空氣源熱泵熱水系統(tǒng)的改進(jìn)及節(jié)能分析

張靖，胡翀赫，梁星宇，曹祥,2，王喜春，張春路*

（1-同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院，上海 201804；2-同濟(jì)大學(xué)機(jī)械工程博士后流動(dòng)站；3-上海延華智能科技（集團(tuán)）股份有限公司；4-上海東方延華節(jié)能技術(shù)服務(wù)股份有限公司，上海 200060）

0 引言

目前，大中型建筑（如辦公樓、醫(yī)院和宿舍樓等）常使用集中式加熱分區(qū)系統(tǒng)提供生活熱水[1-3]。該系統(tǒng)以某建筑或者某片區(qū)建筑為單位，以中大型蓄熱水箱為主，形成中央熱水供應(yīng)站。通過(guò)網(wǎng)狀式布局的熱水管道將熱水送至各分區(qū)，再由各分區(qū)的輸配管路將熱水送至各配水點(diǎn)[4]。隨著近年來(lái)人們對(duì)節(jié)能環(huán)保的重視，空氣源熱泵因其對(duì)環(huán)境友好、效率高等特點(diǎn)成為熱水系統(tǒng)熱源的可靠選擇[5-9]。

根據(jù)加熱過(guò)程中機(jī)組冷凝溫度是否發(fā)生變化，熱水系統(tǒng)可分為即刻加熱式和循環(huán)加熱式[10-11]。現(xiàn)有循環(huán)加熱熱水系統(tǒng)通常存在以下問(wèn)題：1）熱泵制取的高溫?zé)崴⒛┒斯芫W(wǎng)的中溫回水、補(bǔ)水管道的低溫冷水統(tǒng)一送入熱水水箱中，存在混水損失[12]；2）多臺(tái)熱泵主機(jī)和集熱水泵使用同一控制器，只能整體開(kāi)停，不利于部分負(fù)荷下機(jī)組控制，開(kāi)停損失大；3）為抵御混水溫降、避免頻繁啟停，熱泵主機(jī)供給更高的水溫來(lái)應(yīng)對(duì)末端供水，提高機(jī)組平均冷凝溫度，降低了熱泵主機(jī)的平均能效。

針對(duì)上述問(wèn)題，張后雷等[12-13]研制了一種往復(fù)流動(dòng)加熱雙水箱熱泵熱水器，可以減少冷熱水混合的損失，但該試驗(yàn)系統(tǒng)機(jī)構(gòu)較為復(fù)雜，系統(tǒng)魯棒性有待進(jìn)一步驗(yàn)證。鹿琳等[14]設(shè)計(jì)了一種由加熱水箱和儲(chǔ)水水箱構(gòu)成的熱泵熱水系統(tǒng)，該系統(tǒng)不僅減少了混水損失，還在一定程度上降低了機(jī)組工作的冷凝溫度。BANISTER等[15]研究了一種太陽(yáng)能輔助熱泵雙水箱系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)表明該系統(tǒng)具有十分好的節(jié)能性，適于中大型住宅或區(qū)域使用。江軼政等[16]設(shè)計(jì)了一種并聯(lián)冷凝式空氣源熱泵熱水系統(tǒng)，通過(guò)分級(jí)加熱方式分散冷凝器總換熱量、降低冷凝器進(jìn)出口水溫差。孫鵬等[17]對(duì)一種兩級(jí)冷凝熱泵熱水系統(tǒng)進(jìn)行建模優(yōu)化，探討了冷凝器換熱管的配比。

本文針對(duì)某大廈空氣源熱泵熱水系統(tǒng)，利用實(shí)地測(cè)驗(yàn)對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行建模仿真，并提出改造建議。設(shè)計(jì)了一種雙溫水箱結(jié)合梯級(jí)加熱、部分開(kāi)停的空氣源熱泵熱水系統(tǒng)，具有良好的節(jié)能潛力。

1 系統(tǒng)方案

以某大廈為例，其空氣源熱泵熱水系統(tǒng)原理如圖1所示。該空氣源熱泵熱水系統(tǒng)中只設(shè)有熱水箱（出于檢修和清洗的目的，一般系統(tǒng)中設(shè)有兩個(gè)熱水箱，但管路和閥門(mén)設(shè)置相同，相當(dāng)于一個(gè)大熱水箱），自來(lái)水補(bǔ)水和末端回水送入熱水箱中和原有的熱水摻混，空氣源熱泵主機(jī)加熱熱水水箱，使水箱中的水保持高溫，末端管網(wǎng)從熱水水箱中取用熱水，送至各配水點(diǎn)。其中空氣源熱泵機(jī)組群和水泵使用同一控制器，只能整體開(kāi)停。

圖1 某大廈原有熱泵熱水系統(tǒng)原理

本文提出的雙溫水箱+梯級(jí)加熱+部分開(kāi)停的空氣源熱泵熱水系統(tǒng)原理如圖2所示。新系統(tǒng)中設(shè)有熱水箱和溫水箱，末端回水和冷水補(bǔ)水首先進(jìn)入溫水箱混合，然后經(jīng)過(guò)空氣源熱泵機(jī)組加熱至供水溫度送入熱水箱，末端用戶從熱水箱中抽水使用，構(gòu)成水箱-用戶以及熱泵-水箱的二級(jí)循環(huán)。空氣源熱泵機(jī)組采用梯級(jí)加熱方案，回水經(jīng)歷一級(jí)加熱并聯(lián)熱泵機(jī)組升至中溫，再經(jīng)歷二級(jí)并聯(lián)熱泵機(jī)組加熱升至高溫，達(dá)到供水溫度。熱泵機(jī)組工作時(shí)，對(duì)應(yīng)梯級(jí)加熱方案中的機(jī)組分組，采用“半開(kāi)-全開(kāi)”式策略，應(yīng)對(duì)不同末端負(fù)荷。

圖2 新方案空熱水系統(tǒng)原理

和原有空氣源熱泵熱水系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)方案有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：

1）減少混水損失，避免了傳統(tǒng)熱水系統(tǒng)冷水補(bǔ)水直接和熱水供水直接混合的問(wèn)題，不僅降低了混水損失，還保證了補(bǔ)水階段熱水系統(tǒng)的熱水供應(yīng)；

2）降低熱泵冷凝溫度，避免了高溫供水和中溫回水以及低溫補(bǔ)水的混合，熱泵不再需要以原有的供水溫度供水，降低了熱泵供水溫度；新方案供回水溫度更低、機(jī)組冷凝溫度也更低，提升能效；

3）提升機(jī)群能效，采用雙溫水箱方案之后，熱泵進(jìn)水溫度較低，熱水加熱溫差較大，宜采用梯級(jí)加熱方案加熱。熱泵的能效主要與出水溫度相關(guān)，引入梯級(jí)加熱，可降低第一級(jí)熱泵的出水溫度，降低冷凝壓力，從而進(jìn)一步提升系統(tǒng)整體能效[18]；

4）減少開(kāi)停損失，傳統(tǒng)空氣源熱泵熱水系統(tǒng)多采用整體開(kāi)停的方案，當(dāng)機(jī)組處于部分負(fù)荷時(shí)，開(kāi)停損失嚴(yán)重。本方案引入“半開(kāi)-全開(kāi)”的分組開(kāi)機(jī)策略，可以降低由于整體開(kāi)停帶來(lái)的系統(tǒng)損失。

2 系統(tǒng)仿真模型及驗(yàn)證

以某大廈空氣源熱泵熱水系統(tǒng)為實(shí)際工程背景，搭建了熱泵系統(tǒng)的模型[19-20]。

為了驗(yàn)證仿真模型的精度，對(duì)單臺(tái)熱泵機(jī)組進(jìn)行實(shí)地測(cè)試。測(cè)試時(shí)室外環(huán)境干球溫度24.7 ℃，相對(duì)濕度55.3%，風(fēng)機(jī)風(fēng)量14,700 m3/h，熱水供回水溫度為42.1 ℃和50.2 ℃。仿真和測(cè)試結(jié)果對(duì)比如表1所示。

表1 仿真模型誤差

3 性能分析

利用驗(yàn)證后的熱水系統(tǒng)仿真模型分別對(duì)原有空氣源熱泵熱水系統(tǒng)以及雙溫水箱+梯級(jí)加熱+部分開(kāi)停系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算。為分析不同措施對(duì)應(yīng)的節(jié)能效果，本節(jié)將分步研究不同末端用水比例以及不同環(huán)境溫度下，兩種方案的差異。其中，用水比例指的是指向末端供應(yīng)的循環(huán)水中，被實(shí)際用掉的水量占總循環(huán)水量的百分比。

3.1 雙溫水箱

雙溫水箱避免了冷水補(bǔ)水、中溫回水和高溫供水的直接混合，可避免混水損失。同時(shí)，由于此方案降低了機(jī)組供水和出水溫度，可以降低空氣源熱泵機(jī)組的冷凝溫度，從而提升機(jī)組能效。

如圖3和圖4所示，使用變頻水泵的冷熱水箱方案，不同工況下的熱泵機(jī)組節(jié)能量可達(dá)約10%～12%，供熱能力可提升2%～5%。

圖3 雙溫水箱方案熱泵COP提升

圖4 雙溫水箱方案系統(tǒng)制熱能力提升

3.2 梯級(jí)加熱

使用雙溫水箱方案之后，熱泵機(jī)組的供回水溫差比原系統(tǒng)更大，可以利用梯級(jí)加熱達(dá)到很好的制熱效果。如圖5所示，當(dāng)末端用水比例較高時(shí)，梯級(jí)加熱方案節(jié)能潛力較大，可將熱泵機(jī)組節(jié)能量進(jìn)一步提升至約15%～17%。

圖5 梯級(jí)加熱方案熱泵COP提升

3.3 部分開(kāi)停

查閱該大廈過(guò)往電力記錄，對(duì)該系統(tǒng)的生活熱水負(fù)荷進(jìn)行初步估計(jì)，結(jié)合熱泵機(jī)組在不同環(huán)境溫度下的制熱量，對(duì)熱水系統(tǒng)進(jìn)行綜合分析。圖6所示為熱水系統(tǒng)在不同環(huán)境溫度對(duì)應(yīng)的熱泵機(jī)組最小開(kāi)機(jī)臺(tái)數(shù)。結(jié)合工程所在地上海的年氣象參數(shù)，給出如圖7所示的最小開(kāi)機(jī)臺(tái)數(shù)出現(xiàn)時(shí)間占比。

圖6 不同環(huán)境溫度下機(jī)組最小開(kāi)機(jī)臺(tái)數(shù)

圖7 最小開(kāi)機(jī)臺(tái)數(shù)出現(xiàn)時(shí)間占比

大部分情況下，部分機(jī)組開(kāi)啟即可滿足供熱需求；全年工況中，最小開(kāi)機(jī)臺(tái)數(shù)為2臺(tái)對(duì)應(yīng)的溫度時(shí)長(zhǎng)最長(zhǎng)，占比達(dá)59%。結(jié)合梯級(jí)加熱方案，本系統(tǒng)采取“半開(kāi)-全開(kāi)”策略。該策略可以節(jié)省機(jī)組的開(kāi)停損失，進(jìn)一步提升機(jī)組的能效。

4 結(jié)論

本文根據(jù)實(shí)際工程設(shè)計(jì)了一種雙溫水箱結(jié)合梯級(jí)加熱、部分開(kāi)停的空氣源熱泵熱水系統(tǒng)，建立仿真模型，對(duì)兩種方案進(jìn)行了對(duì)比分析，得出如下結(jié)論：

1）雙溫水箱方案可以避免熱水系統(tǒng)水箱冷熱混合的問(wèn)題，減少冷熱損失；同時(shí)降低熱泵冷凝溫度，提高機(jī)組能效；和單熱水箱方案相比，可節(jié)能約10%～12%，供熱能力可提升2%～5%；

2）梯級(jí)加熱方案可以在雙溫水箱方案上降低前一級(jí)機(jī)組冷凝溫度，進(jìn)一步提升能效，在用水比例高時(shí)對(duì)系統(tǒng)能效提升明顯，可達(dá)15%～17%；

3）部分開(kāi)停方案可以減少機(jī)組由于整體開(kāi)停帶來(lái)的開(kāi)停損失，更好應(yīng)對(duì)部分負(fù)荷下制熱要求。