空气源热泵热水机组预热方案的设计及研究

夏军宝 姬莉莉 吴 伟 李婉清 龚 璞 王 勇



空气源热泵热水机组预热方案的设计及研究

夏军宝 姬莉莉 吴 伟 李婉清 龚 璞 王 勇

（重庆大学城市建设与环境工程学院 重庆 400045）

空气源热泵技术是一种利用可再生能源的高效节能技术。针对位于屋顶平台的空气源热泵热水机组，设计出一种基于光热综合利用技术的预热系统。在屋面铺设高吸收率蛇形盘管，使进水首先经过盘管系统，吸收太阳辐射及楼板屋面热量，充分预热后再进入热泵机组，改善系统的综合能效。在自建的实验平台上对进水温度的变化进行了测试，并以CFD为基础进行了理论计算，测试和计算结果表明，设计工况下预热系统可将盘管出口水温提升至少8℃，热水机组节能率为20.08%，具备较大的应用前景。

热泵热水机组；预热；太阳能；光热综合利用

0 引言

进入21世纪以来，随着全球能源储量日益减少、能源价格居高不下，节约用能已成为举世瞩目的重大课题。在我国，由于建筑业的持续发展，建筑耗能已占全国总能耗近30%，与工业耗能、交通耗能并列，成为我国能源消耗的三大“耗能大户”[1]。其中，热水供应占到建筑能耗的22%[2]，折算成电力消耗将是十分惊人的数字。因此，提高能源利用效率、减少生活热水耗能已成为我国建筑节能工作一个不容忽视的重要组成部分。

空气源热泵（Air Source Heat Pump，简称ASHP）是以空气为热源、通过输入少量的高品位能源（电能）将低品位空气热量提升到高品位的热水中的装置[3]，因其高效节能、安全可靠、适用性强、热源丰富且易于获取，获得了社会的广泛认可。由于体积和噪音的限制，空气源热泵热水机组多安装在顶层屋面上，而屋顶由于长时间受太阳直射，储备了相当丰富的热能资源，在夏季尤为明显。以重庆地区为例，7、8月份的累年（1971-2000）平均日照时数达180 h/月，日照率40%以上，水平面太阳总辐射28MJ/(㎡·天)[4]。经实测，室外温度为27℃时，屋面温度可达60℃以上，楼板附近的空气温度近40℃。这些热能积聚在屋顶未被利用，不但是极大的能源浪费，更会通过楼板对顶层房间传热，造成这些房间冷负荷较大，热舒适度差，影响使用者的身体健康和劳动效率[5]。

因此，回收夏季屋顶热能、提高空气源热泵热水器的能源利用效率，对于建筑节能有着重大的意义。这些年来，国内外研究者在此方面做出了一系列研究。

20世纪50年代，Jordan和Threlkeld在研究中最早提出太阳能与热泵联合运行的思想[6]； 1968～1970年前苏联的Uzbek科学院和Tashkent科学研究所合作，对SAHP供热系统进行了实验研究，结果表明太阳能集热器与热泵联合运行可以提高热泵的COP和太阳能集热器的性能[7]。在国内，李建新等人研究了相变储热预热式热泵热水器系统性能，得出对水进行预热具有显著的节能效果[8]。上海交通大学的郭俊杰在其仿真数学模型中，得出初始水温平均每升高5℃，空气源热泵热水装置的加热时间平均缩短15分钟左右[9]。陈雁等人以郑州某高校新区办公楼为例，模拟研究了空气源热泵-太阳能组合系统在寒冷地区的运行特性，得出该系统比空气源热泵系统经济性好[10]。林康立通过实际工程项目说明太阳能与空气源热泵结合的热水系统的节能效果明显，且大大节省运行费用[11]。欧云峰等人介绍了海口某工程中空气源热泵-太阳能热水系统的应用，分析比较后得出与电辅助加热相比可节约75%的电能[12]。但国内外研究中广泛采用的太阳能辅助空气源热泵系统投资较高，且未有效利用屋面楼板蓄存的热能，其节能潜力并未得到充分的发掘。

基于以上研究及存在的问题，设计出一种基于光热综合利用技术的空气源热泵热水机组预热系统，采用增设进水预热盘管的方式，在不增加额外能耗的情况下，综合利用屋顶上包括太阳能、空气热、楼板热在内的多种形式热能，降低了顶层房间冷负荷的同时，大幅提高热水机组的产能，节能效果显著。

1 设计思路提出

如图1所示，空气源热泵热水机组预热系统主体为铺设在屋面的88m蛇形盘管，其一端连接市政自来水管网，使自来水首先经过盘管系统，接受太阳辐射能的同时，吸收顶层楼板的热量，充分预热后再进入热泵机组，另一端连接空气源热泵热水机组进水口。为增强盘管的采光强度，可沿管路下方铺设V型反光板且采用黑色金属管材。另外，为避免太阳辐射较弱或气温较低时，蛇形盘管带来的压力损失，设置旁通管与蛇形盘管并联，实现运行工况的改变。

1.屋面；2.蛇形盘管；3.市政管网进水；4.热水用户；5.空气源热泵热水机组；6.浮球阀；7.蓄水箱；8.电动阀-1；9.电动阀-3；10.电动阀-2；11.电动阀-4；12.电动阀-5

图1 系统基本原理图

Fig.1 The schematic diagram of preheating system

进水温度提高使空气源热泵热水机组能耗减少，结合实验及模拟中气象参数和温升，可得到保证节能率时预热系统基准运行条件，包括基准运行时间、基准室外干球温度和基准进出口温差Δ0。当处于基准运行时段，且温度传感器监测到空气干球温度高于基准温度、进出口温差Δ>Δ0时，打开电动阀1、2、4，使自来水预热后进入机组；否则关闭电动阀1、2，打开电动阀3、4、5，使自来水经旁通管直接进入机组。

2 实验平台搭建

针对重庆市某高校的实际情况（屋面具有空气源热泵热水系统），在学生宿舍屋面上搭建了实验台，并进行了实际测试。

2.1 管路布置及测点分布

为对比设计效果，进行了对比实验。一路管道系统为设计预热系统，另一路管道系统为直接供水系统。预热系统为DN16蛇形盘管，长88m，用漆刷成黑色，直接进水管路为白色旁通管。实验中所有管道均紧贴屋顶楼板放置，如图2（a）所示。

如图2（b）所示，设置1-11号共11个测温点，其中1-7号测点设置于蛇形盘管的长管中心位置，8、9、11号测点分别设置于盘管出水口、进水口处及旁通管出水口处，10号测点置于距屋顶楼板0.1m的高度处测量空气温度。测温点采用热电偶线连接至巡检仪。

（a）实验管道布置

（b）测点分布图

1-11.热电偶测温点（10点测量空气温度）；12.黑色蛇形盘管；13.白色旁通管；14.空气源热泵热水机组；15.市政管网进水

图2 实验管道及测点分布图

Fig.2 Layout of pipes and points for measuring temperature

2.2 实验过程

为推算系统在一年内适合运行的日期，并确保各天中太阳辐射照度均有明显区别，实验选取不同天气状况进行多次实验。同时为推算该装置一天内适合运行的小时区间，实验周期为10小时/天。

测量时，管道内保持稳定水流，每10s测量一次各测点温度，每2min测一次管道上方0.1m处的风速，并在屋顶楼板下方的房间内用测温枪每2min测量一次天花板温度。

3 预热系统数值分析

根据设计思路，建立盘管温升的CFD模型，对设计实验过程进行模拟，得出理论出水温升，为实验设计测试结果分析做理论基础。

3.1 数学模型和边界条件

假设管道内流体为不可压缩流体，忽略重力的影响，所加热量沿圆周方向均匀分布，流动充分发展。

数学模型：模型所需的控制方程主要有连续性方程、动量方程、能量方程及湍流模型方程，对于管内湍流流动，湍流模型一般采用–模型[13,14]，其控制方程如下：

方程：

边界条件：管壁面空气温度取为40.25℃，进水温度取为23℃，水流速度为0.4m/s，出口压力取为101325Pa，管道中心处设为轴对称边界条件，天空辐射温度为50.5℃，发射率0.9（与实验条件一致）。

预热管为PVC塑料管，其物性参数为：=1.4g/cm³，导热系数=0.16W/(m·℃)，热容比=1.2kJ/(kg·℃)，预热段长度取为40m，外径为16mm，内径为13.2mm，管道内介质为水，外管壁空气恒温加热条件。

3.2 CFD数值模拟

（1）网格划分[15]

图3 网格划分图

建立三维模型，采用六面体结构化网格，网格数量为15487917，在用FLUENT模拟时，采用双精度求解器，算法采用基于交错网格的SIMPLE算法，动量方程和能量方程采用二阶离散化方法。

部分网格划分如图3所示。

网格质量均在0.7以上，说明网格划分较为合理。

（2）数值模拟

采用残差验证收敛，残差结果均小于10-4（能量方程残差结果小于10-6），收敛性较好，结果图如下。水流速度矢量图，如图4所示。

（a）出口速度矢量图

（b）弯头处速度矢量图

图4 水流速度矢量图

Fig.4 The vector illustration of flow

水流速度矢量图较好地展现了管内受迫湍流的流速分布以及拐弯处涡流的影响，体现了CFD模拟的合理性。水温变化图，如图5所示。

（注：图中纵坐标温度为绝对温度）

图5 管径16mm时水温沿管长的变化

Fig.5 Distribution of water temperature along the pipes with 16mm diameter

由图5计算结果可以看出，在给定边界条件和管材的情况下，管道内水温随管长逐渐增大，在模拟区内出口水温升高达4.1℃，升温效果较为明显。

4 结果分析

4.1 数据对照

在实验的88m盘管中截取两个与CFD模拟相同边界条件（40m）及管材要求的工况（2015年4月28号与4月29号的13:20-14:20），其中测点1、2、3的平均温度如图6所示。

图6 CFD模拟与实验温度对比

可以看出，实验与CFD模拟中的温度相差不到0.5℃，重合性较好，证明模型建立相对准确，可以为不同的外部参数设置进行不同条件的计算。实际测试中，实验所得温升大部分都大于模拟值，说明在实际应用过程中，该系统可以利用更多形式的光能和热能，一定程度上体现了该系统的实用性。

4.2 实验结果分析

4.2.1单日水温变化分析

图7为实验4月28日（晴天，最高气温为29℃）的全天运行数据，可以看出，全天的自来水温度及旁通管温度变化较小，而盘管出水温度则明显高于前两者，且随时间有显著变化，其规律基本与太阳辐射变化情况一致，并在12:00到16:00达到峰值，温度在31℃以上，水温提升8℃以上，属于较理想的运行时段。

图7 全天进出口水温对比曲线图

4.2.2节能率计算

选取4月20日13:21-14:19的实验数据，如图8所示。计算得一小时内白色旁通管出水温度（即原系统运行时的热泵进水温度）平均值=21.992℃，蛇形盘管出水温度（即盘管预热后的热泵进水温度）平均值‘=31.222℃，环境温度平均值t=35.251℃。

图8 一小时内进出口水温对比曲线图

热泵机组选型为美的空气源热泵RSJ-380/S- 820-C。根据、‘和t，由热泵性能曲线（图9）查得开启预热系统前后的产热水量分别为=1.49t/h和‘=1.88t/h。

图9 美的空气源热泵RSJ-380/S-820-C性能曲线

假定机组保持额定功率=9.1kW不变，原系统运行=1小时，制得的热水量为1.49吨，耗电量kWh；开启盘管预热后，制取同样质量的热水，系统只需要运行=0.792小时，耗电量kWh，节约电能kWh。

4.2.3基准运行条件的确定

为确定系统自控装置控制条件，需确定预热系统基准运行条件。

结合实际工程中空气源热泵热水机组的运行情况和太阳辐射变化情况，选取7:00-20:00为预热系统的基准运行时段；同时，由于进水预热情况受多种环境因素影响，需结合实验数据来确定基准运行干球温度，由图可知，4月20日的日最高气温为25℃，在实验日中温度条件一般，但实验大部分时间内温差可达到8℃以上，预热效果良好，故选取此温度为基准运行温度。基准运行温差取为至少保证机组10%节能率时的盘管进出水口温差，根据上述空气源热泵热水机组性能曲线，可由节能率反推出不同环境温度下盘管进出水口的温差，如表1所示。

表1 10%节能率时盘管进出口温差

由上表可知，不同环境温度下为保证10%节能率的盘管进出口温差均为3.0～4.0℃，则预热系统运行基准温差Δ0按最大温差取为4.0℃。

因此，同时满足处于基准运行时段、空气干球温度高于基准温度、盘管进出口水温差大于基准温差Δ0这3个条件时，预热系统运行能保证良好的节能效果，此时自控装置控制预热系统开启运行。

由重庆典型年气象数据，得出一年中运行时间段（7:00-20:00）里温度高于基准温度（25℃）的小时数’=1381h，占总运行小时数的27%，即空气源热泵热水机组运行过程中有27%的时间可利用进水预热系统来节约能耗，节能潜力较大。

4.2.4全年综合分析

以一台空气源热泵热水机组为例，在其一年的运行时间中，落入基准运行时段（7:00-20:00）内的小时数=5110h。根据重庆典型年气象数据，其中满足预热系统开启条件，即温度高于基准温度（25℃）的小时数’=1381h，这意味着空气源热泵热水机组运行过程中有相当一部分时间可利用进水预热系统来节约能耗。

综合考虑盘管及安装费用（根据理论计算分析，水泵能耗增加量约为机组能耗减少量的0.5%，可忽略不计），每米盘管初装费用=25元/m，三个温控阀200元，则预热系统增加的初投资=·+200=2450元；重庆地区第三档（用电量≥4801kWh/年）电价=0.82元/kWh，由节能率可知预热系统每小时节约电量Δ=1.8928kWh。综合考虑阴雨天气条件下满足基准温度但不满足基准温差、进水温度不同导致机组COP变化等不利影响，取使用保证率为50%，得系统一年内节约运行成本=50%·’·Δ=1071.5元；故回收年限=/=2.3年，即安装本系统两年半后即可回收成本。

实际工程选取重庆某高校为计算对象，该校共计61栋学生公寓楼，每栋楼屋顶设有3台RSJ-380/S-820-C美的空气源热泵热水机组。根据前述计算，每台机组的预热系统运行一年的节电量为1307kWh。若这183台热水机组全部采用该系统，运行一年可节约电能23.9万千瓦时，可以为近2000户普通城镇家庭（年用电量1200kWh/户）提供一年的用电量，节省运行成本高达19.6万元，换算后可节约标煤518.16t，二氧化碳减排量1279.86t，二氧化硫减排量10.36t，粉尘减排量5.18t，社会经济效益与节能环保效益十分显著。

5 结论

（1）基于光热综合利用技术的空气源热泵热水机组预热系统可有效利用清洁可再生能源——太阳能，且紧贴屋面布置的盘管能适度降低顶层房间冷负荷，实现太阳能、空气热、建筑余热的综合利用，同时提高机组产热水能力，节能效果显著。

（2）实验及CFD模拟结果表明，88m、DN16的PVC管在设计工况下，预热系统可将盘管出口水温提升至少8℃，热水机组节能率为20.08%，节能投资回收期仅两年半，技术经济性良好。

（3）在满足基本运行条件的情况下，空气源热泵热水机组运行过程中有27%的时间可利用进水预热系统来节约能耗，节能潜力较大。

（4）预热系统适用于建筑体量较大，屋面面积有空余，集中供热水的场所，如酒店、工厂、洗浴中心、泳池等。在一天中气温较高，太阳辐射量较好时段运行系统，结合蓄水箱，可以获得较好的节能效果。全年持续运行时，最适宜应用于全年气温高于25℃天数较多，光气候分区为V区及以上的地区。随着空气源热泵热水技术在我国的推广与应用，系统也将具备较大的应用前景。

[1] 何梓年,朱敦智.太阳能供热采暖应用技术手册[M].北京:化学工业出版社,2009:1-1.

[2] 清华大学建筑节能研究中心.中国建筑节能年度发展研究报告2012[R].北京:中国建筑工业出版社,2012: 8-8.

[3] 刘丽军.太阳能辅助空气源热泵在生活热水工程中的应用研究[D].哈尔滨:哈尔滨工程大学,2013:1-1.

[4] 重庆1971—2000年累年平均气象数据[EB/OL]. [2005-04-25].http://cdc.cma.gov.cn/shuju/index3.jsp?tpcat =SURF&dsind = SURF_CLI_CHN_MUL_MMON_ 19712000_CES.

[5] 钟珂,周磊,杨柳.顶层房间夏季室内热环境评价指标[J].西安建筑科技大学学报(自然科学版),2004,(1): 51-54.

[6] RC Jordan, JL Threlkeld. Design and economics of solar energy heat pump systems[J]. Heating Piping and Air Conditioning,1954,(26):120-130.

[7] G Ya Umarov. Development of research on the utilization of solar energy within the system of the Uzbek Academy of Sciences[J]. Soviet Physics Uspekhi, 1972,14(6):794-796.

[8] 李建新,王永川,陈光明.相变储热预热式热泵热水器系统性能研究[J].太阳能学报,2008,(10):1230-1234.

[9] 郭俊杰.空气源热泵热水装置优化分析与运行策略研究[D].上海:上海交通大学,2013:36-37.

[10] 陈雁,孙德胜.空气源热泵-太阳能组合系统在寒冷地区运行特性的模拟研究[J].暖通空调,2011,(7):123-127.

[11] 林康立.太阳能与空气源热泵结合的热水工程设计及技术经济比较[J].制冷技术,2009,(1):5-11.

[12] 欧云峰,杨金华.空气源热泵辅助加热太阳能集中热水系统设计探讨[J].给水排水,2009,(9):82-84.

[13] 杨奕.节能型空气源热泵热水机组控制系统的设计[J].微计算机信息,2007,(31):38-39.

[14] 王希影.圆管脉动流动与换热的数值模拟[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2007:15-18.

[15] 张娜.同心环形通道内强制对流换热的实验研究[D].青岛:中国石油大学,2010:56-61.

[16] 王福军.计算流体动力学分析——CFD软件原理与应用[M].北京:清华大学出版社,2004:160-183.

Design and Research of the Preheating Scheme in Air Source Heat Pump Hot Water Unit

Xia Junbao Ji Lili Wu Wei Li Wanqing Gong Pu Wang Yong

( Department of Urban Construction and Environment Engineering, Chongqing University, Chongqing, 400045 )

Air source heat pump (ASHP) is an efficient energy saving technology taking advantage of renewable energy. Aiming at the ASHP hot water unit located on the rooftop, a preheating system is designed on the basis of comprehensive photo-thermal utilization. The inlet water is made to flow through the coil tube laid on the roof, absorb solar radiation as well as the heat of top floor, and get preheated before entering the unit. In this way, the comprehensive energy efficiency of the system get improved. Experiments on the change of inlet water temperature were performed on a self-built platform, the results of which, along with the theoretical calculation based on CFD simulation, show that this scheme can raise the temperature of coil outlet water by at least 8℃ in the designed condition, reaching a high energy saving rate of 20.08%. With its advantages in energy saving, the preheating system has a certain application prospect.

heat pump hot water unit; preheat; solar energy; comprehensive photo-thermal utilization

1671-6612（2016）06-654-06

TK512+.4

A

“第八届全国大学生节能减排社会实践与科技竞赛”项目（CQU-0827714）

夏军宝（1993-），男，在读本科生，E-mail：20125922@cqu.edu.cn

王 勇（1971-），男，博士，教授，博导，E-mail：cqwangyong@cqu.edu.cn

2015-08-01