直热式空气源热泵热水系统的应用及优化选型研究

李文旭

临沂市大安安装工程有限公司

直热式空气源热泵热水系统的应用及优化选型研究

李文旭

临沂市大安安装工程有限公司

随着我国国民经济的向前发展，生活热水的使用越来越普遍，其能量消耗也越来越大，降低建筑热水能耗的行为意义重大。空气源热泵热水机组是热泵技术在热水供应方面的应用，具有节能环保、安全卫生等方面的优势，是一种值得大力推广和开发研究的产品。直热式空气源热泵热水机组以自身快捷、高效特点在最近几年得到飞速发展，正在努力替代循环式空气源热泵热水机组。

直热式空气源；热水机组；优化

据有关文献统计，我国的建筑能耗占全国能耗的近30%，并随着生活水平的提高持续增加，其中热水能耗占民用建筑能耗的20%～30%。从可持续发展的角度看，降低建筑热水能耗是暖通行业的一个发展主题，因此，开发和利用可再生能源及用能装置、提高能源利用效率等降低热水能耗的活动势在必行。

1 系统运行控制策略

某大学学生公寓11层共388间，入住人数为1552人，每间宿舍均设有独立卫生间。目前该栋公寓的生活热水由直热式空气源热泵热水系统和燃气热水锅炉共同供应。根据日总用热量选取5台热水机组，每小时的额定制热总量为174kW。这5台机组分为2组，共配备4台冷水泵(2用2备)和台热水循环泵。生活热水供应系统选用2组变频恒压泵，每组2台水泵(1用1备)，采用恒定供水压力的变流量控制策略，以节约水泵能耗。直热式空气源热泵热水机组、保温水箱及水泵摆放于屋顶，供水方式为上行下给式。

空气源热泵热水机组的连接方式均为并联，每个宿舍楼独自的热水系统中分别设置一台热泵机组为主机；在保温水箱内设置水位传感器和温度传感器，分别检测保温水箱内水位、水温信号并且传递给主机，且水位控制优先，系统流程如图1所示。通过水位传感器检测水箱内的水位，当实际水位低于设定水位时，热泵机组及冷水增压泵启动，系统进入直热加热模式，将来自冷水箱内的冷水直接加热至设定温度(取55℃)，直至水位补充至设定水位。水位控制器由四个水位浮子组成，水位分为4档水位高度，机组进行直热补水的条件为：设定水箱水位为4时，当水箱实际水位低于S2，冷水增压泵和热泵机组开启进行直热补水，直至水箱水位高于S1。设定水箱水位为3时，当水箱实际水位低于S3，冷水增压泵和热泵机组开启进行直热补水，直至水箱水位高于S2。设定水箱水位为2时，当水箱实际水位低于S4，冷水增压泵和热泵机组开启进行直热补水，直至水箱水位高于S3。对于实际设定值可以根据实际用水量需要进行设定。通过温度传感器检测水箱内的水温，当水箱水温低于设定温度(取48℃)时，开启热水循环泵和机组进行循环加热模式，直至水箱内水温达到设定温度(取55℃)为止。

设定机组热水出水温度TS=55℃，循环加热模式下限温度TR=48℃，直热补水水位为4格水位(即当保温水箱内水位低于4格水位时，热泵机组和冷水泵开启，系统进行直热补水)。

对热水增压泵(热水供水水泵)设置时控装置，设置三个时段启动：6：30～9：30、10：30～13：30、18：00～23：00，该时段内热水增压泵启动运行，输配管网内热水和保温水箱内热水进行循环流动，以保证热水的使用温度。(见图1)

2 直热式空气源热泵热水系统最优选型

2.1 设备选型步骤

对于集中式热水系统必须设定保温水箱进行蓄热，以缓解高峰期用水量，对于有即时供热能力的直热式空气源热泵热水系统而言，虽然机组可以即开即生产热水，但是高峰期热水消耗量远大于机组制备速率，因此对于系统设备选型中首先解决问题是机组容量确定和保温水箱大小的选取，然后进行水泵及附属、输配管网管径的选取，而整个过程中机组容量和保温水箱容积的确定是整个选型过程的关键。如出现设计容量偏小，会对实际使用造成极大的影响，尤

图1 直热式空气源热泵热水系统工作流程图

其冬季或用水高峰日，出现供水短缺状况；如出现设计容量偏大，会增大系统的初投资。因此对系统的选型准确把握，使得系统的投资和运行效果达到最佳。

2.2 优化方案的提出

在冬季，室外气温较低，冬季冷水温度也处于全年最低值，使得冬季的机组热负荷最大，而热泵机组的制热能力和机组能效比处于较低水平，因此机组工作时间最长。设计中以满足冬季安全实用性为前提，对热泵机组设计工作时间T1进行取值。在过渡季，室外气温处于中温阶段，昼夜温差较大，热泵机组的制热能力和机组能效比随温度的升高迅速增大，选择热泵机组的加热时间为午间气温较高的条件下进行，可以有效降低机组能耗。在夏季，室外气温较高，热泵机组的制热能力和机组能效比随着室外气温的升高，上升速率减缓，选择热泵机组的加热时间为午间，同样可以一定程度的降低机组能耗。基于以上分析，热泵机组的容量的选取应以满足冬季最冷月使用要求为前提，兼顾其它月份的优化控制以到达运行节能要求。

2.3 最优方案评价方法

费用现值法是将每年的现金流量折算到零点的现值累计值，费用现值最小者为最优方案，该方法充分考虑到资金的时间价值，对于投资者在进行互斥方案的比较选择具有很高的科学价值，主要应用于年运营费用相等或不相等但生命周期相等的项目比选。其计算方法如下：

式中，PC——费用现值，元/年；

ci——部门基准收益率；

t——项目的使用年份；

tCO——项目第t年费用(包含建设期与运营期)，元；

n——设备寿命年限，年。对于直热式空气源热泵热水机组，若每年的运行费用固定不变。

综上所述，目前国内外对于空气源热泵热水系统的研究多为机组单体的理论研究，对于系统的工程实践和应用方面的研究颇为罕见。尤其是直热式空气源热泵热水机组在最近几年得到飞速发展，其优势逐渐突显，正在努力替代循环式空气源热泵热水机组，对于其工程实践和应用的研究就更为少见。

[1] 李晓虹，苏华. 空气源热泵热水系统设计与经济性分析[J]. 给水排水，2011，09：146-150.