重慶地區(qū)空氣源熱泵熱水系統(tǒng)T1取值的優(yōu)化分析

王 剛 譚宏禮 張 瑜

(中煤科工集團(tuán)重慶設(shè)計研究院有限公司，重慶 400016)

重慶地區(qū)空氣源熱泵熱水系統(tǒng)T1取值的優(yōu)化分析

王 剛 譚宏禮 張 瑜

(中煤科工集團(tuán)重慶設(shè)計研究院有限公司，重慶 400016)

基于重慶月平均氣溫的分布特征，對空氣源熱泵熱水機(jī)組T1的取值進(jìn)行優(yōu)化分析，得出16 h是重慶地區(qū)T1的最佳取值的結(jié)論，對給排水設(shè)計人員T1的選取具有一定的參考意義。

空氣源熱泵熱水機(jī)組，設(shè)計工作時間，優(yōu)化

0 引言

目前我國節(jié)能減排任務(wù)艱巨，建筑能耗占總能耗的27%以上，而且還在以每年1個百分點的速度增加。利用可再生能源(如水、空氣、太陽能)替代傳統(tǒng)熱源制備生活熱水，是降低建筑能耗的重要途徑?？諝庠礋岜脽崴夹g(shù)在重慶地區(qū)的應(yīng)用日趨廣泛，GB 50015—2003建筑給排水設(shè)計規(guī)范(2009年版)[1]5.4.2B中規(guī)定：T1為熱泵機(jī)組設(shè)計工作時間(h/d)取值為12 h～20 h。由于設(shè)計人在熱泵機(jī)組制熱量計算過程中，T1的取值比較隨意,導(dǎo)致同等設(shè)計小時耗熱量所需的設(shè)計小時供熱量差值很大，直接影響實際熱水使用效果和投資成本。

本文針對重慶地區(qū)的氣溫特征，對T1的取值進(jìn)行優(yōu)化分析，在保證最冷月滿足供熱量情況下，減小投資成本，尋求功能與效益的平衡點。

1 重慶地區(qū)全年氣溫分析

重慶市年平均氣溫17.5 ℃，冬季7.9 ℃，夏季26.4 ℃，春、秋季分別為17.4 ℃，18.2 ℃(由重慶市氣候中心提供)。重慶氣候非常適宜空氣源熱泵技術(shù)，冬季有超過80%的時間熱泵機(jī)組處于干冷及結(jié)露的工況，可以忽略結(jié)霜或低溫運(yùn)行對機(jī)組的影響[2]。

根據(jù)《中國建筑熱環(huán)境分析專用氣象數(shù)據(jù)集》[3]，重慶地區(qū)全年逐月平均氣溫統(tǒng)計如圖1所示。

由圖1可知，重慶氣溫具有明顯的季節(jié)性，5月份～9月份平均氣溫均大于20 ℃，8月平均氣溫最高，達(dá)到了28.4 ℃；3月份、4月份、10月份、11月份平均氣溫介于10 ℃～20 ℃之間，4月份、10月份平均氣溫接近20 ℃；12月份～2月份平均氣溫小于10 ℃，1月份平均氣溫最低，為7.8 ℃。

2 空氣源熱泵熱水系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)分析

2.1 空氣源熱泵的設(shè)計小時供熱量與機(jī)組設(shè)計工作時間的關(guān)系

空氣源熱泵的設(shè)計小時供熱量應(yīng)按下式計算：

(1)

其中，Qg為空氣源熱泵設(shè)計小時供熱量，kJ/h；qr為熱水用水定額，L/(床位·d)；m為用水計算單位數(shù)(人數(shù)或床位數(shù))；tr為熱水溫度，tr=60 ℃；t1為冷水溫度，重慶地區(qū)取值7 ℃；T1為熱泵機(jī)組設(shè)計工作時間，取12 h～20 h；C為水的比熱，C=4.187 kJ/(kg·℃)；ρr為熱水密度，取0.98 kg/L；k1為安全系數(shù)，k1=1.05～1.10，本文取1.10。

由式(1)可知，空氣源熱泵的設(shè)計小時供熱量與機(jī)組設(shè)計工作時間成反比。

2.2 空氣源熱泵的制熱系數(shù)與外界空氣溫度的關(guān)系

空氣源熱泵屬于第一類熱泵，即能用少量的高品位能源制取大量中高溫?zé)崮?。制熱系?shù)(Coefficient of Performance)是衡量熱泵制熱能源效率的指標(biāo)，為熱泵制熱量與熱泵耗能量之比，也叫能效比，常用COP表示[4]。

空氣源熱泵的能量轉(zhuǎn)換關(guān)系如圖2所示。

壓縮機(jī)的能量方程為(介質(zhì)穩(wěn)定流動且忽略部件散熱損失、進(jìn)出口動能差和位能差時)：

W1=m(h2-h1)

(2)

其中，W1為壓縮機(jī)輸入熱泵機(jī)組的功，W；m為工作介質(zhì)的質(zhì)量流量，kg/s；h1為工作介質(zhì)在進(jìn)口處的焓，J/kg；h2為工作介質(zhì)在出口處的焓，J/kg。

由式(2)可知，h2和m不變的情況下，h1值越小，W1值越大。而h1與外界空氣的溫度成正比。也就是說，在熱泵機(jī)組制熱量不變的情況下，外界環(huán)境溫度越低，壓縮機(jī)輸入熱泵機(jī)組的功越多，即COP值越小。

GB 21362—2008商業(yè)或工業(yè)用及類似用途的熱泵熱水機(jī)[5]的規(guī)定，普通型空氣源熱泵熱水機(jī)的試驗工況為：熱水側(cè)，初始水溫15 ℃，終止水溫55 ℃；空氣側(cè)，干球溫度20 ℃，濕球溫度15 ℃?？諝庠礋岜脽崴畽C(jī)也是按照試驗工況下的制熱量進(jìn)行選型，未考慮低于20 ℃時氣溫的影響。當(dāng)氣溫低于20 ℃，COP值會低于試驗工況下的COP值，相同額定功率熱水機(jī)的制熱量會減小。所以，T1取值時，需要考慮熱水機(jī)在氣溫低于20 ℃時的制熱量能否滿足耗熱量需求。

2.3 重慶地區(qū)COP值的確定

本文以市面某常見空氣源熱泵機(jī)組為例進(jìn)行研究，根據(jù)廠家提供的標(biāo)準(zhǔn)熱泵工程機(jī)組COP曲線如圖3所示，重慶地區(qū)每個月的COP取值見表1。

表1 重慶月平均溫度對應(yīng)的COP

月份123456789101112平均氣溫/℃7.89.513.618.422.325.128.128.423.618.614.09.30COP3.33.53.74.24.34.54.64.64.44.23.73.5

3 熱水機(jī)組設(shè)計工作時間(T1)的優(yōu)化分析

3.1 不同T1值下Qg的計算及分析

本文以賓館百張床位用水量為單位，對空氣源熱泵熱水系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)進(jìn)行分析。規(guī)范[1]中規(guī)定，熱水溫度按60 ℃計時，旅客最高日熱水定額為120 L～160 L,設(shè)計熱水量按不高于用水定額的下線取值。據(jù)此，結(jié)合重慶地區(qū)氣候條件，整體生活水平及生活習(xí)慣等因素取設(shè)計熱水量為140 L/(床位·d)，則百張床位每天熱水用量為14 000 L。

根據(jù)式(1)計算，T1取值由12 h～20 h，遞增值為1時，空氣源熱泵的設(shè)計小時供熱量Qg的值如圖4所示。由圖4可知，T1取值12 h時，Qg計算結(jié)果最大，為77.52 kW/h；T1取值20 h時，Qg計算結(jié)果最小，為46.51 kW/h；最大值是最小值的1.67倍。由此可見，T1的取值對空氣源熱泵機(jī)組的選型及一次性投入成本影響較大。T1取值越大，所需要選的空氣源熱泵機(jī)組越少，越節(jié)約成本。但由于重慶地區(qū)1月～4月、10月～12月份月平均氣溫均低于20 ℃，熱泵機(jī)組制熱量會小于額定值，所以，T1的最優(yōu)值，就是在滿足最不利氣溫條件下的制熱量的同時盡量減小Qg。

3.2 熱泵機(jī)組增壓機(jī)輸入功率的計算及分析

廠家提供的標(biāo)準(zhǔn)工程熱泵工程機(jī)組COP參數(shù)值為4.2，與重慶4月份、10月份的運(yùn)行工況吻合。由表2可知，由于重慶月平均氣溫差值較大，在T1值為定值時，賓館百張床位月平均所需的熱泵機(jī)組實際功率值成U字形分布。其中，7月份、8月份實際所需功率值最小，1月份實際所需功率值最大，2月份次之。4月份～10月份實際所需功率值均不大于選定熱泵機(jī)組熱的額定功率，占全年月份的58%，也就驗證了空氣源熱泵熱水機(jī)在重慶地區(qū)的適用性。

表2 標(biāo)準(zhǔn)熱泵機(jī)組不同T1值下的增壓機(jī)輸入功率的月變化表

規(guī)范[1]中規(guī)定的T1值最大為20 h，重慶地區(qū)熱泵機(jī)組選型，需要保證熱泵機(jī)組在最大設(shè)計工作時間下運(yùn)行的額定功率大于1月份實際需要所需功率。由表2可知，賓館百張床位，T1值取20 h時，最冷月1月份的實際需求功率為14.09 kW/h，當(dāng)T1值取16 h時，賓館百張床位熱泵機(jī)組選型額定功率為14.50 kW/h，滿足1月份的實際需求功率，即16 h是重慶地區(qū)T1的最佳取值。

4 結(jié)語

在滿足功能使用要求的前提下，盡量節(jié)約一次性投資成本和運(yùn)行成本也是節(jié)能建筑的重要體現(xiàn)。本文基于重慶月平均氣溫的分布特征，以賓館百張床位用水量為單位，對空氣源熱泵熱水機(jī)組T1的取值進(jìn)行優(yōu)化分析，得出16 h是重慶地區(qū)T1的最佳取值的結(jié)論。本文對給排水設(shè)計人員在設(shè)計重慶地區(qū)空氣源熱泵熱水系統(tǒng)時，T1取值的選取提供參考和指導(dǎo)的意義。同時，也對其他適用空氣源熱泵熱水系統(tǒng)的地區(qū)T1取值的選取起到一定的啟示作用。希望給排水設(shè)計人員在T1取值時，能針對不同地區(qū)的月平均氣溫的分布特征，進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化分析得出與當(dāng)?shù)貧鉁靥卣飨鄬?yīng)的T1最佳取值。

同時，重慶最冷平均月氣溫為7.8 ℃，根據(jù)規(guī)范[1]的規(guī)定，宜設(shè)置輔助熱源。本文是在不設(shè)輔助熱源的情況下得出的結(jié)論，也證明了，不設(shè)置輔助熱源，空氣源熱泵也能完全滿足實際使用要求。對于采用設(shè)置輔助熱源來減少空氣源熱泵熱水機(jī)組數(shù)量的方法是否比不設(shè)置輔助熱源更加節(jié)約一次性投資成本和運(yùn)行成本還有待進(jìn)一步驗證。

[1] GB 50015—2003,建筑給排水設(shè)計規(guī)范(2009年版)[S].

[2] 余麗霞,付祥釗.空氣源熱泵在長江流域的氣候適宜性研究[J].暖通空調(diào),2011,41(6)：96-99.

[3] 中國氣象局氣象信息中心氣象資料室.中國建筑熱環(huán)境分析專用氣象數(shù)據(jù)集[M].北京:中國計劃出版社,2009.

[4] 陳 東,謝繼紅.熱泵技術(shù)手冊[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2012.

[5] GB 21362—2008，商業(yè)或工業(yè)用及類似用途的熱泵熱水機(jī)[S].

Optimization analysis of air-source heat pump hot water unitT1value in Chongqing region

Wang Gang Tan Hongli Zhang Yu

(ChinaCoalScience&TechnologyGroupChongqingDesignAcademyCo.,Ltd,Chongqing400016,China)

Based on average temperature distribution features of Chongqing region, the paper carries out optimization analyzing of air-source heat pump hot water unitT1value, and concludes that: 16 h is the optimalT1value in Chongqing region, which has certain guiding meaning for drainage designers selectingT1value.

air-source heat pump hot water unit, design working time, optimization

1009-6825(2015)32-0117-03

2015-09-02

王 剛(1985- )，男，工程師； 譚宏禮(1976- )，女，高級工程師； 張 瑜(1986- )，男，工程師

TU833

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