空氣源熱泵開水機(jī)的節(jié)能研究

□文/梁夢寬 邱社明 史維秀 于志超

飲用水的能耗在辦公樓和學(xué)校的能耗中占有較大的比例，傳統(tǒng)的鍋爐集中供飲用水方式已經(jīng)越來越多的被分散式飲水機(jī)所代替。飲水機(jī)方便、快捷，但熱損失較大，在建筑中按層設(shè)置開水機(jī)有利于集中供應(yīng)熱水，減少管道熱損耗[1～2]。集中式開水機(jī)目前常用電熱式，能源轉(zhuǎn)換效率高于90%，屬于常開型，設(shè)備散熱損失較大。在裝有加熱和冷卻系統(tǒng)的建筑中，空氣源熱泵技術(shù)已經(jīng)得到了很好地應(yīng)用[3～4]，尤其適合于單獨(dú)的區(qū)域建筑[5]?？諝庠礋岜脵C(jī)組通過輸入少量電能，從空氣中吸收熱量，產(chǎn)生幾倍于輸入電能的熱量，對于節(jié)能減排具有重要意義[6～7]，同時減少二氧化碳的排放[8]?？諝庠礋岜卯a(chǎn)生的50℃左右的熱水比較適合于洗浴[9～12]。本文從節(jié)能角度出發(fā)，研究空氣源熱泵應(yīng)用于開水機(jī)的可行性并提出優(yōu)化方案。

試驗系統(tǒng)及方法

試驗系統(tǒng)

飲水裝置由空氣源熱泵（額定制熱量為3 235 W）、電加熱器（4 kW）及控制器組成，試驗過程中安裝的測試儀表見圖1。

圖1 空氣源熱泵開水機(jī)試驗系統(tǒng)

為了模擬和改變環(huán)境溫度，系統(tǒng)置于恒溫室內(nèi)，室內(nèi)溫度和濕度由大型熱泵機(jī)組及送排風(fēng)系統(tǒng)控制。輔助電加熱采用瞬時加熱方式——電磁加熱器，保證邊取水邊加熱。

試驗方法

出于節(jié)能考慮，熱泵機(jī)組出水溫度、COP值越高越好，但兩者是矛盾的，機(jī)組出水溫度越高，COP值越低。試驗前對制冷劑進(jìn)行篩選，采用中高溫制冷劑ZHR02。首先優(yōu)化毛細(xì)管長度，保證機(jī)組本身的COP值最高。然后改變環(huán)境溫度，確定熱泵的最佳出水溫度，以保證裝置總的電耗量少。

試驗分析

毛細(xì)管長度的優(yōu)化

圖2 不同毛細(xì)管長度下水箱溫度隨時間的變化曲線

從圖2可以看出，毛細(xì)管長度為0.6 m和0.7 m時，熱泵機(jī)組升溫快、最高溫度可達(dá)到75℃左右且毛細(xì)管長度為0.6 m時的換熱效果稍好于0.7 m時。

圖3 不同毛細(xì)管長度下?lián)Q熱量與輸入電量之比隨時間的變化曲線

從圖3中可以看出，毛細(xì)管長度不同換熱量與輸入電量的比值也不同，其中長度為0.6 m時效果最好。綜合以上情況，確定試驗毛細(xì)管長度為0.6 m。

不同環(huán)境溫度下熱泵機(jī)組的運(yùn)行效果

水箱內(nèi)水的初始溫度為35℃，周圍環(huán)境溫度分別為10、20、30、40℃時，啟動熱泵機(jī)組為水箱加熱，水溫隨時間的變化曲線見圖4，換熱量與輸入電量之比的變化曲線見圖5。

圖4 不同環(huán)境溫度下水溫隨時間的變化曲線

從圖4可以看出，環(huán)境溫度越高，水箱溫度上升越快。當(dāng)環(huán)境溫度為20、30、40℃時，水箱的最高溫度可以達(dá)到75℃。而環(huán)境溫度為10℃時，水箱溫度只能達(dá)到65℃，說明水箱溫度與環(huán)境溫度的最大差值可達(dá)到55℃。

圖5 不同環(huán)境溫度下?lián)Q熱量與輸入電量之比隨水箱溫度的變化曲線

從圖5可以看出，環(huán)境溫度越高，系統(tǒng)的換熱量與輸入電量的比值越高。環(huán)境溫度為30℃和40℃時，將水加熱到70℃，系統(tǒng)換熱量與輸入電量之比約為1.7和1.76；而環(huán)境溫度為20℃時，該比值接近于1，已經(jīng)不節(jié)能。從這個角度考慮，冬季熱泵系統(tǒng)的出水溫度以55℃為宜，此時系統(tǒng)換熱量與輸入電量之比值為1.4，環(huán)境溫度為20、30、40℃時制取55℃熱水所對應(yīng)的熱電比分別約為2.2、3.0、3.2，制取65℃熱水所對應(yīng)的熱電比分別為1.6、2.3、2.8，節(jié)能效果明顯。

（2）通過3kW立磨機(jī)試驗知，在現(xiàn)有條件下，系統(tǒng)平臺較佳工況條件為：研磨介質(zhì)直徑7mm，介質(zhì)充填率30%左右，磨機(jī)轉(zhuǎn)速30Hz左右。

節(jié)能分析

以天津地區(qū)某高校5層教學(xué)樓為例，假設(shè)使用時間從8:00—22:00，22:00以后機(jī)組停機(jī)，用水量按照0.6 m3/（d·層）進(jìn)行計算，水箱容積為 120 L，電加熱器效率為96%。

采用電加熱器的耗電量

如果采用電加熱，則一天的耗電量為

式中：N——耗電量，kW·h；

△T——溫差，℃；

C——水的比熱，取4.19 kJ/（kg·K）；

ρ——水的密度，取1 000 kg/m3；

V——用水量，m3；

ε——由水箱散熱引起的熱量放大系數(shù)，按照經(jīng)驗數(shù)值取1.05；

η——電能轉(zhuǎn)化為熱能的轉(zhuǎn)換效率，取96%。

按照式（1）計算，如果用電直接將水加熱到100℃，整個教學(xué)樓的耗電量約為221.5 kW·h/d。

采用空氣源熱泵和輔助電加熱器的耗電量

假設(shè)早上熱泵機(jī)組開機(jī)時水溫為30℃，熱泵機(jī)組先將混水區(qū)中的水從30℃加熱到55℃，其他時間水溫45℃時開啟熱泵機(jī)組。

（1）熱泵機(jī)組的出水溫度為55℃

環(huán)境溫度為10℃時。水從30℃開始加熱時系統(tǒng)換熱量與輸入電量之比取平均值2.4，從45℃開始加熱時取1.7，總耗電量為196.75 kW·h/d，比普通電加熱節(jié)能11.2%。

環(huán)境溫度為20℃時。水從30℃開始加熱時系統(tǒng)換熱量與輸入電量之比取平均值3.3，從45℃開始加熱時取 2.4，總耗電量為189.63 kW·h/d，節(jié)能 14.4%。

環(huán)境溫度為30℃時。水從30℃開始加熱時系統(tǒng)換熱量與輸入電量之比取平均值4.0，從45℃開始加熱時取 3.3，總耗電量約為 185.32 kW·h/d，節(jié)能16.3%。

若每年約有30 d時間樓內(nèi)溫度為10℃左右，30 d左右的時間溫度為30℃，其余時間均在25℃左右，年綜合節(jié)能14.8%。

（2）環(huán)境溫度為10℃時熱泵機(jī)組的出水溫度為55℃，其他情況下出水溫度為65℃

環(huán)境溫度為20℃時。水從30℃開始加熱時系統(tǒng)換熱量與輸入電量之比取平均值3，從45℃開始加熱時取 2.2，總耗電量為 166.43 kW·h/d，節(jié)能 24.9%。

環(huán)境溫度為30℃。水從30℃開始加熱時系統(tǒng)換熱量與輸入電量之比取平均值3.6，從45℃開始加熱時取2.8，總耗電量約為159.71 kW·h/d，節(jié)能27.9%。

若每年約有30 d時間樓內(nèi)溫度為10℃左右，30 d左右的時間溫度為30℃，其余時間均在25℃左右，年綜合節(jié)能25.2%。

結(jié)論

（1）隨著環(huán)境溫度的升高，熱泵系統(tǒng)的換熱量與輸入電量的比值逐漸升高，說明熱泵型開水機(jī)在夏季運(yùn)行最為節(jié)能。

（2）對于熱水量為0.6 m3/d的熱水機(jī)組，若空氣源熱泵的出水溫度為55℃，對比電開水器，每年可節(jié)能15%左右。

（3）若按照季節(jié)控制熱泵機(jī)組出水溫度冬季55℃、其他季節(jié)65℃，則每年節(jié)能25%左右，效果顯著。

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