效比（COP值）能达到4左右，也就是说输入功率与输出功率之间是4倍左右，在以空气作为采热的对象连续工作中，热泵机组能高效吸收空气中热量并转移能量，用于制热水。其工作原理如图2所示。

图2 热泵机组原理图

图3 制热效率衰减曲线图

表2 现有设备用电功耗表

表3 能源分析表

由于空气源热泵式热水器消耗的能量是机组内部压缩机功率，所以它的功耗很低，压缩机工作的时候工质循环吸收了空气中大量的热量，从而能有3—4倍于压缩机功率的热量输出，这样就形成很高的能效比（COP）。在相同的环境条件下加热等量的水到相同的温度，空气源热泵热水器所花的费用约是电热水器所花的费用的1/4。因此它具有节能环保优势且无任何排放，这也就是该项目的最大优点。在该项目中，空气源热泵热水机组在环境温度低于7℃时，制热效率开始衰减，根据现场观测，其衰减曲线如图3所示。

从图3中可以看出，在全年工况下，武汉市的冬季低于2℃以下的环境温度，空气源热泵热水机组是需要第二热源来完成热水的加工任务的，所以在该项目的第二热源设计中选用锅炉房蒸汽加热装置。在环境温度高于2℃以上工况下，空气源热泵的制热工况还属节能状态，效能是环境温度12℃的45%左右，当然环境温度在一个24小时的周期是变化的，所以以上的曲线只是作为参考。

三、系统的能耗分析和比较

1、系统能耗分析

现有设备用电功耗表：寒暑假期系统停用90天左右，按每天用完160吨热水计算，其实际功耗低于表2中的数值。

2、能耗比较

该项目全年的热水使用总吨位为44000吨，实际的理论制热量为2046512KW。在现有的供热能源中，煤、电、气、油为常规主要用能，下面根据用能类别作分析，详见表3。

由表3可以看出，虽然气候条件对本系统有一定的影响，但是显著的节能指标还是得到了充分的体现。与各种能源相比，现在系统的日平均每吨水能耗只有10.378度电（本系统所有的用电设施总和），折合人民币只有6.02元（单价0.58元/度）。与原来锅炉系统每天的费用相比，能耗费用的支出大大降低，从全年的效益分析可以看出，本系统的节能和环保效果是稳定而显著的。

[1]陈东、谢继红：热泵技术及其应用[M].化工工业出版社，2006.

[2]徐伟等译：地源热泵工程技术指南[M].中国建筑工业出版社，2007.

[3]蒋能照、刘道平等编：水源·地源·水环热泵空调技术及应用[M].机械工业出版社，2007.