空氣源熱泵熱水機組預熱方案的設計及研究

夏軍寶 姬莉莉 吳 偉 李婉清 龔 璞 王 勇

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空氣源熱泵熱水機組預熱方案的設計及研究

夏軍寶 姬莉莉 吳 偉 李婉清 龔 璞 王 勇

（重慶大學城市建設與環境工程學院 重慶 400045）

空氣源熱泵技術是一種利用可再生能源的高效節能技術。針對位于屋頂平臺的空氣源熱泵熱水機組，設計出一種基于光熱綜合利用技術的預熱系統。在屋面鋪設高吸收率蛇形盤管，使進水首先經過盤管系統，吸收太陽輻射及樓板屋面熱量，充分預熱后再進入熱泵機組，改善系統的綜合能效。在自建的實驗平臺上對進水溫度的變化進行了測試，并以CFD為基礎進行了理論計算，測試和計算結果表明，設計工況下預熱系統可將盤管出口水溫提升至少8℃，熱水機組節能率為20.08%，具備較大的應用前景。

熱泵熱水機組；預熱；太陽能；光熱綜合利用

0 引言

進入21世紀以來，隨著全球能源儲量日益減少、能源價格居高不下，節約用能已成為舉世矚目的重大課題。在我國，由于建筑業的持續發展，建筑耗能已占全國總能耗近30%，與工業耗能、交通耗能并列，成為我國能源消耗的三大“耗能大戶”[1]。其中，熱水供應占到建筑能耗的22%[2]，折算成電力消耗將是十分驚人的數字。因此，提高能源利用效率、減少生活熱水耗能已成為我國建筑節能工作一個不容忽視的重要組成部分。

空氣源熱泵（Air Source Heat Pump，簡稱ASHP）是以空氣為熱源、通過輸入少量的高品位能源（電能）將低品位空氣熱量提升到高品位的熱水中的裝置[3]，因其高效節能、安全可靠、適用性強、熱源豐富且易于獲取，獲得了社會的廣泛認可。由于體積和噪音的限制，空氣源熱泵熱水機組多安裝在頂層屋面上，而屋頂由于長時間受太陽直射，儲備了相當豐富的熱能資源，在夏季尤為明顯。以重慶地區為例，7、8月份的累年（1971-2000）平均日照時數達180 h/月，日照率40%以上，水平面太陽總輻射28MJ/(㎡·天)[4]。經實測，室外溫度為27℃時，屋面溫度可達60℃以上，樓板附近的空氣溫度近40℃。這些熱能積聚在屋頂未被利用，不但是極大的能源浪費，更會通過樓板對頂層房間傳熱，造成這些房間冷負荷較大，熱舒適度差，影響使用者的身體健康和勞動效率[5]。

因此，回收夏季屋頂熱能、提高空氣源熱泵熱水器的能源利用效率，對于建筑節能有著重大的意義。這些年來，國內外研究者在此方面做出了一系列研究。

20世紀50年代，Jordan和Threlkeld在研究中最早提出太陽能與熱泵聯合運行的思想[6]； 1968～1970年前蘇聯的Uzbek科學院和Tashkent科學研究所合作，對SAHP供熱系統進行了實驗研究，結果表明太陽能集熱器與熱泵聯合運行可以提高熱泵的COP和太陽能集熱器的性能[7]。在國內，李建新等人研究了相變儲熱預熱式熱泵熱水器系統性能，得出對水進行預熱具有顯著的節能效果[8]。上海交通大學的郭俊杰在其仿真數學模型中，得出初始水溫平均每升高5℃，空氣源熱泵熱水裝置的加熱時間平均縮短15分鐘左右[9]。陳雁等人以鄭州某高校新區辦公樓為例，模擬研究了空氣源熱泵-太陽能組合系統在寒冷地區的運行特性，得出該系統比空氣源熱泵系統經濟性好[10]。林康立通過實際工程項目說明太陽能與空氣源熱泵結合的熱水系統的節能效果明顯，且大大節省運行費用[11]。歐云峰等人介紹了?？谀彻こ讨锌諝庠礋岜?太陽能熱水系統的應用，分析比較后得出與電輔助加熱相比可節約75%的電能[12]。但國內外研究中廣泛采用的太陽能輔助空氣源熱泵系統投資較高，且未有效利用屋面樓板蓄存的熱能，其節能潛力并未得到充分的發掘。

基于以上研究及存在的問題，設計出一種基于光熱綜合利用技術的空氣源熱泵熱水機組預熱系統，采用增設進水預熱盤管的方式，在不增加額外能耗的情況下，綜合利用屋頂上包括太陽能、空氣熱、樓板熱在內的多種形式熱能，降低了頂層房間冷負荷的同時，大幅提高熱水機組的產能，節能效果顯著。

1 設計思路提出

如圖1所示，空氣源熱泵熱水機組預熱系統主體為鋪設在屋面的88m蛇形盤管，其一端連接市政自來水管網，使自來水首先經過盤管系統，接受太陽輻射能的同時，吸收頂層樓板的熱量，充分預熱后再進入熱泵機組，另一端連接空氣源熱泵熱水機組進水口。為增強盤管的采光強度，可沿管路下方鋪設V型反光板且采用黑色金屬管材。另外，為避免太陽輻射較弱或氣溫較低時，蛇形盤管帶來的壓力損失，設置旁通管與蛇形盤管并聯，實現運行工況的改變。

1.屋面；2.蛇形盤管；3.市政管網進水；4.熱水用戶；5.空氣源熱泵熱水機組；6.浮球閥；7.蓄水箱；8.電動閥-1；9.電動閥-3；10.電動閥-2；11.電動閥-4；12.電動閥-5

圖1 系統基本原理圖

Fig.1 The schematic diagram of preheating system

進水溫度提高使空氣源熱泵熱水機組能耗減少，結合實驗及模擬中氣象參數和溫升，可得到保證節能率時預熱系統基準運行條件，包括基準運行時間、基準室外干球溫度和基準進出口溫差Δ0。當處于基準運行時段，且溫度傳感器監測到空氣干球溫度高于基準溫度、進出口溫差Δ>Δ0時，打開電動閥1、2、4，使自來水預熱后進入機組；否則關閉電動閥1、2，打開電動閥3、4、5，使自來水經旁通管直接進入機組。

2 實驗平臺搭建

針對重慶市某高校的實際情況（屋面具有空氣源熱泵熱水系統），在學生宿舍屋面上搭建了實驗臺，并進行了實際測試。

2.1 管路布置及測點分布

為對比設計效果，進行了對比實驗。一路管道系統為設計預熱系統，另一路管道系統為直接供水系統。預熱系統為DN16蛇形盤管，長88m，用漆刷成黑色，直接進水管路為白色旁通管。實驗中所有管道均緊貼屋頂樓板放置，如圖2（a）所示。

如圖2（b）所示，設置1-11號共11個測溫點，其中1-7號測點設置于蛇形盤管的長管中心位置，8、9、11號測點分別設置于盤管出水口、進水口處及旁通管出水口處，10號測點置于距屋頂樓板0.1m的高度處測量空氣溫度。測溫點采用熱電偶線連接至巡檢儀。

（a）實驗管道布置

（b）測點分布圖

1-11.熱電偶測溫點（10點測量空氣溫度）；12.黑色蛇形盤管；13.白色旁通管；14.空氣源熱泵熱水機組；15.市政管網進水

圖2 實驗管道及測點分布圖

Fig.2 Layout of pipes and points for measuring temperature

2.2 實驗過程

為推算系統在一年內適合運行的日期，并確保各天中太陽輻射照度均有明顯區別，實驗選取不同天氣狀況進行多次實驗。同時為推算該裝置一天內適合運行的小時區間，實驗周期為10小時/天。

測量時，管道內保持穩定水流，每10s測量一次各測點溫度，每2min測一次管道上方0.1m處的風速，并在屋頂樓板下方的房間內用測溫槍每2min測量一次天花板溫度。

3 預熱系統數值分析

根據設計思路，建立盤管溫升的CFD模型，對設計實驗過程進行模擬，得出理論出水溫升，為實驗設計測試結果分析做理論基礎。

3.1 數學模型和邊界條件

假設管道內流體為不可壓縮流體，忽略重力的影響，所加熱量沿圓周方向均勻分布，流動充分發展。

數學模型：模型所需的控制方程主要有連續性方程、動量方程、能量方程及湍流模型方程，對于管內湍流流動，湍流模型一般采用–模型[13,14]，其控制方程如下：

方程：

邊界條件：管壁面空氣溫度取為40.25℃，進水溫度取為23℃，水流速度為0.4m/s，出口壓力取為101325Pa，管道中心處設為軸對稱邊界條件，天空輻射溫度為50.5℃，發射率0.9（與實驗條件一致）。

預熱管為PVC塑料管，其物性參數為：=1.4g/cm3，導熱系數=0.16W/(m·℃)，熱容比=1.2kJ/(kg·℃)，預熱段長度取為40m，外徑為16mm，內徑為13.2mm，管道內介質為水，外管壁空氣恒溫加熱條件。

3.2 CFD數值模擬

（1）網格劃分[15]

圖3 網格劃分圖

建立三維模型，采用六面體結構化網格，網格數量為15487917，在用FLUENT模擬時，采用雙精度求解器，算法采用基于交錯網格的SIMPLE算法，動量方程和能量方程采用二階離散化方法。

部分網格劃分如圖3所示。

網格質量均在0.7以上，說明網格劃分較為合理。

（2）數值模擬

采用殘差驗證收斂，殘差結果均小于10-4（能量方程殘差結果小于10-6），收斂性較好，結果圖如下。水流速度矢量圖，如圖4所示。

（a）出口速度矢量圖

（b）彎頭處速度矢量圖

圖4 水流速度矢量圖

Fig.4 The vector illustration of flow

水流速度矢量圖較好地展現了管內受迫湍流的流速分布以及拐彎處渦流的影響，體現了CFD模擬的合理性。水溫變化圖，如圖5所示。

（注：圖中縱坐標溫度為絕對溫度）

圖5 管徑16mm時水溫沿管長的變化

Fig.5 Distribution of water temperature along the pipes with 16mm diameter

由圖5計算結果可以看出，在給定邊界條件和管材的情況下，管道內水溫隨管長逐漸增大，在模擬區內出口水溫升高達4.1℃，升溫效果較為明顯。

4 結果分析

4.1 數據對照

在實驗的88m盤管中截取兩個與CFD模擬相同邊界條件（40m）及管材要求的工況（2015年4月28號與4月29號的13:20-14:20），其中測點1、2、3的平均溫度如圖6所示。

圖6 CFD模擬與實驗溫度對比

可以看出，實驗與CFD模擬中的溫度相差不到0.5℃，重合性較好，證明模型建立相對準確，可以為不同的外部參數設置進行不同條件的計算。實際測試中，實驗所得溫升大部分都大于模擬值，說明在實際應用過程中，該系統可以利用更多形式的光能和熱能，一定程度上體現了該系統的實用性。

4.2 實驗結果分析

4.2.1單日水溫變化分析

圖7為實驗4月28日（晴天，最高氣溫為29℃）的全天運行數據，可以看出，全天的自來水溫度及旁通管溫度變化較小，而盤管出水溫度則明顯高于前兩者，且隨時間有顯著變化，其規律基本與太陽輻射變化情況一致，并在12:00到16:00達到峰值，溫度在31℃以上，水溫提升8℃以上，屬于較理想的運行時段。

圖7 全天進出口水溫對比曲線圖

4.2.2節能率計算

選取4月20日13:21-14:19的實驗數據，如圖8所示。計算得一小時內白色旁通管出水溫度（即原系統運行時的熱泵進水溫度）平均值=21.992℃，蛇形盤管出水溫度（即盤管預熱后的熱泵進水溫度）平均值‘=31.222℃，環境溫度平均值t=35.251℃。

圖8 一小時內進出口水溫對比曲線圖

熱泵機組選型為美的空氣源熱泵RSJ-380/S- 820-C。根據、‘和t，由熱泵性能曲線（圖9）查得開啟預熱系統前后的產熱水量分別為=1.49t/h和‘=1.88t/h。

圖9 美的空氣源熱泵RSJ-380/S-820-C性能曲線

假定機組保持額定功率=9.1kW不變，原系統運行=1小時，制得的熱水量為1.49噸，耗電量kWh；開啟盤管預熱后，制取同樣質量的熱水，系統只需要運行=0.792小時，耗電量kWh，節約電能kWh。

4.2.3基準運行條件的確定

為確定系統自控裝置控制條件，需確定預熱系統基準運行條件。

結合實際工程中空氣源熱泵熱水機組的運行情況和太陽輻射變化情況，選取7:00-20:00為預熱系統的基準運行時段；同時，由于進水預熱情況受多種環境因素影響，需結合實驗數據來確定基準運行干球溫度，由圖可知，4月20日的日最高氣溫為25℃，在實驗日中溫度條件一般，但實驗大部分時間內溫差可達到8℃以上，預熱效果良好，故選取此溫度為基準運行溫度。基準運行溫差取為至少保證機組10%節能率時的盤管進出水口溫差，根據上述空氣源熱泵熱水機組性能曲線，可由節能率反推出不同環境溫度下盤管進出水口的溫差，如表1所示。

表1 10%節能率時盤管進出口溫差

由上表可知，不同環境溫度下為保證10%節能率的盤管進出口溫差均為3.0～4.0℃，則預熱系統運行基準溫差Δ0按最大溫差取為4.0℃。

因此，同時滿足處于基準運行時段、空氣干球溫度高于基準溫度、盤管進出口水溫差大于基準溫差Δ0這3個條件時，預熱系統運行能保證良好的節能效果，此時自控裝置控制預熱系統開啟運行。

由重慶典型年氣象數據，得出一年中運行時間段（7:00-20:00）里溫度高于基準溫度（25℃）的小時數’=1381h，占總運行小時數的27%，即空氣源熱泵熱水機組運行過程中有27%的時間可利用進水預熱系統來節約能耗，節能潛力較大。

4.2.4全年綜合分析

以一臺空氣源熱泵熱水機組為例，在其一年的運行時間中，落入基準運行時段（7:00-20:00）內的小時數=5110h。根據重慶典型年氣象數據，其中滿足預熱系統開啟條件，即溫度高于基準溫度（25℃）的小時數’=1381h，這意味著空氣源熱泵熱水機組運行過程中有相當一部分時間可利用進水預熱系統來節約能耗。

綜合考慮盤管及安裝費用（根據理論計算分析，水泵能耗增加量約為機組能耗減少量的0.5%，可忽略不計），每米盤管初裝費用=25元/m，三個溫控閥200元，則預熱系統增加的初投資=·+200=2450元；重慶地區第三檔（用電量≥4801kWh/年）電價=0.82元/kWh，由節能率可知預熱系統每小時節約電量Δ=1.8928kWh。綜合考慮陰雨天氣條件下滿足基準溫度但不滿足基準溫差、進水溫度不同導致機組COP變化等不利影響，取使用保證率為50%，得系統一年內節約運行成本=50%·’·Δ=1071.5元；故回收年限=/=2.3年，即安裝本系統兩年半后即可回收成本。

實際工程選取重慶某高校為計算對象，該校共計61棟學生公寓樓，每棟樓屋頂設有3臺RSJ-380/S-820-C美的空氣源熱泵熱水機組。根據前述計算，每臺機組的預熱系統運行一年的節電量為1307kWh。若這183臺熱水機組全部采用該系統，運行一年可節約電能23.9萬千瓦時，可以為近2000戶普通城鎮家庭（年用電量1200kWh/戶）提供一年的用電量，節省運行成本高達19.6萬元，換算后可節約標煤518.16t，二氧化碳減排量1279.86t，二氧化硫減排量10.36t，粉塵減排量5.18t，社會經濟效益與節能環保效益十分顯著。

5 結論

（1）基于光熱綜合利用技術的空氣源熱泵熱水機組預熱系統可有效利用清潔可再生能源——太陽能，且緊貼屋面布置的盤管能適度降低頂層房間冷負荷，實現太陽能、空氣熱、建筑余熱的綜合利用，同時提高機組產熱水能力，節能效果顯著。

（2）實驗及CFD模擬結果表明，88m、DN16的PVC管在設計工況下，預熱系統可將盤管出口水溫提升至少8℃，熱水機組節能率為20.08%，節能投資回收期僅兩年半，技術經濟性良好。

（3）在滿足基本運行條件的情況下，空氣源熱泵熱水機組運行過程中有27%的時間可利用進水預熱系統來節約能耗，節能潛力較大。

（4）預熱系統適用于建筑體量較大，屋面面積有空余，集中供熱水的場所，如酒店、工廠、洗浴中心、泳池等。在一天中氣溫較高，太陽輻射量較好時段運行系統，結合蓄水箱，可以獲得較好的節能效果。全年持續運行時，最適宜應用于全年氣溫高于25℃天數較多，光氣候分區為V區及以上的地區。隨著空氣源熱泵熱水技術在我國的推廣與應用，系統也將具備較大的應用前景。

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Design and Research of the Preheating Scheme in Air Source Heat Pump Hot Water Unit

Xia Junbao Ji Lili Wu Wei Li Wanqing Gong Pu Wang Yong

( Department of Urban Construction and Environment Engineering, Chongqing University, Chongqing, 400045 )

Air source heat pump (ASHP) is an efficient energy saving technology taking advantage of renewable energy. Aiming at the ASHP hot water unit located on the rooftop, a preheating system is designed on the basis of comprehensive photo-thermal utilization. The inlet water is made to flow through the coil tube laid on the roof, absorb solar radiation as well as the heat of top floor, and get preheated before entering the unit. In this way, the comprehensive energy efficiency of the system get improved. Experiments on the change of inlet water temperature were performed on a self-built platform, the results of which, along with the theoretical calculation based on CFD simulation, show that this scheme can raise the temperature of coil outlet water by at least 8℃ in the designed condition, reaching a high energy saving rate of 20.08%. With its advantages in energy saving, the preheating system has a certain application prospect.

heat pump hot water unit; preheat; solar energy; comprehensive photo-thermal utilization

1671-6612（2016）06-654-06

TK512+.4

A

“第八屆全國大學生節能減排社會實踐與科技競賽”項目（CQU-0827714）

夏軍寶（1993-），男，在讀本科生，E-mail：20125922@cqu.edu.cn

王 勇（1971-），男，博士，教授，博導，E-mail：cqwangyong@cqu.edu.cn

2015-08-01