重庆地区空气源热泵热水系统T1取值的优化分析

王 刚 谭宏礼 张 瑜

(中煤科工集团重庆设计研究院有限公司，重庆 400016)

重庆地区空气源热泵热水系统T1取值的优化分析

王 刚 谭宏礼 张 瑜

(中煤科工集团重庆设计研究院有限公司，重庆 400016)

基于重庆月平均气温的分布特征，对空气源热泵热水机组T1的取值进行优化分析，得出16 h是重庆地区T1的最佳取值的结论，对给排水设计人员T1的选取具有一定的参考意义。

空气源热泵热水机组，设计工作时间，优化

0 引言

目前我国节能减排任务艰巨，建筑能耗占总能耗的27%以上，而且还在以每年1个百分点的速度增加。利用可再生能源(如水、空气、太阳能)替代传统热源制备生活热水，是降低建筑能耗的重要途径。空气源热泵热水技术在重庆地区的应用日趋广泛，GB 50015—2003建筑给排水设计规范(2009年版)[1]5.4.2B中规定：T1为热泵机组设计工作时间(h/d)取值为12 h～20 h。由于设计人在热泵机组制热量计算过程中，T1的取值比较随意,导致同等设计小时耗热量所需的设计小时供热量差值很大，直接影响实际热水使用效果和投资成本。

本文针对重庆地区的气温特征，对T1的取值进行优化分析，在保证最冷月满足供热量情况下，减小投资成本，寻求功能与效益的平衡点。

1 重庆地区全年气温分析

重庆市年平均气温17.5 ℃，冬季7.9 ℃，夏季26.4 ℃，春、秋季分别为17.4 ℃，18.2 ℃(由重庆市气候中心提供)。重庆气候非常适宜空气源热泵技术，冬季有超过80%的时间热泵机组处于干冷及结露的工况，可以忽略结霜或低温运行对机组的影响[2]。

根据《中国建筑热环境分析专用气象数据集》[3]，重庆地区全年逐月平均气温统计如图1所示。

由图1可知，重庆气温具有明显的季节性，5月份～9月份平均气温均大于20 ℃，8月平均气温最高，达到了28.4 ℃；3月份、4月份、10月份、11月份平均气温介于10 ℃～20 ℃之间，4月份、10月份平均气温接近20 ℃；12月份～2月份平均气温小于10 ℃，1月份平均气温最低，为7.8 ℃。

2 空气源热泵热水系统设计参数分析

2.1 空气源热泵的设计小时供热量与机组设计工作时间的关系

空气源热泵的设计小时供热量应按下式计算：

(1)

其中，Qg为空气源热泵设计小时供热量，kJ/h；qr为热水用水定额，L/(床位·d)；m为用水计算单位数(人数或床位数)；tr为热水温度，tr=60 ℃；t1为冷水温度，重庆地区取值7 ℃；T1为热泵机组设计工作时间，取12 h～20 h；C为水的比热，C=4.187 kJ/(kg·℃)；ρr为热水密度，取0.98 kg/L；k1为安全系数，k1=1.05～1.10，本文取1.10。

由式(1)可知，空气源热泵的设计小时供热量与机组设计工作时间成反比。

2.2 空气源热泵的制热系数与外界空气温度的关系

空气源热泵属于第一类热泵，即能用少量的高品位能源制取大量中高温热能。制热系数(Coefficient of Performance)是衡量热泵制热能源效率的指标，为热泵制热量与热泵耗能量之比，也叫能效比，常用COP表示[4]。

空气源热泵的能量转换关系如图2所示。

压缩机的能量方程为(介质稳定流动且忽略部件散热损失、进出口动能差和位能差时)：

W1=m(h2-h1)

(2)

其中，W1为压缩机输入热泵机组的功，W；m为工作介质的质量流量，kg/s；h1为工作介质在进口处的焓，J/kg；h2为工作介质在出口处的焓，J/kg。

由式(2)可知，h2和m不变的情况下，h1值越小，W1值越大。而h1与外界空气的温度成正比。也就是说，在热泵机组制热量不变的情况下，外界环境温度越低，压缩机输入热泵机组的功越多，即COP值越小。

GB 21362—2008商业或工业用及类似用途的热泵热水机[5]的规定，普通型空气源热泵热水机的试验工况为：热水侧，初始水温15 ℃，终止水温55 ℃；空气侧，干球温度20 ℃，湿球温度15 ℃。空气源热泵热水机也是按照试验工况下的制热量进行选型，未考虑低于20 ℃时气温的影响。当气温低于20 ℃，COP值会低于试验工况下的COP值，相同额定功率热水机的制热量会减小。所以，T1取值时，需要考虑热水机在气温低于20 ℃时的制热量能否满足耗热量需求。

2.3 重庆地区COP值的确定

本文以市面某常见空气源热泵机组为例进行研究，根据厂家提供的标准热泵工程机组COP曲线如图3所示，重庆地区每个月的COP取值见表1。

表1 重庆月平均温度对应的COP

月份123456789101112平均气温/℃7.89.513.618.422.325.128.128.423.618.614.09.30COP3.33.53.74.24.34.54.64.64.44.23.73.5

3 热水机组设计工作时间(T1)的优化分析

3.1 不同T1值下Qg的计算及分析

本文以宾馆百张床位用水量为单位，对空气源热泵热水系统设计参数进行分析。规范[1]中规定，热水温度按60 ℃计时，旅客最高日热水定额为120 L～160 L,设计热水量按不高于用水定额的下线取值。据此，结合重庆地区气候条件，整体生活水平及生活习惯等因素取设计热水量为140 L/(床位·d)，则百张床位每天热水用量为14 000 L。

根据式(1)计算，T1取值由12 h～20 h，递增值为1时，空气源热泵的设计小时供热量Qg的值如图4所示。由图4可知，T1取值12 h时，Qg计算结果最大，为77.52 kW/h；T1取值20 h时，Qg计算结果最小，为46.51 kW/h；最大值是最小值的1.67倍。由此可见，T1的取值对空气源热泵机组的选型及一次性投入成本影响较大。T1取值越大，所需要选的空气源热泵机组越少，越节约成本。但由于重庆地区1月～4月、10月～12月份月平均气温均低于20 ℃，热泵机组制热量会小于额定值，所以，T1的最优值，就是在满足最不利气温条件下的制热量的同时尽量减小Qg。

3.2 热泵机组增压机输入功率的计算及分析

厂家提供的标准工程热泵工程机组COP参数值为4.2，与重庆4月份、10月份的运行工况吻合。由表2可知，由于重庆月平均气温差值较大，在T1值为定值时，宾馆百张床位月平均所需的热泵机组实际功率值成U字形分布。其中，7月份、8月份实际所需功率值最小，1月份实际所需功率值最大，2月份次之。4月份～10月份实际所需功率值均不大于选定热泵机组热的额定功率，占全年月份的58%，也就验证了空气源热泵热水机在重庆地区的适用性。

表2 标准热泵机组不同T1值下的增压机输入功率的月变化表

规范[1]中规定的T1值最大为20 h，重庆地区热泵机组选型，需要保证热泵机组在最大设计工作时间下运行的额定功率大于1月份实际需要所需功率。由表2可知，宾馆百张床位，T1值取20 h时，最冷月1月份的实际需求功率为14.09 kW/h，当T1值取16 h时，宾馆百张床位热泵机组选型额定功率为14.50 kW/h，满足1月份的实际需求功率，即16 h是重庆地区T1的最佳取值。

4 结语

在满足功能使用要求的前提下，尽量节约一次性投资成本和运行成本也是节能建筑的重要体现。本文基于重庆月平均气温的分布特征，以宾馆百张床位用水量为单位，对空气源热泵热水机组T1的取值进行优化分析，得出16 h是重庆地区T1的最佳取值的结论。本文对给排水设计人员在设计重庆地区空气源热泵热水系统时，T1取值的选取提供参考和指导的意义。同时，也对其他适用空气源热泵热水系统的地区T1取值的选取起到一定的启示作用。希望给排水设计人员在T1取值时，能针对不同地区的月平均气温的分布特征，进行相应的优化分析得出与当地气温特征相对应的T1最佳取值。

同时，重庆最冷平均月气温为7.8 ℃，根据规范[1]的规定，宜设置辅助热源。本文是在不设辅助热源的情况下得出的结论，也证明了，不设置辅助热源，空气源热泵也能完全满足实际使用要求。对于采用设置辅助热源来减少空气源热泵热水机组数量的方法是否比不设置辅助热源更加节约一次性投资成本和运行成本还有待进一步验证。

[1] GB 50015—2003,建筑给排水设计规范(2009年版)[S].

[2] 余丽霞,付祥钊.空气源热泵在长江流域的气候适宜性研究[J].暖通空调,2011,41(6)：96-99.

[3] 中国气象局气象信息中心气象资料室.中国建筑热环境分析专用气象数据集[M].北京:中国计划出版社,2009.

[4] 陈 东,谢继红.热泵技术手册[M].北京:化学工业出版社,2012.

[5] GB 21362—2008，商业或工业用及类似用途的热泵热水机[S].

Optimization analysis of air-source heat pump hot water unitT1value in Chongqing region

Wang Gang Tan Hongli Zhang Yu

(ChinaCoalScience&TechnologyGroupChongqingDesignAcademyCo.,Ltd,Chongqing400016,China)

Based on average temperature distribution features of Chongqing region, the paper carries out optimization analyzing of air-source heat pump hot water unitT1value, and concludes that: 16 h is the optimalT1value in Chongqing region, which has certain guiding meaning for drainage designers selectingT1value.

air-source heat pump hot water unit, design working time, optimization

1009-6825(2015)32-0117-03

2015-09-02

王 刚(1985- )，男，工程师； 谭宏礼(1976- )，女，高级工程师； 张 瑜(1986- )，男，工程师

TU833

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