空氣源熱泵熱水系統的應用

摘要：隨著科學技術的快速發展，熱泵技術成為近年來在全世界備受關注的新能源技術，目前較多地應用于冷暖空調機。但因熱泵制熱在節能降耗及環保方面的良好表現，衛生熱水供應系統也越來越多的采用熱泵設備作為熱源。本文將對某建筑空氣源熱泵熱水系統的設計應用進行分析探討。

關鍵詞：空氣源熱泵 熱水系統 設計 自動化

1、工程概況

某項目建筑面積近20000m2，地上一層至八層，樓高30m。本次設計范圍為全天定時定點提供55℃衛生熱水量約為180m。

2、設計標準參數（如圖）

3、熱水系統設備及水箱選型

根據該項目的用水特點、用水人數以及變工況曲線圖確定如下參數：（1）額定工況下機組運行時間為12h;（2）惡劣工況下機組運行時間為16h;（3）惡劣工況下修正系數為0.8。通過計算，選取空氣源熱泵熱水機ZKFRS-120II六臺。額定總制熱量為720kw。6m3加熱水箱一個，100m3蓄熱水箱。

4、空氣源熱泵熱水系統工程設計

4.1空氣源熱泵熱水系統熱源

空氣源熱泵熱水器是一種高效集熱并轉移能量的裝置，根據逆卡諾循環的原理，采用電能驅動，通過傳熱工質，能夠24小時源源不斷地從空氣中獲取免費的低品位熱能，并使之轉換為高品位的熱能，用于制取熱水，達到系統所設定的熱水溫度，供給用戶使用。

4.2空氣源熱泵熱水系統

整個空氣源熱泵熱水系統包含有三個小循環水系統：

（1）加熱內循環水系統，內含一套加熱內循環水泵以及相關調節閥門，與機組聯動，將水初始溫度循環加熱到所設定的溫度;

（2）熱水恒溫系統，內含一套恒溫循環水泵以及熱水放水水泵以及相關調節閥門，當熱水箱里面的熱水長時間不用或系統回水導致箱內水溫降低時，兩套泵同時開啟以保持系統循環水位;

（3）熱水增壓-回水系統，內含一套系統增壓水泵、電接點壓力表、電磁閥以及相關調節閥門，以保證整個系統熱水正常供應。

（4）補水系統，內含一個補水電磁閥以及相關調節閥門，以保證系統的補水需求量與補水時間。加熱內循環水系統則采用同程式管路設計，有效地保證了內循環水系統的阻力平衡。

4.3智能除霜系統

空氣源熱泵熱水器從空氣中提取低品位熱量來制取衛生熱水，節能效果明顯，但空氣的溫度T以及相對濕度ψ將會影響機組的整體性能。當-12.8℃≤T≤5.8℃，ψ≥67%就結霜，-5.0℃≤T≤5.0℃，ψ≥67%就會嚴重結霜。若空氣側換熱器表面結霜，使機組制熱能力下降，必須進行除霜，機組才能正常工作。“中宇”空氣源熱泵熱水機組采用智能除霜方法，智能除霜控制系統根據空氣的溫度、濕度自動檢測及分析空氣側換熱器是否結霜，如結霜則啟動除霜裝置，保證在短時間內除霜，保證整個系統的正常運轉和制熱。

5、空氣源熱泵熱水系統自動運行控制

為了有效地控制熱水系統供回水溫度定時定點供應，方便維護運行管理，節約能耗，設置以下自動控制措施。

（1）系統開始階段：補水電磁閥打開，當加熱水箱的水位達到下限水位時，機組啟動給水箱內冷水循環加熱，當水溫加熱到55℃，機組停機，補水直到上限水位，補水電磁閥關閉;

（2）系統放水階段：當加熱水箱內水溫達到55℃、水位達到上限水位時，系統放水水泵啟動，將加熱水箱內熱水放到蓄熱箱里，直至加熱水箱內的水位降至下限水位后，重復動作1;

（3）蓄熱水箱恒溫階段：當蓄水箱的水溫降到45℃(可自行設定)時，恒溫循環水泵和放水水泵同時啟動，重復動作1，直至水箱內水溫升至55℃時，機組停止運行。

（4）系統供水恒溫階段：當供水系統的存水水溫降到40℃(可自行設定)時，外循環泵啟動，水管中的水進入蓄熱水箱混合，如果混合后水溫低于水箱設定溫度，則加熱泵啟動，機組啟動加熱直到水溫達到設定的水溫55℃。

（5）系統增壓供水階段：當供水系統出水端的電接點壓力表感應到最不利點壓力低于設定值時，增壓水泵啟動，直至最不利點壓力達到設定值，增壓水泵停止運行。

（6）系統用水說明：系統設計水箱容積滿足全天熱水需求，水箱熱水使用直到水位降到用水下限水位時，才重復1的動作;如水箱當天用水沒到下限水位，系統每天凌晨24:00時(可更改)定時重復1的動作。

6、消聲與減震

（1）所有設備均選用低噪聲，降低噪聲源;（2）所有動力設備與水管的連接均設置軟接頭或橡膠避震喉;（3）所有動力設備與地面(或基礎)接觸處均采用減震器進行隔振。

7、設計難點及解決措施

7.1水箱選型問題

本項目空氣源熱泵熱水系統水箱選型大小將影響整個系統的性價比和以及合理性，選取水箱過大將會造成投資浪費;選取水箱過小則會造成全天供水量不足，不能滿足用戶要求。水箱合理選型方法是根據機組在額定工況、惡劣工況下小時產熱水量、熱水系統過程總加熱時間與用水量來確定的。加熱水箱：加熱水箱容積宜小于額定工況下機組半小時產熱水量;蓄熱水箱：蓄熱水箱容積=日總水量×使用系數-惡劣工況機組產水量×4h-加熱水箱容積

通過以上合理的水箱容積選擇，將大大提高整個系統的性價比以及合理性。

7.2系統機組結霜問題

機組的結霜問題將會影響整個系統的運行以及熱水的正常供應。解決除霜問題也是行業內的重點之一。針對該項目系統機組的結霜問題，采用機組智能除霜控制系統。該系統是采用自動識別溫度-時間控制方法。控制方法如下：當翅片管換熱器(蒸發器)表面溫度下降到設定值t1時，同時又超過設定的除霜周期時，時間繼電器開始計時，同時進入除霜模式(制冷工況)，進入除霜模式首先是四通換向閥動作，然后室外風機停轉，壓縮機的高溫排氣進入翅片盤管，使盤管表面上的霜融化。當換熱器表面溫度上升到設定值t2或除霜執行時間達到設定的最長除霜時間，即停止除霜。機組又恢復制熱工況。由于除霜過程會導致一定的熱量損失，所以“中宇”空氣源熱泵熱水機組采用如下措施來降低除霜損失：

（1）翅片管換熱器采用親水膜波紋狀翅片，片距加寬到2.2~2.5mm，使翅片表面水份不容易停留而結霜。

（2）加大風機風量，減少傳熱溫差，使換熱器表面溫度升高。

（3）按地球引力方向設計排風方向，使換熱器翅片表面水份在地球引力作用下更易滑落。

結霜問題的解決，極大提高了機組的綜合性能，使系統更節能。

8、結束語

通過對上述工程實例分析，我們可以看出空氣源熱泵熱水機組是一種新型的高效、環保、安全的節能產品，空氣源熱泵熱水系統逐步替代電、燃氣、燃油熱水系統是必然趨勢。該產品可以有效地解決目前國內有關部們對節約能源、環保、安全等各方面較棘手的問題，利國利民，值得大力推廣應用。

參考文獻：

1.李陽.空氣源熱泵熱水器除霜技術現狀分析[J].民營科技，2011，(01)

2.王平，董敬宇，董際鼎.空氣源熱泵機組除霜技術探討[J].暖通空調，2010，(01).

3.吳堅紅.空氣源熱泵熱水供應系統及其經濟性分析[J].上海建設科技，2009，(03).

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