焦家寨礦空氣源熱泵加熱系統的應用

黨正偉(大同煤礦集團軒崗煤電公司，山西 忻州 034110)

1 主要研究的目的與意義

研究目標是空氣源熱泵能力是否能滿足職工澡堂洗浴的加熱需求。

研究內容：(1)職工澡堂所需供熱水量。(2)空氣源熱泵的機組運行工況。(3)空氣源熱泵機組參數。(4)空氣源熱泵溫度變工況參數。(5)設備功率。(6)熱負荷的計算。(7)空氣源熱泵機組的弊端及解決辦法。

通過以上探究內容來確定空氣源熱泵的供熱能力是否能滿足職工澡堂洗浴熱水的需求以及確定空氣源熱泵的選型方案。

2 空氣源熱泵技術的特點及優勢

空氣源熱泵是當今世界上最先進的產品之一，該產品以制冷劑為媒介，制冷劑吸收空氣中的能量，再經壓縮機壓縮制熱后，通過換熱裝將熱量傳遞給水，來制取熱水，熱水通過水循環系統送入儲存水箱，利用循環泵直接用于熱水供應。

這一產品具有的特點有： (1)寬廣的適用范圍，可在-35℃環溫時穩定制熱運行。(2)溫濕度智能除霜技術，達到國際領先水平。 (3)主輔路雙電子膨脹閥節流，精確控溫，運行更節能，達到國際先進水平。(4)遠程監控，無人值守。(5)環保冷媒，低碳節能。采用高效翅片換熱器及高效低噪聲軸流風機。(6)變頻控制，冬季可以根據自身運行情況進行逐臺除霜。綜合以上優點，我礦決定采用空氣源熱泵為澡堂提供洗浴熱水。

3 方案設計

(1)項目名稱：焦家寨礦空氣源熱泵加熱系統的應用

(2)項目需求概況：每天供1200 人洗澡，分三班，(早班：24:00-8:00，中班：8:00-16:00,晚班：16:00-24:00)，早班400 人，中班500 人，晚班300 人；留30 人余量，包括上級檢查及其他人員洗澡。泡池水容量：澡堂共計8 個池子，每個池子15 立方，需求溫度≤45℃；淋浴需求水量：每天需要20 噸水，熱水溫度≤50℃；每班需求最大水量140 噸計算，現有蓄熱水箱容積150m3可滿足熱水使用需求。

(3)設計要求：通過空氣源熱泵運行滿足全年制熱水洗浴的需求。

(4)熱負荷的計算：本設計方案中，要求利用空氣源熱泵機組將150m3蓄熱水箱冷水加熱至45℃以上，超低溫空氣源熱泵機組出水溫度最高可達60℃，因此完全滿足使用需求；

集中熱水供應系統的設計小時耗熱量計算如下：

式中：Qh為設計小時耗熱量(W)；qrt為設計小時熱水量(L/h)；C為水的比熱[J/(kg·℃)]，取C=4187J/(kg·℃)；ρ為水溫為trc時的熱水密度(kg/L)，可近似取ρ=1；trc為加熱設備出口熱水溫度(℃)；tL為冷水計算溫度(℃)。

現設計每小時加熱18.75 噸冷水(利用8 個小時加熱150m3冷水)，冷水溫度15 度，加熱到45 度，計算每小時耗熱量：

根據總熱負荷的需求量綜合考慮，采用貝萊特超低溫空氣源熱泵LSQWRF160M-GPHEA 型號的機組，單臺機組名義制熱量272kW，功率47.8kW(環境干球溫度7℃時制熱工況)，因考慮機組在低環溫情況下會產生制熱衰減，綜合考慮選用5 臺機組，當環境溫度高于-12℃時開啟2 臺機組即可，當環溫低于-12℃時需開啟全部機組滿負荷運行。

注明：LSQWRF160M-GPHEA 型號機組為高溫出水、超低溫運行機組，運行極限最低溫度為-30℃，出水最高溫度為65℃。

(5)機組運行工況：全年制取生活熱水時，主機需采用超低溫、高溫出水模塊式空氣能熱泵機組，型號為LSQWRF160MGPHEA。

此設備在實際運行中，實測數據為：單機組平均制熱量272kW，最低制熱使用環境極限溫度-30℃左右。設定室外溫度在35℃至-12℃區間，出水溫度達到45℃的條件下，單機組出水量約為：7.79 噸/小時。

當環境溫度在-12℃至-20℃區間時，主機制熱能力會產生相對應的衰減，根據實際檢測數據，估算制熱功率會衰減至60% (即：制熱量約為：163kW)。則單機組55℃出水量約為：4.67 噸/小時。

當環境溫度在-20℃至-30℃區間時，主機制熱能力會產生相對應的衰減，根據實際檢測數據，估算制熱功率會衰減至50% (即：制熱量約為：136kW)。則單機組55℃出水量約為：3.89 噸/小時。

當環境溫度到達-30℃及以下時，主機制熱能力幾乎喪失，只能依靠電輔助設備進行當前水溫狀況保溫。

(6)設備功率

①設備機組共計5 臺，滿負荷制熱量為：1360kW(環境干球溫度7℃時制熱工況)，設備機組總功率為：382.4kW。

②外網設備：兩臺制熱系統循環水泵，一用一備，單臺循環泵的功率為：22kW。

③本工程內所有設備滿負荷運行時總功率為：404.4kW。

4 空氣能熱水中心機組工作原理

空氣能源熱泵熱水機組可吸收空氣中的熱量，以制冷劑為媒介，通過制冷劑狀態、溫度的變化和壓縮機壓縮制取熱量，通過換熱裝置將熱量傳遞給水，使水的溫度升高，升高溫度的水通過水循環系統送入蓄水水箱，再根據需用由循環泵向用戶輸送熱水供應。

注：能源價格：民用電費：0.67 元/度。商用電費：0.90 元/度。煤：400 元/噸。設在相同條件下1000kg 生活用水進行加熱，水溫從15℃升至55℃ ，升高40℃，加熱熱水所需熱量：1000kg× 40℃×1Kcal/kg·℃＝40000KcaI。

從以上可以看出：空氣源熱泵熱水器相對于太陽能熱水器有無運行費用、不受天氣運行的優勢；相對于燃煤鍋爐，更有環保、安全可靠的優勢。因此，空氣源熱泵不僅能夠節能減排、保護環境，更能夠為企業帶來可觀的經濟效益。

5 各種熱水器相關性能比較及經濟社會效益

見表1。

注：能源價格：民用電費：0.67 元/度。商用電費：0.90 元/度。煤：400 元/噸。設在相同條件下1000kg 生活用水進行加熱，水溫從15℃升至55℃ ，升高40℃，加熱熱水所需熱量：1000kg× 40℃×1Kcal/kg·℃＝40000KcaI。

從表1 可以看出：空氣源熱泵熱水器相對于太陽能熱水器有無運行費用、不受天氣運行的優勢；相對于燃煤鍋爐，更有環保、安全可靠的優勢。因此，空氣源熱泵不僅能夠節能減排、保護環境，更能夠為企業帶來可觀的經濟效益。

表1 加熱1000kg熱水費用對比(溫升40°C)

圖1

6 空氣能熱泵供熱系統原理圖

自空氣能熱泵熱水系統在焦家寨礦安裝調試使用后，供熱水系統運行正常，停用了工業廣場20T 燃煤鍋爐，可以節約燃煤量每月3000 噸。鍋爐房附近煤場進行了徹底清理整治，鍋爐房周圍環境得到了明顯改善，排污減小，工業場區面貌有了較大的改觀。空氣能熱泵熱水系統的使用，在集團公司內部具有積極的推廣意義，必將在今后的生產實踐中體現其良好的價值，見圖1。