集中式空气源热泵热水系统案例分析.doc

集中式空气源热泵热水系统案例分析
陈文婷，凃梦华，杨 帆
（武汉康辰节能环保投资有限公司，武汉 430015）

摘要：介绍了空气源热泵的工作原理、性能和影响因素，并以武汉某学校两栋学生宿舍楼的空气源热泵热水系统为例，对空气源热泵热水系统的技术、经济性进行研究，并与其他能源设备运行费用进行分析比较，表明空气源热泵热水系统具有较好的节能潜力，为集中热水供应系统设计提供相关参考。
关键词：建筑；热水；节能；空气源热泵；学生宿舍

当今社会科技高速发展，人类赖以生存的环境日益恶化，人们越来越意识到环境保护的重要性。随着人民环境保护意识的增强，高效、节能、环保的空气源热泵技术逐步受到人们的青睐，此项技术以吸收空气中大量的热能作为主要能量，在工作中无废气，噪声小，不污染环境。近年来，随着人民生活条件的改善，各类居住建筑生活热水的需求量迅速上升，也促进了空气源热泵热水系统的发展。
1 空气源热泵的原理和性能指标
1.1 空气源热泵的原理
水泵可以把水从低处打到高处，热泵则可以把低温物体的热量传送给高温物体。空气源热泵就是这种从低温空气中采集热量，再把热量输送给高温物体的装置。它是利用逆卡诺循环原理，即借助少量电力，推动压缩机对制冷剂工质做功，即在常温常压下让工质能通过热交换器吸收自然环境中空气的热量，同时工质从液态变为气态。再通过电力驱动的压缩机将其气体压缩为较高温高压的气体，最后将水通过另外一个热交换器从而获得热水。由此可见，空气源热泵热水机组主要由蒸发器、冷凝器、压缩机、膨胀阀等几大部分组成，还包括循环水泵和热水箱等末端设备。

空气源热泵工作原理图
由能量平衡原理可知所获热水包含了从环境中吸收的热以及压缩机输入做功的大部分。由压缩机消耗的功转化成的热仅是热泵输出热量的一小部分，而大部分是自然界提供的自然能，这种能量是免费和取之不尽的。所以热泵与直接使用电能相比是一种高度节能的机械装置。
1.2 空气源热泵的性能和影响因素
空气源热泵机组的一个重要参数就是COP(Coefficient of performance)值，即有效(利用)系数或性能系数，理想的性能系数为逆卡诺循环的效率，由下式表示:
COP=Tc/(Tc-Te)=Tc/(1-Te/Tc) （1）
式中Tc——冷凝绝对温度，K；
Te——蒸发绝对温度，K。
理想的逆卡诺循环的效率很高，可以达到8~9。但是由于空气源热泵蒸发器和冷凝器的效率小于1、压缩机效率小于1和机械摩擦损失等因素，实际的COP值一般为3~4，仅为理想值的1/3左右。影响空气源热泵的性能还有环境温度、单位时间制热量等外界因素。通过相关试验数据得出结论:环境温度根据它对空气源热泵系统COP值的不同影响可以分为高、中、低三个温区，其中中温区(5~30℃)环境温度的变化对系统工作效率影响显著，环境温度30℃时系统运行性能最佳。系统COP值随水箱设定温度的升高呈近线性下降的趋势，当水箱设定温度为60℃时，各种环境温度下运行的COP值都降到最小，同时环境温度越低，水箱设定温度对COP值影响愈加明显，进一步表明环境温度是影响空气源热泵热水系统运行性能的最重要因素。

2 工程实例
以武汉某学校2栋6层学生宿舍为例，该宿舍为新建，拟安装空气源热泵热水系统，该宿舍每层大约入住有320人，每层设有两个公共浴室，热泵在楼顶加热冷水后，储存在保温水箱，热水经管道进入每层浴室，以供使用。
2.1 系统组成
空气源热泵控制系统由空气源热泵机组、水箱、一次泵循环系统、供水系统、回水系统组成。
空气源热泵热水系统原理图
空气源热泵机组：由8台空气源热泵并联向系统提供热源，每台空气源热泵机组可独立开启或关闭并有独立的进水和出水控制阀门，便于机组的维护和管理。空气源热泵设备有自动和手动两种控制方式，同时设有切换开关，当切换开关置于“手动”位置时，只能用人工手动启停热泵设备。当切换开关置于“自动”位置时，热泵由温控仪自动控制启停，当水箱水温达到设定温度时，停止给热泵设备供电，反之则保持供电。
水箱：用于存储热水的设备，通过直管相接，中间设有电磁阀，通过电磁阀的打开与闭合来控制水箱的工作。水箱与一次泵系统、供水系统和回水系统相连，完成水的加热、供应与回流。
一次泵循环系统：一次泵循环系统通过主备用2台压力泵与水箱相连，把水箱中的水加压后送入空气源热泵机组，达到设定温度，再经回水管流回水箱中。
供水系统：一端与保温水箱相连，另一端与用户相连。
回水系统：回水系统与水箱相连，在每个用户的末端，各有一根回水管同各个用户的供水相连，将热水直接送回保温水箱中。
2.2 设计选型
武汉地处长江中下游，东经113°41′-115°05′，北纬29°58′-31°22′。武汉属亚热带季风性湿润气候区，具有雨量充沛、日照充足、四季分明，夏高温、降水集中，冬季稍凉湿润等特点。一年中，1月平均气温最低，为3.0℃；7月平均气温最高，为29.3℃，夏季长达135天；春秋两季各约60天。初夏梅雨季节雨量较集中，年降水量为1205毫米。武汉活动积温在5000℃～5300℃之间，年无霜期达240天。学生用水时段主要集中在春秋季（冬季部分），即排除寒暑假时间段，全年约有293天集中供水。
针对该学生宿舍的空气源热泵机组选型，重点在于能满足最不利工况冬季高峰期的热水使用量根据实际工程经验，武汉地区自来水初温约为15℃，设定热水温度为55℃，根据热水用水定额，为每个学生配备60L 55℃热水，考虑学生冬季按照平均每三天洗一次澡考虑，则最大日为每位学生每日配备20L 55℃热水，即可满足要求，则总用水量为320人/层×6层×20L/人×2栋=76800L。由于学生用水有着一定的规律性，计算时选取的热水同时使用系数为0.6，则总用水量为46.08吨。经过计算，可得机组的设计热负荷143.2kW，计算如下：
全日制供应热水的集中热水供应系统的设计小时耗热量计算：
Qh=KhmqrC(tr-tl)ρr/T （2）
式中：Qh——设计小时耗热量（kJ/h）；
m——用水计算单位数（人数）；
qr——热水用水定额（L/人•d）；
C——水的比热，4.187（kJ/kg•℃）；
tr——热水温度，55（℃）；
tl——冷水温度，按规范为15（℃）；
ρr——热水密度（kg/L）；
T——每日使用时间，按规范取24（h）；
Kh——小时变化系数，按热水小时变化系数表取3.20~4.80；
空气源热泵的设计小时供热量计算：
Qg=k1mqrC(tr-tl)ρr/T1 （3）
式中：Qg——设计小时耗热量（kJ/h）；
m——用水计算单位数（人数）；
qr——热水用水定额（L/人•d）；
C——水的比热，4.187（kJ/kg•℃）；
tr——热水温度，55（℃）；
tl——冷水温度，按规范为15（℃）；
ρr——热水密度（kg/L）；
T1——热泵机组设计工作时间（h/d），按规范取12h~20h,取20h；
k1——安全系数，按规范取3.20~4.80，取1.1；
水箱选型：全日制集中供热水系统贮热水箱有效容积，应根据日耗热量、热泵持续工作时间及热泵工作时间内耗热量等因素确定，当其因素不确定时宜按下式计算：
　Vr=k2(Qh-Qg)T/ηC(tr-tl)ρr （4）
式中：Qh——设计小时耗热量（kJ/h）；
Qg——设计小时耗热量（kJ/h）；
Vr——贮热水箱有效（L/人•d）；
C——水的比热，4.187（kJ/kg•℃）；
tr——热水温度，55（℃）；
tl——冷水温度，按规范为15（℃）；
ρr——热水密度（kg/L）；
为满足用水高峰量和考虑同时使用量，水箱配置的有效容积取热水日用量的80%，即为40m3，即每栋楼配置2个10吨水箱，每个水箱配置2台制热量为18kW的空气源热泵。则有学生宿舍热水供应工程配置清单表如下：
学生宿舍热水供应工程配置清单表
编号
名称
规格参数
单位
数量
1
空气源热泵热水机组
三相交流电源380伏50赫兹，输入功率4.15kW，制热量18kW，机组采用侧吹风、双风扇方式。水换热器采用高效同轴套管式换热器。除霜方式为智能除霜。
台
8
2
热水循环水泵
卧式不锈钢，功率为550W，扬程为15m，
流量为5m³/h。
台
8
3
热泵系统辅材
PP-R稳态复合管热水件，，管件，闸阀，过滤器，螺栓，橡塑保温材料，管道支架，系统内连接线等。
批
8
4
保温水箱
圆形不锈钢保温水箱，中间为聚氨酯发泡保温层，水箱容积为10m³。
台
4
5
系统中央控制柜
含可编程电脑定时增压控制、温控仪、自动运行控制，热水箱的补水控制采用温度和水位控制。
套
1
6
热水增压水泵
功率为3kW，扬程为19m，流量305m³/h。
台
2
7
自来水电磁阀
零压启动通用电磁阀，阀体为锻压黄铜，通电打开，断电关闭（受温度和液位控制）。
套
1
（1）全年平均热水从15℃加热到55℃所需要的能量为：
Q1=CM∆T=1（kcal/kg•℃）×46080kg×(55-15)℃×293d=5.4×108kcal
年运行费用详见下表：
时令
水的比热（kJ/kg•℃）
冷水计算温度（℃）
武汉
热水计算温度（℃）
每千克水热值（kJ）
每吨水热值（度）
能效比
每吨水需电量（度）
电费单价（元/度）
日设计量（t）
日历天
日用水量系数
实际用水量（t）
电费总计（元）
全年
4.186
15
55
167.44
46.51
3
15.50
0.595
76.8
293
0.6
13501.44
124548.17
年运行费用合计（不计热损失）
124548.17
年运行费用合计（含热损失、水泵运行）
热损失
0.4

174367.44
注：1度=3600000J=860kcal，电价0.595元/度。
（2）全年水费为：76.8×0.6×293×2.32=3.13万元
注：单位水费2.32元/m³。
（3）平均全年管理费用为：76.8×0.6×293×4=6.75万元
注：单位管理费5元/吨。
（4）全年维修费（含不可预见费）为8.00万元。
（5）综上可知，全年运行总费用为：17.43+3.13+6.75+8.00=35.31万元
2.3 系统能耗及经济分析
电热水炉、燃气热水炉或燃油热水炉是一般学校生活热水的主要来源，目前这种能耗低、效率高、无污染的空气源热泵供热系统正在各大高校的学生宿舍系统中兴起并推广。下表是热泵热水机组与普通供热方式的运行费用对比：
能源消耗量与运行费用比较

热泵热水机组
燃油热水炉
燃气热水炉
电热水炉
使用能源
民用电
商用电
轻柴油
液化气
民用电
商用电
能源热值
860
kcal/kW•h
860
kcal/kW•h
10200
kcal/kg
24000
kcal/kg
860
kcal/kW•h
860
kcal/kW•h
年平均能效比/%
350
350
70
80
95
95
所耗能量
11.63kW•h
11.63kW•h
4.9kg
1.82m³
42.83kW•h
42.83kW•h
单价
0.52
元/kW•h
0.90
元/kW•h
5
元/kg
14
元/m³
0.67
元/kW•h
0.90
元/kW•h
所需费用/元
6.05
10.47
24.5
25.48
28.69
38.54
噪声
小
中
中
中
环境影响状况
无
污染严重，
个别城市已禁用
有燃烧气体排放
无
安全性能
安全可靠
有漏气、火灾、爆炸等危险
电热管易老化，有漏电隐患
由此可见，电和燃气或者燃油直接加热能源的利用效率低，需要消耗大量能源，同时也存在一定的安全隐患，而热泵热水机组利用的效率高、无污染。

日运行费用对比图
空气源热泵系统日运行费用比燃油锅炉燃气锅炉大约节省费用1100元，较电热锅炉节省1500元；热泵系统的使用年限一般为20年，采用全寿命周期的理念，则空气源热泵比燃油锅炉燃气锅炉节省644.6万元，较电热锅炉节省879.0万元。另外，若合理使用谷电加热，实现削锋填谷，优化空气源热泵的使用控制，则节省的费用会更多。
3 总结
（1）与其他建筑中热水供应相比，在学生宿舍中，学生用水有明显的特点，例如学生的热水使用时段有一定的规律，如果能够找出学生用水的准确规律，合理控制热水系统的供水系统，则可以大大地减少机组的运行时间，降低机组的运行费用。
（2）理论上，空气源热泵的能源利用效率比较高，比其他热源设备节约能源，但是它的性能要受各种因素的影响，特别是环境温度的影响选型时，应按照最不利工况设计，否则将不能满足使用在冬季工况下，结霜对机组性能的影响较大，例如，冬季室外温度过低地区，不宜用空气源热泵，除非设置辅助热源和除霜设备，需要在技术上和经济上综合评价方案的可行性。因此，在进行集中热水供应系统设计时，设计人员不能盲目跟风，应根据当地气象参数和工程实际情况，因地制宜，选择合适的热源设备。
（3）与其他集中热水供应系统相比，空气源热泵系统结构紧凑，工程量少，占地面积小，安装简便，不需设专用机房。智能化管理，可实现全机系统自动化运行，不需专人值守，大大降低了项目工程及管理费用。

参考资料：
《建筑给水排水设计规范》 GB50015-2003（2009年版）
《给水排水设计手册》
《热泵热水选用及安装》 06SS127
《商业或工业用及类似用途的热泵热水机组》 GB/T 21362-2008
《通风与空调工程施工质量验收规范》GB50243-2002
《采暖与卫生工程施工及验收规范》GBJ242-82
《建筑给水排水及采暖工程施工质量验收规范》GB50242-2002
《全国民用建筑工程设计技术措施节能专篇—给水排水》
《全国民用建筑工程设计技术措施节能专篇—暖通空调•动力》
倪德良，俞善庆——新型节能热水器-空气源热泵热水机器（机组）[J] 2004
段梦庆，卢军，田志勇——学生宿舍热水用水规律及空气源热泵热水系统设计分析