空氣源熱泵熱水器在民用工程中的應(yīng)用

毛惠敏 周萌 海立集團(tuán)熱泵事業(yè)部 (200126）

毛惠敏（1984年～），2007年畢業(yè)于江蘇大學(xué)流體力學(xué)專業(yè)?，F(xiàn)工作于上海海立集團(tuán)股份有限公司熱泵事業(yè)部。

0 引 言

熱泵的理論起源于1824年法國工程師卡諾的卡諾循環(huán)的論文。在1850年初英國物理學(xué)家開爾文（L.Kelvin）提出：冷凍裝置可以用于加熱。1912年瑞士的蘇黎世成功安裝一套以河水作為低位熱源的熱泵設(shè)備用于供暖，并以此申報(bào)專利，這就是早期的水源熱泵系統(tǒng)，是世界上第一套熱泵系統(tǒng)。

熱泵的概念就是消耗極少部分電力，充分利用室外空氣、水、土壤的能量對室內(nèi)進(jìn)行供熱、制冷并同時提供廉價熱水的熱源泵送機(jī)械設(shè)備。按照冷熱源的不同，熱泵分為三類：空氣源熱泵，水源熱泵和地源熱泵。

空氣源熱泵熱水器是一種利用電能驅(qū)動的蒸氣壓縮制冷循環(huán)，將低品位熱源（空氣）中的熱量轉(zhuǎn)移到被加熱的水中用于制取熱水，滿足人們生活、生產(chǎn)需要的設(shè)備，可分為直熱式熱水機(jī)和循環(huán)加熱式熱水機(jī)，原理如圖1。

圖1 空氣源熱泵工作原理

1 空氣源熱泵的工作原理

一臺空氣源熱泵熱水裝置，主要由蒸發(fā)器、壓縮機(jī)、冷凝器和膨脹閥四部分組成，通過讓冷媒不斷完成：蒸發(fā)（吸取環(huán)境中的熱量）→壓縮→冷凝（放出熱量）→節(jié)流→再蒸發(fā)的熱力循環(huán)過程，從而將環(huán)境里的熱量轉(zhuǎn)移到水中?？諝庠礋岜孟到y(tǒng)示意圖如圖2。

壓縮過程：蒸發(fā)后的運(yùn)行冷媒被吸入壓縮機(jī)，通過壓縮機(jī)的壓縮功能，將冷媒壓縮成高壓高溫氣體，使其對于較低溫度的自來水易于放熱、液化。

圖2 空氣源熱泵系統(tǒng)示意

冷凝過程：從壓縮機(jī)排出的高壓高溫冷媒被常溫的自來水吸收熱量而變成的液態(tài)冷媒。

節(jié)流過程：把液化后的冷媒送入熱泵主機(jī)蒸發(fā)器之前，利用毛細(xì)管的壓力差，使冷媒在保溫水箱的冷凝器內(nèi)冷凝降壓，將它變成即使在低溫下也易于蒸發(fā)的狀態(tài)。

蒸發(fā)過程：液態(tài)冷媒從周圍空氣中吸收熱量而不斷蒸發(fā)汽化，被吸收熱量后的空氣變?yōu)椤袄錃狻薄?/p>

2 熱泵的優(yōu)勢

空氣源熱泵熱水器具有高效節(jié)能的特點(diǎn)，其耗電量是同等容量電熱水器的1／4，是燃?xì)鉄崴鞯?／3。以每天產(chǎn)1t溫升50℃（水溫從15℃升至65℃）的熱水計(jì)，需要用電50kW·h左右，然而對于同樣利用電能的熱泵來說，在常溫下，可以輕松實(shí)現(xiàn)75%的節(jié)能效果。

它采用空氣源熱泵原理，每消耗1份電量的同時從空氣中吸收4份熱量，能效比最高可達(dá)5.5，為用戶節(jié)省一半到四分之三的電費(fèi)；無需燃料，避免泄露、爆炸的危險；采用冷媒進(jìn)行熱交換，區(qū)別于電加熱，真正實(shí)現(xiàn)水電分離，堪稱最安全的熱水器；與太陽能熱水器不同，它可以24h×365天不間斷運(yùn)行，不受夜晚陰雨等任何環(huán)境的影響，持續(xù)提供舒適的熱水；主機(jī)可實(shí)現(xiàn)全自動智能控制，水溫過低自動加熱，嚴(yán)寒條件自動化霜，做到真正的無人值守，方便舒適。

3 民用熱泵熱水項(xiàng)目設(shè)計(jì)方案

目前熱泵市場每年都在成倍增長，發(fā)展勢頭相當(dāng)迅猛。在歐美大多數(shù)發(fā)達(dá)國家，如澳大利亞、英國、法國、德國以及北歐南歐的一些國家，熱泵產(chǎn)品已經(jīng)進(jìn)入了大多數(shù)家庭，從20世紀(jì) 70 年代生產(chǎn)出家用空氣源熱泵產(chǎn)品至今，有的產(chǎn)品已正常運(yùn)行了十幾年，其性能得到用戶的高度評價。20世紀(jì)80年代來，中國熱泵在各種場合的應(yīng)用研究有了許多發(fā)展，在京津地區(qū)應(yīng)用實(shí)踐。這種設(shè)備同時對于我國能源使用效率不高、分配不均勻的現(xiàn)狀也提出了一個有效的解決方法。中國政府已將熱泵技術(shù)定為重點(diǎn)推廣的環(huán)保、節(jié)能新技術(shù)。

3.1 應(yīng)用背景

隨著人民物質(zhì)生活水平的提高，以及國家能源的緊缺和節(jié)能環(huán)保政策的出臺，熱泵熱水器已越來越受到人們青睞。目前空氣源熱泵產(chǎn)品主要應(yīng)用于各類民用工程，如連鎖或商務(wù)酒店、美容美發(fā)沙龍、大型娛樂中心、工廠職工、學(xué)校浴室、桑拿、足浴、洗浴中心、游泳池以及高檔小區(qū)的供熱水和采暖。

許多企業(yè)都碰到用什么設(shè)備制造熱水的難題，用柴油鍋爐制造熱水能耗大，而且消防手續(xù)復(fù)雜，需要空間安置鍋爐、油坦克，需專人負(fù)責(zé)還要年檢；用燃?xì)忮仩t光接管就幾十萬元。如今采用逆卡諾循環(huán)原理的空氣源熱泵熱水機(jī)組，解決了長期用鍋爐制造熱水能耗大、有危險的矛盾。空調(diào)、鍋爐用多了都會產(chǎn)生城市“熱島效應(yīng)”，然而熱泵卻不同，它在吸熱制造熱水的同時，還能帶來清涼的空氣，可謂“一舉兩得”。

下面以某工程設(shè)計(jì)為例。

3.2 設(shè)計(jì)依據(jù)

1. 建設(shè)單位提供的原設(shè)計(jì)圖和建設(shè)單位要求

2《.采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GBJ19-87）

3.《通風(fēng)與空調(diào)工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》（GB50243-2002）

4.《通風(fēng)與空調(diào)工程質(zhì)量檢驗(yàn)評定標(biāo)準(zhǔn)》（GBJ304-88）

5.《簡明空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)手冊》（中國建筑工業(yè)出版社）

6《.采暖空調(diào)制冷手冊》（機(jī)械工業(yè)出版社）

7《.建筑給水排水設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50015-2003熱水用水定額，如表1所示）

8《.給水排水施工規(guī)范》

9《.給水排水設(shè)計(jì)手冊》

10.《建筑給水排水及采暖工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》

表1 GB50015－2003熱水用水定額

3.3 其他設(shè)計(jì)參數(shù)

表2 室外設(shè)計(jì)參數(shù)

表3 冷水進(jìn)水溫度

3.4 設(shè)計(jì)說明

（1）設(shè)計(jì)思路

在滿足設(shè)計(jì)要求的前提下，結(jié)合實(shí)際使用需求，充分發(fā)揮各種型式產(chǎn)品的性能特點(diǎn)，使熱水系統(tǒng)的性能價格比及運(yùn)行達(dá)到最合理化，且盡量降低設(shè)備初投資與運(yùn)行費(fèi)用，并有利于以后的日常設(shè)備管理和維修。根據(jù)工程要求并結(jié)合產(chǎn)品性能特點(diǎn)對系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

（2）保溫水箱容量及機(jī)組的確定

將1t的水從自來水補(bǔ)水溫度（15℃）加熱至熱水供水溫度（55℃）所需熱量q=Cm△t＝4.187×1000×（55-15）=167480kJ，其中C=4.187kJ/kg·℃ (注：單位質(zhì)量的某種物質(zhì)溫度上升或者降低1℃所吸收或者釋放的熱量叫做該物質(zhì)的比熱容，簡稱比熱，用字母C來表示)。使用空氣源熱泵熱水機(jī)組，熱水用的越多越能體現(xiàn)節(jié)能特性。職工浴室淋浴房設(shè)有24個淋浴噴頭,每個淋浴頭流量12L/min，浴室開放3h，極限用熱水量為:Q=120×24×80=51840L，考慮混合水系統(tǒng)設(shè)置，可滿足500人洗浴用熱水，故水箱選擇50t。

商用型機(jī)組一天的最佳工作時間為12h，以每天產(chǎn)50t溫升40℃（從15℃～55℃的冬季工況）熱水計(jì)， 4.5kW空氣源熱泵熱水器產(chǎn)水量為410L/h，則4.5kW主機(jī)臺數(shù)=熱水總用水量(m3/h)/（機(jī)組熱水產(chǎn)量(m3/h)×12h）=50 000/（410×12）≈10臺

（3）采用循環(huán)式制熱，可以滿足熱水供應(yīng)

（4）水系統(tǒng)流程控制說明

主機(jī)為10臺4.5kW熱泵熱水機(jī)組, 系統(tǒng)設(shè)計(jì)末端供水采用循環(huán)式供水，當(dāng)管路內(nèi)水溫低于設(shè)定溫度時，管路中感溫頭傳送信號，增壓水泵及回水管上的電磁閥打開，機(jī)組及循環(huán)水泵開始運(yùn)行加熱，這樣可以保證使用熱水末端隨時都可以用到熱水；系統(tǒng)補(bǔ)水和風(fēng)冷冷熱水模塊機(jī)組補(bǔ)水使用同一個補(bǔ)水箱，水箱內(nèi)水位開關(guān)傳送信號，補(bǔ)水管上的電磁閥打開進(jìn)行補(bǔ)水。

（5）熱泵熱水機(jī)組系統(tǒng)控制

熱泵系統(tǒng)按照設(shè)定工作時段和設(shè)定供水溫度要求自動工作，在設(shè)定工作時段內(nèi)，循環(huán)加熱水水泵啟動，熱泵機(jī)組同時工作，水箱內(nèi)的水通過熱泵機(jī)組被循環(huán)加熱，水箱內(nèi)的水逐步被加熱，當(dāng)達(dá)到設(shè)定溫度時系統(tǒng)停止工作。當(dāng)水箱內(nèi)的水低于設(shè)定溫度時，系統(tǒng)重新自動啟動工作使水箱內(nèi)的水保持在設(shè)定的溫度范圍內(nèi)。并且熱泵系統(tǒng)也可根據(jù)實(shí)際用水量大小設(shè)定和調(diào)整供水時間、溫度、控制水位等參數(shù)，達(dá)到最大限度滿足用水又節(jié)約用水的目的。

空氣源熱泵系統(tǒng)控制器適用于單壓縮機(jī)（單相/三相），風(fēng)冷，直出水式或循環(huán)水式熱泵熱水機(jī)組?？刂破饔芍靼?，室內(nèi)操作線控器，恒溫器(選配件)組成。具有性能穩(wěn)定可靠、功能先進(jìn)、用戶設(shè)置靈活、外型美觀、保護(hù)功能齊全等特點(diǎn)(根據(jù)需要一套控制器既可做普通循環(huán)式,又可做直出水加上循環(huán)式)。

圖3 系統(tǒng)的控制面板

控制器操作面板采用電容式感應(yīng)觸摸按鍵，具有操作靈敏度高、抗干擾能力強(qiáng)、無限次操作、外型美觀、防塵防水等優(yōu)點(diǎn)。

4 施工及調(diào)試要求

4.1 安裝注意事項(xiàng)

（1）主機(jī)水管連接處的鈑金經(jīng)過特別設(shè)計(jì)，在安裝時可將水管附近的內(nèi)部支撐鈑金去掉，即可獲得大量的安裝空間。

（2）管道安裝過程中應(yīng)保持管道內(nèi)壁的干凈，避免雜物進(jìn)入管道中。

（3）安裝水箱的時候應(yīng)考慮基礎(chǔ)的承重能力，不宜采用過大的水箱。

（4）大型熱水工程系統(tǒng)，如果有必要時進(jìn)行選型安裝膨脹水箱。

4.2 調(diào)試注意事項(xiàng)

（1）先檢查機(jī)組參數(shù)設(shè)置情況，根據(jù)當(dāng)?shù)氐氖褂脳l件可適當(dāng)調(diào)整參數(shù)設(shè)置；

（2）檢查電動閥的靈活度，避免因?yàn)榘惭b不規(guī)范或者異物卡住電動閥；

（3）檢查各個部件的安裝情況，確認(rèn)系統(tǒng)的保護(hù)設(shè)置能正常；

（4）系統(tǒng)運(yùn)行前，需先將管道內(nèi)的空氣排出。

5 節(jié)能效果比較

以每天產(chǎn)50溫升40℃（從15～55℃的冬季工況）熱水計(jì)，將1t水從自來水補(bǔ)水溫度（15℃）加熱至熱水供水溫度（55℃）所需熱量q=Cm△t＝4.187×1000×（55-15）=1.67×105kJ，其中C=4.187kJ/kg·℃ (注：單位質(zhì)量的某種物質(zhì)溫度上升或者降低1℃所吸收或者釋放的熱量叫做該物質(zhì)的比熱容，簡稱比熱，用字母C來表示)。

表4 利用不同加熱設(shè)備加熱50噸熱水的費(fèi)用比較

表4所列空氣源熱泵的效率按照均值3.5計(jì)算，在實(shí)際使用中能效比會隨環(huán)境溫度變化而變化，最高可超過5.5。同樣加熱50t水，與電熱水器相比較，空氣源熱泵機(jī)組一整年（365天）共節(jié)約623 602kW·h，相當(dāng)于減少排放252t標(biāo)準(zhǔn)煤。目前，上海財(cái)政將合同能源管理項(xiàng)目支持由原來的每節(jié)約1t標(biāo)準(zhǔn)煤獎勵300元提高至500元。使用空氣源熱泵中央熱水機(jī)組，不僅省下電費(fèi)，更有國家補(bǔ)貼。圖4為該項(xiàng)目現(xiàn)場。

圖4 項(xiàng)目現(xiàn)場