空氣源熱泵熱水器在民用工程中的應用

毛惠敏 周萌 海立集團熱泵事業部 (200126）

毛惠敏（1984年～），2007年畢業于江蘇大學流體力學專業。現工作于上海海立集團股份有限公司熱泵事業部。

0 引 言

熱泵的理論起源于1824年法國工程師卡諾的卡諾循環的論文。在1850年初英國物理學家開爾文（L.Kelvin）提出：冷凍裝置可以用于加熱。1912年瑞士的蘇黎世成功安裝一套以河水作為低位熱源的熱泵設備用于供暖，并以此申報專利，這就是早期的水源熱泵系統，是世界上第一套熱泵系統。

熱泵的概念就是消耗極少部分電力，充分利用室外空氣、水、土壤的能量對室內進行供熱、制冷并同時提供廉價熱水的熱源泵送機械設備。按照冷熱源的不同，熱泵分為三類：空氣源熱泵，水源熱泵和地源熱泵。

空氣源熱泵熱水器是一種利用電能驅動的蒸氣壓縮制冷循環，將低品位熱源（空氣）中的熱量轉移到被加熱的水中用于制取熱水，滿足人們生活、生產需要的設備，可分為直熱式熱水機和循環加熱式熱水機，原理如圖1。

圖1 空氣源熱泵工作原理

1 空氣源熱泵的工作原理

一臺空氣源熱泵熱水裝置，主要由蒸發器、壓縮機、冷凝器和膨脹閥四部分組成，通過讓冷媒不斷完成：蒸發（吸取環境中的熱量）→壓縮→冷凝（放出熱量）→節流→再蒸發的熱力循環過程，從而將環境里的熱量轉移到水中。空氣源熱泵系統示意圖如圖2。

壓縮過程：蒸發后的運行冷媒被吸入壓縮機，通過壓縮機的壓縮功能，將冷媒壓縮成高壓高溫氣體，使其對于較低溫度的自來水易于放熱、液化。

圖2 空氣源熱泵系統示意

冷凝過程：從壓縮機排出的高壓高溫冷媒被常溫的自來水吸收熱量而變成的液態冷媒。

節流過程：把液化后的冷媒送入熱泵主機蒸發器之前，利用毛細管的壓力差，使冷媒在保溫水箱的冷凝器內冷凝降壓，將它變成即使在低溫下也易于蒸發的狀態。

蒸發過程：液態冷媒從周圍空氣中吸收熱量而不斷蒸發汽化，被吸收熱量后的空氣變為“冷氣”。

2 熱泵的優勢

空氣源熱泵熱水器具有高效節能的特點，其耗電量是同等容量電熱水器的1／4，是燃氣熱水器的1／3。以每天產1t溫升50℃（水溫從15℃升至65℃）的熱水計，需要用電50kW·h左右，然而對于同樣利用電能的熱泵來說，在常溫下，可以輕松實現75%的節能效果。

它采用空氣源熱泵原理，每消耗1份電量的同時從空氣中吸收4份熱量，能效比最高可達5.5，為用戶節省一半到四分之三的電費；無需燃料，避免泄露、爆炸的危險；采用冷媒進行熱交換，區別于電加熱，真正實現水電分離，堪稱最安全的熱水器；與太陽能熱水器不同，它可以24h×365天不間斷運行，不受夜晚陰雨等任何環境的影響，持續提供舒適的熱水；主機可實現全自動智能控制，水溫過低自動加熱，嚴寒條件自動化霜，做到真正的無人值守，方便舒適。

3 民用熱泵熱水項目設計方案

目前熱泵市場每年都在成倍增長，發展勢頭相當迅猛。在歐美大多數發達國家，如澳大利亞、英國、法國、德國以及北歐南歐的一些國家，熱泵產品已經進入了大多數家庭，從20世紀 70 年代生產出家用空氣源熱泵產品至今，有的產品已正常運行了十幾年，其性能得到用戶的高度評價。20世紀80年代來，中國熱泵在各種場合的應用研究有了許多發展，在京津地區應用實踐。這種設備同時對于我國能源使用效率不高、分配不均勻的現狀也提出了一個有效的解決方法。中國政府已將熱泵技術定為重點推廣的環保、節能新技術。

3.1 應用背景

隨著人民物質生活水平的提高，以及國家能源的緊缺和節能環保政策的出臺，熱泵熱水器已越來越受到人們青睞。目前空氣源熱泵產品主要應用于各類民用工程，如連鎖或商務酒店、美容美發沙龍、大型娛樂中心、工廠職工、學校浴室、桑拿、足浴、洗浴中心、游泳池以及高檔小區的供熱水和采暖。

許多企業都碰到用什么設備制造熱水的難題，用柴油鍋爐制造熱水能耗大，而且消防手續復雜，需要空間安置鍋爐、油坦克，需專人負責還要年檢；用燃氣鍋爐光接管就幾十萬元。如今采用逆卡諾循環原理的空氣源熱泵熱水機組，解決了長期用鍋爐制造熱水能耗大、有危險的矛盾。空調、鍋爐用多了都會產生城市“熱島效應”，然而熱泵卻不同，它在吸熱制造熱水的同時，還能帶來清涼的空氣，可謂“一舉兩得”。

下面以某工程設計為例。

3.2 設計依據

1. 建設單位提供的原設計圖和建設單位要求

2《.采暖通風與空氣調節設計規范》（GBJ19-87）

3.《通風與空調工程施工及驗收規范》（GB50243-2002）

4.《通風與空調工程質量檢驗評定標準》（GBJ304-88）

5.《簡明空氣調節設計手冊》（中國建筑工業出版社）

6《.采暖空調制冷手冊》（機械工業出版社）

7《.建筑給水排水設計規范》（GB50015-2003熱水用水定額，如表1所示）

8《.給水排水施工規范》

9《.給水排水設計手冊》

10.《建筑給水排水及采暖工程施工質量驗收規范》

表1 GB50015－2003熱水用水定額

3.3 其他設計參數

表2 室外設計參數

表3 冷水進水溫度

3.4 設計說明

（1）設計思路

在滿足設計要求的前提下，結合實際使用需求，充分發揮各種型式產品的性能特點，使熱水系統的性能價格比及運行達到最合理化，且盡量降低設備初投資與運行費用，并有利于以后的日常設備管理和維修。根據工程要求并結合產品性能特點對系統進行系統設計。

（2）保溫水箱容量及機組的確定

將1t的水從自來水補水溫度（15℃）加熱至熱水供水溫度（55℃）所需熱量q=Cm△t＝4.187×1000×（55-15）=167480kJ，其中C=4.187kJ/kg·℃ (注：單位質量的某種物質溫度上升或者降低1℃所吸收或者釋放的熱量叫做該物質的比熱容，簡稱比熱，用字母C來表示)。使用空氣源熱泵熱水機組，熱水用的越多越能體現節能特性。職工浴室淋浴房設有24個淋浴噴頭,每個淋浴頭流量12L/min，浴室開放3h，極限用熱水量為:Q=120×24×80=51840L，考慮混合水系統設置，可滿足500人洗浴用熱水，故水箱選擇50t。

商用型機組一天的最佳工作時間為12h，以每天產50t溫升40℃（從15℃～55℃的冬季工況）熱水計， 4.5kW空氣源熱泵熱水器產水量為410L/h，則4.5kW主機臺數=熱水總用水量(m3/h)/（機組熱水產量(m3/h)×12h）=50 000/（410×12）≈10臺

（3）采用循環式制熱，可以滿足熱水供應

（4）水系統流程控制說明

主機為10臺4.5kW熱泵熱水機組, 系統設計末端供水采用循環式供水，當管路內水溫低于設定溫度時，管路中感溫頭傳送信號，增壓水泵及回水管上的電磁閥打開，機組及循環水泵開始運行加熱，這樣可以保證使用熱水末端隨時都可以用到熱水；系統補水和風冷冷熱水模塊機組補水使用同一個補水箱，水箱內水位開關傳送信號，補水管上的電磁閥打開進行補水。

（5）熱泵熱水機組系統控制

熱泵系統按照設定工作時段和設定供水溫度要求自動工作，在設定工作時段內，循環加熱水水泵啟動，熱泵機組同時工作，水箱內的水通過熱泵機組被循環加熱，水箱內的水逐步被加熱，當達到設定溫度時系統停止工作。當水箱內的水低于設定溫度時，系統重新自動啟動工作使水箱內的水保持在設定的溫度范圍內。并且熱泵系統也可根據實際用水量大小設定和調整供水時間、溫度、控制水位等參數，達到最大限度滿足用水又節約用水的目的。

空氣源熱泵系統控制器適用于單壓縮機（單相/三相），風冷，直出水式或循環水式熱泵熱水機組。控制器由主板，室內操作線控器，恒溫器(選配件)組成。具有性能穩定可靠、功能先進、用戶設置靈活、外型美觀、保護功能齊全等特點(根據需要一套控制器既可做普通循環式,又可做直出水加上循環式)。

圖3 系統的控制面板

控制器操作面板采用電容式感應觸摸按鍵，具有操作靈敏度高、抗干擾能力強、無限次操作、外型美觀、防塵防水等優點。

4 施工及調試要求

4.1 安裝注意事項

（1）主機水管連接處的鈑金經過特別設計，在安裝時可將水管附近的內部支撐鈑金去掉，即可獲得大量的安裝空間。

（2）管道安裝過程中應保持管道內壁的干凈，避免雜物進入管道中。

（3）安裝水箱的時候應考慮基礎的承重能力，不宜采用過大的水箱。

（4）大型熱水工程系統，如果有必要時進行選型安裝膨脹水箱。

4.2 調試注意事項

（1）先檢查機組參數設置情況，根據當地的使用條件可適當調整參數設置；

（2）檢查電動閥的靈活度，避免因為安裝不規范或者異物卡住電動閥；

（3）檢查各個部件的安裝情況，確認系統的保護設置能正常；

（4）系統運行前，需先將管道內的空氣排出。

5 節能效果比較

以每天產50溫升40℃（從15～55℃的冬季工況）熱水計，將1t水從自來水補水溫度（15℃）加熱至熱水供水溫度（55℃）所需熱量q=Cm△t＝4.187×1000×（55-15）=1.67×105kJ，其中C=4.187kJ/kg·℃ (注：單位質量的某種物質溫度上升或者降低1℃所吸收或者釋放的熱量叫做該物質的比熱容，簡稱比熱，用字母C來表示)。

表4 利用不同加熱設備加熱50噸熱水的費用比較

表4所列空氣源熱泵的效率按照均值3.5計算，在實際使用中能效比會隨環境溫度變化而變化，最高可超過5.5。同樣加熱50t水，與電熱水器相比較，空氣源熱泵機組一整年（365天）共節約623 602kW·h，相當于減少排放252t標準煤。目前，上海財政將合同能源管理項目支持由原來的每節約1t標準煤獎勵300元提高至500元。使用空氣源熱泵中央熱水機組，不僅省下電費，更有國家補貼。圖4為該項目現場。

圖4 項目現場