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1、1 热泵蓄热策略优化技术 柯文飞 1 吴睿力 2 陈凯途 3 戚卫丰 4 张国燕 5 0 引言 通过热泵机组对酒店、工厂、医院等公共建筑提供生活热水，具有能效比高，使 用方便， 性能可靠的特点， 应用越来越广泛。但由于末端用户使用热水时间、 用量的不 确定性， 要求热水系统要产热迅速， 出水温度均匀， 流量持续可靠，以应付随时使用的 需要。 可靠的蓄热技术， 可以在节约大量运行费用的基础上， 为用户提供高品质的热水， 在节能环保的今天， 越来越受到重视。 热水罐分级蓄热技术是传统并联热水蓄热技术的
2、 升级与发展， 对两种热水系统的蓄热、 放热特性及控制策略进行分析， 是我们研究的重 点。 本文结合广州白天鹅宾馆改造工程的实际， 通过理论分析， 可以为我们优化设计提 供理论支持。 1. 蓄热系统概述 最近几年，我们分别承包了深圳 MKS 工厂员工生活热水、石龙人民医院住院楼生 活热水、 广州白天鹅宾馆改造工程生活热水等项目的施工， 这些项目热水系统均由热泵 机组产生，保温承压水罐蓄热。但蓄热的方式显著不同。 1.1 并联蓄热 深圳 MKS 工厂员工生活热水系统由香港 PKL 机电顾问公司设计， 2008
3、 年已投入使 用，系统运行情况良好。热水系统图如下： 水 - 水热泵运行时产生的冷冻水，温度为 7/12 0 C ，接到中央空调系统的分水器、集 水器，供制冷空调使用；机组产生的 60 0 C 热水，通过热水循环泵接到三个并联的蓄热 2 水储罐铜盘管， 与生活热水进行热交换， 然后回到机组进行再循环。 生活热水通过热水 泵供应到用户端。 1.2 分级蓄热 广州白天鹅宾馆改造工程由广州市设计院设计，系统图如下： 控制箱 控制箱 水 - 水热泵运行时产生的冷冻水， 温度为 7
4、/12 0 C ， 接到中央空调系统的分水器、 集 水器，供制冷空调使用；产生的热水，通过热水循环泵，供应到一级蓄热水罐；蓄热水 罐分为 5 级，从高温到低温依次编号为 SC-1-1 到 SC-1-5 ，从第 5 级回水循环，热水循 环泵变频运行；用户侧多组二次热水泵进水管接一级蓄热水罐（即高温罐 SC-1-1 ） ，回 水管接第 5 级蓄热罐（即低温罐 SC-1-5 ） ，二次热水泵根据用量需要变频运行。 1.3 系统差异性 并联蓄热之热水罐，三个的热水温度是一致的，都是承压式储罐（直径 φ 2.0*3.5m ）
5、 。储罐内置螺旋形铜盘管，铜盘管厚度为 0.35mm 。在蓄热过程中，罐内热水 处于自然对流状态， 靠水上下层之间的温差产生对流进行热交换。 在用水过程中， 因为 水罐截面积较大，水流速度较小（约 0.65mm/s ） ，瑞利数较小，因此罐内水处于层流状 态。 根据在热水罐上、中、下三个部位设置的温度传感器读数显示，在蓄热过程，水 的温度分层较为明显， 高温水始终处于水罐上部， 低温水处于底部。 在没有使用热水的 蓄热过程， 罐内热水温度的分层厚度 （指罐内温度急剧变化的水厚度） 随着加温过程逐 3 渐加大，但一般维持在 0.2m
6、 左右，温度差约为 10 0 C 。当温差达到 4 0 C 时，分层厚度已 经达到了 0.4m 左右。因此即使蓄热过程未达到全罐温度一致，但由于罐的上层始终保 持有高温水，使用水时温度会得到保障。 当用水时，由于罐底部温度 16 0 C 的冷水补水的挤压作用，冷水层不断加厚，热水 层减少， 但由于处于层流状态， 水的混合作用不明显， 还是保持了明显的分层， 下部水 温下降较上部下降更加明显。当热水出口温度降低到 50 0 C 以下时，系统停供热水，以 保证供水品质。 由于三个水罐的并联作用，存在系统管路阻力上的偏差，因此
7、调试不理想情况下， 往往导致水罐的温度升 / 降幅不一致，导致系统管理策略上的混乱。需要精心调试才能 达到满意使用效果。 另外由于铜盘管与热水之间存在 3~5 0 C 的换热温差， 以及水上下层 的轻微混合作用，生活热水最高一般只有 55 0 C 左右，热水的品质有所降低。 分级式蓄热水罐，蓄热罐是普通的承压储罐，五个罐内水的温度由高到低排列， 并且一直保持一定的温差。 分级蓄热策略主要是把热量储存区分成五个优先级， 通过管 道系统优先集中加热级别最高的蓄热水罐 SC-1-1 ，这样可以在较短的时间里使一级水 罐达到能够使用的温度。
8、 即便在未开动热泵机组的情况下， 高温蓄热的一级水罐， 也能 随时供应较高温度的热水。 由于一、二级热水泵的存在，五个蓄热水罐的作用相当于空调系统的盈亏管（或 平衡管） ，根据一、二级泵的总流量比例情况，控制热水罐内水的流动方向。 在蓄热过程，热水由高温罐上部进入，下部出来接入下一级储罐的上部，依次类 推，最后从最低温的罐底部回水到热泵机组。在用水过程，热水从高温罐的上部出来， 从最低温水罐底部回水。 若二次泵水量与循环热水泵流量相等， 则热水基本在高温罐进 出平衡， 最低温罐也是补水和回水之和与循环水量进出平衡， 生活供水温度即是热泵机 4
9、 组出口温度 60 0 C ； 若用水量减少， 各个罐之间水流动蓄热， 生活供水温度还是 60 0 C ； 若 用水量较热水循环泵量大， 则高温罐的水先被使用， 低一级蓄热罐进行补充， 生活供水 温度逐步低于 60 0 C 。 根据罐体上、中、下设置的温度传感器显示，无论蓄热过程，还是使用过程，水 在罐内的分层比较明显， 特性与上面分析的带盘管热水储罐基本一致， 而且即使在用户 水需求量较大的情况下， 水温也能保持较高品质。 由于各个罐的水温分级管理， 较并联 水罐运行情况良好。 2. 蓄
10、热技术的理论分析 为了技术分析的方便， 我们以白天鹅宾馆的热水系统参数为例。 系统设备主要参数 如表： 序号 设备名称 主要参数 单位 数量 备注 1 水 - 水热泵机组 制热 872Kw ，热水流量 16m 3 /h, 热水出口温度 60 0 C ，制冷量 700Kw ，机组输入功率 187Kw ， 台 2 2 承压热水罐 13m 3 / 个， 5 个共 65m 3 ， φ 2.1*4.1 个 5
11、 3 变频循环热水泵 Q=9m 3 /h ， H=16m ， N=0.75Kw 台 4 3 用 1 备 4 变频二次热水泵 Q=3m 3 /h ， N=0.55Kw 台 16 12 用 4 备 5 变频冷水泵 Q=41m 3 /h ， H=32m ， N=5.5Kw 台 4 2.1 系统能效比 EERs 分析 在蓄热过程中， 由于热水储罐的的温度是逐步升高的， 循环水回水温度必定越来 越高， 因此对于
12、热泵机组， 其平均冷凝温度也是升高的， 机组的 COP 值由高逐步变低 （下 图所示） 。最理想的回水温度应一直保持较低。并联式水罐蓄热，由于盘管换热温差的 存在，循环回水比补充冷水温度高 3~5 0 C ；分级蓄热水罐，循环回水温度基本与补充的 冷水等温，机组 COP 值较高，即机组耗功率降低。 5 热泵系统的制热能效比 EERr 以机组产生的热量 Q 与机组 N1 及水泵 N2 的耗功之和 之比，即 EERr = 以白天鹅热泵制热水系统计算，制热能效比 EERr: 项目名称
13、 产热量 （ Kw ） 功率 （ Kw ） 单位 数量 总热量 （ Kw ） 总功率 （ Kw ） 制热能效比 EERr 水 - 水热泵机组 872 187 台 2 1744 382.25 4.56 一级热水循环泵 0.75 台 3 二级热水循环泵 0.50 台 12 制冷能效比 EER l : 项目名称 产冷量 （ Kw ） 功率 （ Kw ）
14、 单位 数量 总冷量 （ Kw ） 总功率 （ Kw ） 制热能效比 EER l 水 - 水热泵机组 700 187 台 2 1400 396 3.54 冷冻水循环泵 5.5 台 4 系统总的能效比 EERs= EERr+ EER l =4.56+3.54=8.10 根据以上计算分析，热泵系统的能效比较高，比电热水系统效率高，比太阳能热 水系统可靠。 2.2 反应时间分析 反应时间 T 指为了保证持续放水获得设计温度而需要开热泵机组运行的时间， 即 T=V 总 /Q 总 式中， V 总 指水罐的蓄热容积， m3 ；并联蓄热为总容积，分级蓄热为第一级高温罐容积； Q 总 指热泵机组总的产热水量速率， m 3 /h 。
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