直熱式空氣源熱泵熱水系統(tǒng)的應(yīng)用及優(yōu)化選型研究

李文旭

臨沂市大安安裝工程有限公司

直熱式空氣源熱泵熱水系統(tǒng)的應(yīng)用及優(yōu)化選型研究

李文旭

臨沂市大安安裝工程有限公司

隨著我國國民經(jīng)濟的向前發(fā)展，生活熱水的使用越來越普遍，其能量消耗也越來越大，降低建筑熱水能耗的行為意義重大?？諝庠礋岜脽崴畽C組是熱泵技術(shù)在熱水供應(yīng)方面的應(yīng)用，具有節(jié)能環(huán)保、安全衛(wèi)生等方面的優(yōu)勢，是一種值得大力推廣和開發(fā)研究的產(chǎn)品。直熱式空氣源熱泵熱水機組以自身快捷、高效特點在最近幾年得到飛速發(fā)展，正在努力替代循環(huán)式空氣源熱泵熱水機組。

直熱式空氣源；熱水機組；優(yōu)化

據(jù)有關(guān)文獻統(tǒng)計，我國的建筑能耗占全國能耗的近30%，并隨著生活水平的提高持續(xù)增加，其中熱水能耗占民用建筑能耗的20%～30%。從可持續(xù)發(fā)展的角度看，降低建筑熱水能耗是暖通行業(yè)的一個發(fā)展主題，因此，開發(fā)和利用可再生能源及用能裝置、提高能源利用效率等降低熱水能耗的活動勢在必行。

1 系統(tǒng)運行控制策略

某大學學生公寓11層共388間，入住人數(shù)為1552人，每間宿舍均設(shè)有獨立衛(wèi)生間。目前該棟公寓的生活熱水由直熱式空氣源熱泵熱水系統(tǒng)和燃氣熱水鍋爐共同供應(yīng)。根據(jù)日總用熱量選取5臺熱水機組，每小時的額定制熱總量為174kW。這5臺機組分為2組，共配備4臺冷水泵(2用2備)和臺熱水循環(huán)泵。生活熱水供應(yīng)系統(tǒng)選用2組變頻恒壓泵，每組2臺水泵(1用1備)，采用恒定供水壓力的變流量控制策略，以節(jié)約水泵能耗。直熱式空氣源熱泵熱水機組、保溫水箱及水泵擺放于屋頂，供水方式為上行下給式。

空氣源熱泵熱水機組的連接方式均為并聯(lián)，每個宿舍樓獨自的熱水系統(tǒng)中分別設(shè)置一臺熱泵機組為主機；在保溫水箱內(nèi)設(shè)置水位傳感器和溫度傳感器，分別檢測保溫水箱內(nèi)水位、水溫信號并且傳遞給主機，且水位控制優(yōu)先，系統(tǒng)流程如圖1所示。通過水位傳感器檢測水箱內(nèi)的水位，當實際水位低于設(shè)定水位時，熱泵機組及冷水增壓泵啟動，系統(tǒng)進入直熱加熱模式，將來自冷水箱內(nèi)的冷水直接加熱至設(shè)定溫度(取55℃)，直至水位補充至設(shè)定水位。水位控制器由四個水位浮子組成，水位分為4檔水位高度，機組進行直熱補水的條件為：設(shè)定水箱水位為4時，當水箱實際水位低于S2，冷水增壓泵和熱泵機組開啟進行直熱補水，直至水箱水位高于S1。設(shè)定水箱水位為3時，當水箱實際水位低于S3，冷水增壓泵和熱泵機組開啟進行直熱補水，直至水箱水位高于S2。設(shè)定水箱水位為2時，當水箱實際水位低于S4，冷水增壓泵和熱泵機組開啟進行直熱補水，直至水箱水位高于S3。對于實際設(shè)定值可以根據(jù)實際用水量需要進行設(shè)定。通過溫度傳感器檢測水箱內(nèi)的水溫，當水箱水溫低于設(shè)定溫度(取48℃)時，開啟熱水循環(huán)泵和機組進行循環(huán)加熱模式，直至水箱內(nèi)水溫達到設(shè)定溫度(取55℃)為止。

設(shè)定機組熱水出水溫度TS=55℃，循環(huán)加熱模式下限溫度TR=48℃，直熱補水水位為4格水位(即當保溫水箱內(nèi)水位低于4格水位時，熱泵機組和冷水泵開啟，系統(tǒng)進行直熱補水)。

對熱水增壓泵(熱水供水水泵)設(shè)置時控裝置，設(shè)置三個時段啟動：6：30～9：30、10：30～13：30、18：00～23：00，該時段內(nèi)熱水增壓泵啟動運行，輸配管網(wǎng)內(nèi)熱水和保溫水箱內(nèi)熱水進行循環(huán)流動，以保證熱水的使用溫度。(見圖1)

2 直熱式空氣源熱泵熱水系統(tǒng)最優(yōu)選型

2.1 設(shè)備選型步驟

對于集中式熱水系統(tǒng)必須設(shè)定保溫水箱進行蓄熱，以緩解高峰期用水量，對于有即時供熱能力的直熱式空氣源熱泵熱水系統(tǒng)而言，雖然機組可以即開即生產(chǎn)熱水，但是高峰期熱水消耗量遠大于機組制備速率，因此對于系統(tǒng)設(shè)備選型中首先解決問題是機組容量確定和保溫水箱大小的選取，然后進行水泵及附屬、輸配管網(wǎng)管徑的選取，而整個過程中機組容量和保溫水箱容積的確定是整個選型過程的關(guān)鍵。如出現(xiàn)設(shè)計容量偏小，會對實際使用造成極大的影響，尤

圖1 直熱式空氣源熱泵熱水系統(tǒng)工作流程圖

其冬季或用水高峰日，出現(xiàn)供水短缺狀況；如出現(xiàn)設(shè)計容量偏大，會增大系統(tǒng)的初投資。因此對系統(tǒng)的選型準確把握，使得系統(tǒng)的投資和運行效果達到最佳。

2.2 優(yōu)化方案的提出

在冬季，室外氣溫較低，冬季冷水溫度也處于全年最低值，使得冬季的機組熱負荷最大，而熱泵機組的制熱能力和機組能效比處于較低水平，因此機組工作時間最長。設(shè)計中以滿足冬季安全實用性為前提，對熱泵機組設(shè)計工作時間T1進行取值。在過渡季，室外氣溫處于中溫階段，晝夜溫差較大，熱泵機組的制熱能力和機組能效比隨溫度的升高迅速增大，選擇熱泵機組的加熱時間為午間氣溫較高的條件下進行，可以有效降低機組能耗。在夏季，室外氣溫較高，熱泵機組的制熱能力和機組能效比隨著室外氣溫的升高，上升速率減緩，選擇熱泵機組的加熱時間為午間，同樣可以一定程度的降低機組能耗。基于以上分析，熱泵機組的容量的選取應(yīng)以滿足冬季最冷月使用要求為前提，兼顧其它月份的優(yōu)化控制以到達運行節(jié)能要求。

2.3 最優(yōu)方案評價方法

費用現(xiàn)值法是將每年的現(xiàn)金流量折算到零點的現(xiàn)值累計值，費用現(xiàn)值最小者為最優(yōu)方案，該方法充分考慮到資金的時間價值，對于投資者在進行互斥方案的比較選擇具有很高的科學價值，主要應(yīng)用于年運營費用相等或不相等但生命周期相等的項目比選。其計算方法如下：

式中，PC——費用現(xiàn)值，元/年；

ci——部門基準收益率；

t——項目的使用年份；

tCO——項目第t年費用(包含建設(shè)期與運營期)，元；

n——設(shè)備壽命年限，年。對于直熱式空氣源熱泵熱水機組，若每年的運行費用固定不變。

綜上所述，目前國內(nèi)外對于空氣源熱泵熱水系統(tǒng)的研究多為機組單體的理論研究，對于系統(tǒng)的工程實踐和應(yīng)用方面的研究頗為罕見。尤其是直熱式空氣源熱泵熱水機組在最近幾年得到飛速發(fā)展，其優(yōu)勢逐漸突顯，正在努力替代循環(huán)式空氣源熱泵熱水機組，對于其工程實踐和應(yīng)用的研究就更為少見。

[1] 李曉虹，蘇華. 空氣源熱泵熱水系統(tǒng)設(shè)計與經(jīng)濟性分析[J]. 給水排水，2011，09：146-150.