空气源热泵热水系统的改进及节能分析

张靖，胡翀赫，梁星宇，曹祥,2，王喜春，张春路*

（1-同济大学机械与能源工程学院，上海 201804；2-同济大学机械工程博士后流动站；3-上海延华智能科技（集团）股份有限公司；4-上海东方延华节能技术服务股份有限公司，上海 200060）

0 引言

目前，大中型建筑（如办公楼、医院和宿舍楼等）常使用集中式加热分区系统提供生活热水[1-3]。该系统以某建筑或者某片区建筑为单位，以中大型蓄热水箱为主，形成中央热水供应站。通过网状式布局的热水管道将热水送至各分区，再由各分区的输配管路将热水送至各配水点[4]。随着近年来人们对节能环保的重视，空气源热泵因其对环境友好、效率高等特点成为热水系统热源的可靠选择[5-9]。

根据加热过程中机组冷凝温度是否发生变化，热水系统可分为即刻加热式和循环加热式[10-11]。现有循环加热热水系统通常存在以下问题：1）热泵制取的高温热水、末端管网的中温回水、补水管道的低温冷水统一送入热水水箱中，存在混水损失[12]；2）多台热泵主机和集热水泵使用同一控制器，只能整体开停，不利于部分负荷下机组控制，开停损失大；3）为抵御混水温降、避免频繁启停，热泵主机供给更高的水温来应对末端供水，提高机组平均冷凝温度，降低了热泵主机的平均能效。

针对上述问题，张后雷等[12-13]研制了一种往复流动加热双水箱热泵热水器，可以减少冷热水混合的损失，但该试验系统机构较为复杂，系统鲁棒性有待进一步验证。鹿琳等[14]设计了一种由加热水箱和储水水箱构成的热泵热水系统，该系统不仅减少了混水损失，还在一定程度上降低了机组工作的冷凝温度。BANISTER等[15]研究了一种太阳能辅助热泵双水箱系统，实验表明该系统具有十分好的节能性，适于中大型住宅或区域使用。江轶政等[16]设计了一种并联冷凝式空气源热泵热水系统，通过分级加热方式分散冷凝器总换热量、降低冷凝器进出口水温差。孙鹏等[17]对一种两级冷凝热泵热水系统进行建模优化，探讨了冷凝器换热管的配比。

本文针对某大厦空气源热泵热水系统，利用实地测验对该系统进行建模仿真，并提出改造建议。设计了一种双温水箱结合梯级加热、部分开停的空气源热泵热水系统，具有良好的节能潜力。

1 系统方案

以某大厦为例，其空气源热泵热水系统原理如图1所示。该空气源热泵热水系统中只设有热水箱（出于检修和清洗的目的，一般系统中设有两个热水箱，但管路和阀门设置相同，相当于一个大热水箱），自来水补水和末端回水送入热水箱中和原有的热水掺混，空气源热泵主机加热热水水箱，使水箱中的水保持高温，末端管网从热水水箱中取用热水，送至各配水点。其中空气源热泵机组群和水泵使用同一控制器，只能整体开停。

图1 某大厦原有热泵热水系统原理

本文提出的双温水箱+梯级加热+部分开停的空气源热泵热水系统原理如图2所示。新系统中设有热水箱和温水箱，末端回水和冷水补水首先进入温水箱混合，然后经过空气源热泵机组加热至供水温度送入热水箱，末端用户从热水箱中抽水使用，构成水箱-用户以及热泵-水箱的二级循环。空气源热泵机组采用梯级加热方案，回水经历一级加热并联热泵机组升至中温，再经历二级并联热泵机组加热升至高温，达到供水温度。热泵机组工作时，对应梯级加热方案中的机组分组，采用“半开-全开”式策略，应对不同末端负荷。

图2 新方案空热水系统原理

和原有空气源热泵热水系统相比，该系统方案有以下几点优势：

1）减少混水损失，避免了传统热水系统冷水补水直接和热水供水直接混合的问题，不仅降低了混水损失，还保证了补水阶段热水系统的热水供应；

2）降低热泵冷凝温度，避免了高温供水和中温回水以及低温补水的混合，热泵不再需要以原有的供水温度供水，降低了热泵供水温度；新方案供回水温度更低、机组冷凝温度也更低，提升能效；

3）提升机群能效，采用双温水箱方案之后，热泵进水温度较低，热水加热温差较大，宜采用梯级加热方案加热。热泵的能效主要与出水温度相关，引入梯级加热，可降低第一级热泵的出水温度，降低冷凝压力，从而进一步提升系统整体能效[18]；

4）减少开停损失，传统空气源热泵热水系统多采用整体开停的方案，当机组处于部分负荷时，开停损失严重。本方案引入“半开-全开”的分组开机策略，可以降低由于整体开停带来的系统损失。

2 系统仿真模型及验证

以某大厦空气源热泵热水系统为实际工程背景，搭建了热泵系统的模型[19-20]。

为了验证仿真模型的精度，对单台热泵机组进行实地测试。测试时室外环境干球温度24.7 ℃，相对湿度55.3%，风机风量14,700 m3/h，热水供回水温度为42.1 ℃和50.2 ℃。仿真和测试结果对比如表1所示。

表1 仿真模型误差

3 性能分析

利用验证后的热水系统仿真模型分别对原有空气源热泵热水系统以及双温水箱+梯级加热+部分开停系统进行计算。为分析不同措施对应的节能效果，本节将分步研究不同末端用水比例以及不同环境温度下，两种方案的差异。其中，用水比例指的是指向末端供应的循环水中，被实际用掉的水量占总循环水量的百分比。

3.1 双温水箱

双温水箱避免了冷水补水、中温回水和高温供水的直接混合，可避免混水损失。同时，由于此方案降低了机组供水和出水温度，可以降低空气源热泵机组的冷凝温度，从而提升机组能效。

如图3和图4所示，使用变频水泵的冷热水箱方案，不同工况下的热泵机组节能量可达约10%～12%，供热能力可提升2%～5%。

图3 双温水箱方案热泵COP提升

图4 双温水箱方案系统制热能力提升

3.2 梯级加热

使用双温水箱方案之后，热泵机组的供回水温差比原系统更大，可以利用梯级加热达到很好的制热效果。如图5所示，当末端用水比例较高时，梯级加热方案节能潜力较大，可将热泵机组节能量进一步提升至约15%～17%。

图5 梯级加热方案热泵COP提升

3.3 部分开停

查阅该大厦过往电力记录，对该系统的生活热水负荷进行初步估计，结合热泵机组在不同环境温度下的制热量，对热水系统进行综合分析。图6所示为热水系统在不同环境温度对应的热泵机组最小开机台数。结合工程所在地上海的年气象参数，给出如图7所示的最小开机台数出现时间占比。

图6 不同环境温度下机组最小开机台数

图7 最小开机台数出现时间占比

大部分情况下，部分机组开启即可满足供热需求；全年工况中，最小开机台数为2台对应的温度时长最长，占比达59%。结合梯级加热方案，本系统采取“半开-全开”策略。该策略可以节省机组的开停损失，进一步提升机组的能效。

4 结论

本文根据实际工程设计了一种双温水箱结合梯级加热、部分开停的空气源热泵热水系统，建立仿真模型，对两种方案进行了对比分析，得出如下结论：

1）双温水箱方案可以避免热水系统水箱冷热混合的问题，减少冷热损失；同时降低热泵冷凝温度，提高机组能效；和单热水箱方案相比，可节能约10%～12%，供热能力可提升2%～5%；

2）梯级加热方案可以在双温水箱方案上降低前一级机组冷凝温度，进一步提升能效，在用水比例高时对系统能效提升明显，可达15%～17%；

3）部分开停方案可以减少机组由于整体开停带来的开停损失，更好应对部分负荷下制热要求。