直熱閉式承壓熱水系統應用與分析

張 勇

（珠海格力電器股份有限公司 珠海 519070）

前言

空氣源熱泵熱水機及系統因其節能、環保的獨特優勢，多年以來受到市場的青睞，被廣泛應用于國內外生活熱水等工程，其應用發展日趨成熟。

對于商用熱水工程，產品及工程系統也有著多樣化的發展[1,2]，其多樣化的進程是源于安裝位置限制、以及人們對于高品質熱水的追求，近年部分熱泵廠家針對此類需求，衍生了一些新的產品和工程形式，例如閉式承壓水箱熱水系統開始在市場上獲得應用的機會，特別是一些星級酒店、高級學校等場所的應用，主要針對冷熱水壓力均衡、閉式衛生無污染、保溫性能等方面進行改善和優化。

而市場上的閉式承壓系統多采用循環加熱的方式[3,4]，因直熱加熱閉式系統對于熱泵產品的設計、控制復雜程度更高，所以只有少數采用直熱加熱的方式[5]，而本文針對高級中學對于品質熱水的需求，考慮系統高峰供水的穩定性和節能性，研究設計一套直熱加熱承壓閉式熱水系統，并實地測試不同季節用水模型的供水情況和使用效果，為相關高品質熱水工程的系統設計和應用提供參考。

1 項目簡介與選型計算

1.1 項目簡介

高級中學位于華南地區，師生總人數650 人，需要對宿舍及辦公區域進行生活熱水的集中供應。

1.2 選型計算

設計溫度按照冬季最低室外環境溫度7 ℃設計，熱水定額100 L/人/天，冬季自來水溫度為10 ℃，需求熱水溫度為50 ℃。

根據建筑給水排水設計規范，查熱水用水小時變化系數3.28 ，用水高峰小時數4 h，日熱水用水時間24 h，計算得出設計小時耗水量為8.7 m3/h，工程總需熱量為3 286 kW；考慮水箱安裝在地下室，空間有限，水箱按最小容積量計算為24.6 m3。

為保障充足熱水供應，按最惡劣工況運行14 h 進行空氣源熱泵熱水機的選型，同時考慮到冷熱水供水壓力平衡的因素，選用閉式系統。最終工程具體選型如表1。

表1 工程選型

2 系統設計

本系統從實際用水場景作為出發點，充分考慮用戶使用過程中存在的多種用水模型，對常規直熱循環式空氣源熱水工程系統進行控制優化設計，實現系統穩定大量供水。同時結合直熱加熱系統自身的節能優勢，過冷度每提高1 ℃，COP 可以提升0.64 %[6]，最大程度的提升系統運行節能性，設計多數用水情景下實現直熱加熱的方式。

2.1 工程系統（見圖1）

圖1 工程系統簡圖

2.2 設計思路

本工程系統由8 臺空氣源熱泵作為熱源，機組并聯安裝，加熱水箱中的自來水。5 個閉式水箱依次串聯，如工程簡圖所示，從左至右依此為1～5 號水箱，熱水取水點位于2 號水箱上方，由5 號水箱底部補入冷水。除閉式系統可取消供水水泵之外，此工程系統具備回水功能，回水管補入5 號水箱中下部，可根據回水管網溫度及需求時間實現智能回水，圖中未體現。

高峰用水情景，由于大量熱水的供應，基于閉式系統進出平衡，同時會補入同等的冷水水量進入5 號水箱，此時5 號水箱上下溫度會快速低于直熱開啟水溫，熱泵機組快速開啟直熱加熱運行，從5 號水箱底部抽取冷水加熱至目標高溫熱水補入1 號水箱，源源不斷的供應高溫熱水。而1 號水箱作為加熱水箱，當其供應水溫過低不足以供應使用時，關閉5 號水箱與1 號之間的連通，停止從1 號水箱向外供應熱水。

平日低用水量情景，由于少量熱水的供應，5 號水箱補入的冷水水量較少，其上部溫度無明顯降低，機組不會開啟運行，可最大程度的避免機組頻繁啟停、降低運行能耗。但是一旦其上部溫度也低于直熱開啟水溫，則熱泵機組會開啟直熱加熱運行。

無用水情景，長時間不用水，各水箱溫度會出現溫降，根據2 號、3 號、4 號中間水箱溫度來判斷，是否需開啟熱泵進行循環加熱運行，確保快速供應熱水需求。

綜合各使用場景可實現快速、舒適熱水供應，冷熱水平衡保障、無供水水泵功耗等。為了獲取更大的工程COP，工程上采用變頻水泵，同時結合熱泵機組自身水流量的控制，可以實現10～50 ℃溫差直熱可控的方案，使工程實際過程多數開啟直熱運行，從而獲得較佳的節能效果。

3 實地應用與分析

3.1 熱泵機組及熱水水箱實地安裝照片（見圖2）

圖2 熱泵及水箱工程實景圖

集中熱水設計，熱泵主機安裝在露天平臺，閉式水箱安裝在地下室，熱水通過管網供給整個學校，實現熱水供應。同時，該工程安裝自來水表、熱水表、電表、能量表等對工程進行計量，采集相應數據用于工程節能運行分析。

3.2 系統使用效果分析

1）水箱溫度分布情況

在熱泵加熱或使用過程中，不同時段的水箱溫度分布曲線如圖3。由于水箱串聯布置，各水箱的溫度，總體呈現前高后低的逐步降低的趨勢。

圖3 水箱溫度分布

2）夏季放水模型分析

夏季環境溫度38 ℃，自來水溫度31 ℃，打開末端各宿舍的熱水龍頭，按純熱水放水模型測試。放水初期供水溫度40 ℃，熱泵在放水起始便滿足開機條件，開啟直熱加熱運行。

在整個放水過程中，2 個小時內的供水量達到24 噸，供水溫度由最初的40 ℃加熱到59 ℃，同時各個水箱的溫度逐步上升，前4 個水箱水溫都超過50 ℃。除末端熱水供應外，5 個水箱自身增加熱量達到520 kW，由此可見夏季使用，可以實現無限高溫熱水供應。

3）冬季放水模型分析

冬季環境溫度15 ℃，自來水溫度23 ℃，打開末端各宿舍的熱水龍頭，按純熱水放水模型測試。放水初期供水溫度53 ℃，放水21 min 時，熱泵滿足開機條件，開啟直熱加熱運行。

在整個放水過程中，1 個小時內的供水量達到20 t，較夏季放水速率高67 %，供水溫度由最初的53 ℃降低到45 ℃，同時各個水箱的溫度呈現大幅降低的趨勢，又以5 號水箱降溫最快。熱泵開機制取熱水、及水箱的儲熱兩部分熱量，確保冬季惡劣工況下放水1 h 純熱水量達20 t，滿足8.7 m3/h 的設計需求。即使在極限環境溫度7 ℃，相比環境溫度15 ℃，機組的能力衰減不超過15 %，也足夠滿足高峰用水需求。

圖4 夏季放水測試

圖5 冬季放水測試

4 結論

1）基于多水箱串聯的直熱閉式承壓熱水系統，減少了冷水對各水箱的沖擊，水箱溫度呈現階梯式分布，減小了水箱容積，并大幅提高了可用放水量。

2）夏季熱水需求量少的純熱水放水模型測試，熱泵可實現連續熱水供應；冬季熱水需求大幅增加的放水模型測試，熱水系統單小時熱水供應量滿足設計需求，余量充足，并根據熱泵制熱衰減量推測極端惡劣天氣下也足夠使用。

3）本文應用的直熱閉式承壓熱水系統，無額外供水泵耗功，且充分發揮直熱加熱運行節能的優勢，年平均系統能效比提升15 %，為直熱式空氣源熱泵在閉式系統的設計和應用提供借鑒和參考作用。