空氣源熱泵開水機的節能研究

□文/梁夢寬 邱社明 史維秀 于志超

飲用水的能耗在辦公樓和學校的能耗中占有較大的比例，傳統的鍋爐集中供飲用水方式已經越來越多的被分散式飲水機所代替。飲水機方便、快捷，但熱損失較大，在建筑中按層設置開水機有利于集中供應熱水，減少管道熱損耗[1～2]。集中式開水機目前常用電熱式，能源轉換效率高于90%，屬于常開型，設備散熱損失較大。在裝有加熱和冷卻系統的建筑中，空氣源熱泵技術已經得到了很好地應用[3～4]，尤其適合于單獨的區域建筑[5]?？諝庠礋岜脵C組通過輸入少量電能，從空氣中吸收熱量，產生幾倍于輸入電能的熱量，對于節能減排具有重要意義[6～7]，同時減少二氧化碳的排放[8]?？諝庠礋岜卯a生的50℃左右的熱水比較適合于洗浴[9～12]。本文從節能角度出發，研究空氣源熱泵應用于開水機的可行性并提出優化方案。

試驗系統及方法

試驗系統

飲水裝置由空氣源熱泵（額定制熱量為3 235 W）、電加熱器（4 kW）及控制器組成，試驗過程中安裝的測試儀表見圖1。

圖1 空氣源熱泵開水機試驗系統

為了模擬和改變環境溫度，系統置于恒溫室內，室內溫度和濕度由大型熱泵機組及送排風系統控制。輔助電加熱采用瞬時加熱方式——電磁加熱器，保證邊取水邊加熱。

試驗方法

出于節能考慮，熱泵機組出水溫度、COP值越高越好，但兩者是矛盾的，機組出水溫度越高，COP值越低。試驗前對制冷劑進行篩選，采用中高溫制冷劑ZHR02。首先優化毛細管長度，保證機組本身的COP值最高。然后改變環境溫度，確定熱泵的最佳出水溫度，以保證裝置總的電耗量少。

試驗分析

毛細管長度的優化

圖2 不同毛細管長度下水箱溫度隨時間的變化曲線

從圖2可以看出，毛細管長度為0.6 m和0.7 m時，熱泵機組升溫快、最高溫度可達到75℃左右且毛細管長度為0.6 m時的換熱效果稍好于0.7 m時。

圖3 不同毛細管長度下換熱量與輸入電量之比隨時間的變化曲線

從圖3中可以看出，毛細管長度不同換熱量與輸入電量的比值也不同，其中長度為0.6 m時效果最好。綜合以上情況，確定試驗毛細管長度為0.6 m。

不同環境溫度下熱泵機組的運行效果

水箱內水的初始溫度為35℃，周圍環境溫度分別為10、20、30、40℃時，啟動熱泵機組為水箱加熱，水溫隨時間的變化曲線見圖4，換熱量與輸入電量之比的變化曲線見圖5。

圖4 不同環境溫度下水溫隨時間的變化曲線

從圖4可以看出，環境溫度越高，水箱溫度上升越快。當環境溫度為20、30、40℃時，水箱的最高溫度可以達到75℃。而環境溫度為10℃時，水箱溫度只能達到65℃，說明水箱溫度與環境溫度的最大差值可達到55℃。

圖5 不同環境溫度下換熱量與輸入電量之比隨水箱溫度的變化曲線

從圖5可以看出，環境溫度越高，系統的換熱量與輸入電量的比值越高。環境溫度為30℃和40℃時，將水加熱到70℃，系統換熱量與輸入電量之比約為1.7和1.76；而環境溫度為20℃時，該比值接近于1，已經不節能。從這個角度考慮，冬季熱泵系統的出水溫度以55℃為宜，此時系統換熱量與輸入電量之比值為1.4，環境溫度為20、30、40℃時制取55℃熱水所對應的熱電比分別約為2.2、3.0、3.2，制取65℃熱水所對應的熱電比分別為1.6、2.3、2.8，節能效果明顯。

（2）通過3kW立磨機試驗知，在現有條件下，系統平臺較佳工況條件為：研磨介質直徑7mm，介質充填率30%左右，磨機轉速30Hz左右。

節能分析

以天津地區某高校5層教學樓為例，假設使用時間從8:00—22:00，22:00以后機組停機，用水量按照0.6 m3/（d·層）進行計算，水箱容積為 120 L，電加熱器效率為96%。

采用電加熱器的耗電量

如果采用電加熱，則一天的耗電量為

式中：N——耗電量，kW·h；

△T——溫差，℃；

C——水的比熱，取4.19 kJ/（kg·K）；

ρ——水的密度，取1 000 kg/m3；

V——用水量，m3；

ε——由水箱散熱引起的熱量放大系數，按照經驗數值取1.05；

η——電能轉化為熱能的轉換效率，取96%。

按照式（1）計算，如果用電直接將水加熱到100℃，整個教學樓的耗電量約為221.5 kW·h/d。

采用空氣源熱泵和輔助電加熱器的耗電量

假設早上熱泵機組開機時水溫為30℃，熱泵機組先將混水區中的水從30℃加熱到55℃，其他時間水溫45℃時開啟熱泵機組。

（1）熱泵機組的出水溫度為55℃

環境溫度為10℃時。水從30℃開始加熱時系統換熱量與輸入電量之比取平均值2.4，從45℃開始加熱時取1.7，總耗電量為196.75 kW·h/d，比普通電加熱節能11.2%。

環境溫度為20℃時。水從30℃開始加熱時系統換熱量與輸入電量之比取平均值3.3，從45℃開始加熱時取 2.4，總耗電量為189.63 kW·h/d，節能 14.4%。

環境溫度為30℃時。水從30℃開始加熱時系統換熱量與輸入電量之比取平均值4.0，從45℃開始加熱時取 3.3，總耗電量約為 185.32 kW·h/d，節能16.3%。

若每年約有30 d時間樓內溫度為10℃左右，30 d左右的時間溫度為30℃，其余時間均在25℃左右，年綜合節能14.8%。

（2）環境溫度為10℃時熱泵機組的出水溫度為55℃，其他情況下出水溫度為65℃

環境溫度為20℃時。水從30℃開始加熱時系統換熱量與輸入電量之比取平均值3，從45℃開始加熱時取 2.2，總耗電量為 166.43 kW·h/d，節能 24.9%。

環境溫度為30℃。水從30℃開始加熱時系統換熱量與輸入電量之比取平均值3.6，從45℃開始加熱時取2.8，總耗電量約為159.71 kW·h/d，節能27.9%。

若每年約有30 d時間樓內溫度為10℃左右，30 d左右的時間溫度為30℃，其余時間均在25℃左右，年綜合節能25.2%。

結論

（1）隨著環境溫度的升高，熱泵系統的換熱量與輸入電量的比值逐漸升高，說明熱泵型開水機在夏季運行最為節能。

（2）對于熱水量為0.6 m3/d的熱水機組，若空氣源熱泵的出水溫度為55℃，對比電開水器，每年可節能15%左右。

（3）若按照季節控制熱泵機組出水溫度冬季55℃、其他季節65℃，則每年節能25%左右，效果顯著。

[1]羅清海，湯廣發，黃文勝.熱水器技術的發展展望[J].節能與環保，2004，(10)：26-28.

[2]付君萍.電熱水器節能成為發展方向[J].電器制造商，2004，（7）：38-39.

[3]M.Marcic.Long-term per f or mance of centr al heat pumps in Sl ovenian homes[J].Energy and Buil dings，2004，36（2）：185-193.

[4]M.Hosoz，M.Dir ek.Per f ormance eval uat ion of an int egr at ed aut omotive air condit ioning and heat pump syst em[J].Energy Conver sion and Management，2006，47（5）：545-559.

[5]X.Wang，C.Kendrick，R.Ogden，J.Maxt ed，et al.Dynamic t her mal simul at ion of a r et ai l shed wit h sol ar ref lective coat ings[J].Appl ied Thermal Engineer ing，2008，28（8/9）：1066–1073.

[6]董振宇，陸春林，金蘇敏.空氣源熱泵熱水器的試驗研究[J].流體機械，2008，36（8）：54-57.

[7]李元哲.熱泵熱水技術的現狀與展望[J].中國建設動態——陽光能源，2005，（5）：51-53.

[8]D.Jenkins，R.Tucker，M.Ahadzi，et al.The per f ormance of air-source heat pumps in curr ent and f utur e of f ices[J].Ener gy and Bui l dings，2008，40（10）：1901–1910.

[9]丁海波.空氣源熱泵熱水器在惡劣工況時系統調節方法研究[J].安徽建筑工業學院學報，2008，16（2）：49-53.

[10]曲 翔.熱泵式開水器的研究[D].天津：天津大學，2008.

[11]張保青，馬善偉，張 川，等.節流機構流量特性試驗臺的研制[J].流體機械，2004，32（8）：54-56.

[12]李 昂.節流機構在制冷系統中的應用分析[J].低溫與特氣，2007，25（4）：26-29.