空氣源熱泵熱水機(jī)組預(yù)熱方案的設(shè)計(jì)及研究

夏軍寶 姬莉莉 吳 偉 李婉清 龔 璞 王 勇

?

空氣源熱泵熱水機(jī)組預(yù)熱方案的設(shè)計(jì)及研究

夏軍寶 姬莉莉 吳 偉 李婉清 龔 璞 王 勇

（重慶大學(xué)城市建設(shè)與環(huán)境工程學(xué)院 重慶 400045）

空氣源熱泵技術(shù)是一種利用可再生能源的高效節(jié)能技術(shù)。針對(duì)位于屋頂平臺(tái)的空氣源熱泵熱水機(jī)組，設(shè)計(jì)出一種基于光熱綜合利用技術(shù)的預(yù)熱系統(tǒng)。在屋面鋪設(shè)高吸收率蛇形盤管，使進(jìn)水首先經(jīng)過(guò)盤管系統(tǒng)，吸收太陽(yáng)輻射及樓板屋面熱量，充分預(yù)熱后再進(jìn)入熱泵機(jī)組，改善系統(tǒng)的綜合能效。在自建的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上對(duì)進(jìn)水溫度的變化進(jìn)行了測(cè)試，并以CFD為基礎(chǔ)進(jìn)行了理論計(jì)算，測(cè)試和計(jì)算結(jié)果表明，設(shè)計(jì)工況下預(yù)熱系統(tǒng)可將盤管出口水溫提升至少8℃，熱水機(jī)組節(jié)能率為20.08%，具備較大的應(yīng)用前景。

熱泵熱水機(jī)組；預(yù)熱；太陽(yáng)能；光熱綜合利用

0 引言

進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，隨著全球能源儲(chǔ)量日益減少、能源價(jià)格居高不下，節(jié)約用能已成為舉世矚目的重大課題。在我國(guó)，由于建筑業(yè)的持續(xù)發(fā)展，建筑耗能已占全國(guó)總能耗近30%，與工業(yè)耗能、交通耗能并列，成為我國(guó)能源消耗的三大“耗能大戶”[1]。其中，熱水供應(yīng)占到建筑能耗的22%[2]，折算成電力消耗將是十分驚人的數(shù)字。因此，提高能源利用效率、減少生活熱水耗能已成為我國(guó)建筑節(jié)能工作一個(gè)不容忽視的重要組成部分。

空氣源熱泵（Air Source Heat Pump，簡(jiǎn)稱ASHP）是以空氣為熱源、通過(guò)輸入少量的高品位能源（電能）將低品位空氣熱量提升到高品位的熱水中的裝置[3]，因其高效節(jié)能、安全可靠、適用性強(qiáng)、熱源豐富且易于獲取，獲得了社會(huì)的廣泛認(rèn)可。由于體積和噪音的限制，空氣源熱泵熱水機(jī)組多安裝在頂層屋面上，而屋頂由于長(zhǎng)時(shí)間受太陽(yáng)直射，儲(chǔ)備了相當(dāng)豐富的熱能資源，在夏季尤為明顯。以重慶地區(qū)為例，7、8月份的累年（1971-2000）平均日照時(shí)數(shù)達(dá)180 h/月，日照率40%以上，水平面太陽(yáng)總輻射28MJ/(㎡·天)[4]。經(jīng)實(shí)測(cè)，室外溫度為27℃時(shí)，屋面溫度可達(dá)60℃以上，樓板附近的空氣溫度近40℃。這些熱能積聚在屋頂未被利用，不但是極大的能源浪費(fèi)，更會(huì)通過(guò)樓板對(duì)頂層房間傳熱，造成這些房間冷負(fù)荷較大，熱舒適度差，影響使用者的身體健康和勞動(dòng)效率[5]。

因此，回收夏季屋頂熱能、提高空氣源熱泵熱水器的能源利用效率，對(duì)于建筑節(jié)能有著重大的意義。這些年來(lái)，國(guó)內(nèi)外研究者在此方面做出了一系列研究。

20世紀(jì)50年代，Jordan和Threlkeld在研究中最早提出太陽(yáng)能與熱泵聯(lián)合運(yùn)行的思想[6]； 1968～1970年前蘇聯(lián)的Uzbek科學(xué)院和Tashkent科學(xué)研究所合作，對(duì)SAHP供熱系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明太陽(yáng)能集熱器與熱泵聯(lián)合運(yùn)行可以提高熱泵的COP和太陽(yáng)能集熱器的性能[7]。在國(guó)內(nèi)，李建新等人研究了相變儲(chǔ)熱預(yù)熱式熱泵熱水器系統(tǒng)性能，得出對(duì)水進(jìn)行預(yù)熱具有顯著的節(jié)能效果[8]。上海交通大學(xué)的郭俊杰在其仿真數(shù)學(xué)模型中，得出初始水溫平均每升高5℃，空氣源熱泵熱水裝置的加熱時(shí)間平均縮短15分鐘左右[9]。陳雁等人以鄭州某高校新區(qū)辦公樓為例，模擬研究了空氣源熱泵-太陽(yáng)能組合系統(tǒng)在寒冷地區(qū)的運(yùn)行特性，得出該系統(tǒng)比空氣源熱泵系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性好[10]。林康立通過(guò)實(shí)際工程項(xiàng)目說(shuō)明太陽(yáng)能與空氣源熱泵結(jié)合的熱水系統(tǒng)的節(jié)能效果明顯，且大大節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用[11]。歐云峰等人介紹了?？谀彻こ讨锌諝庠礋岜?太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的應(yīng)用，分析比較后得出與電輔助加熱相比可節(jié)約75%的電能[12]。但國(guó)內(nèi)外研究中廣泛采用的太陽(yáng)能輔助空氣源熱泵系統(tǒng)投資較高，且未有效利用屋面樓板蓄存的熱能，其節(jié)能潛力并未得到充分的發(fā)掘。

基于以上研究及存在的問(wèn)題，設(shè)計(jì)出一種基于光熱綜合利用技術(shù)的空氣源熱泵熱水機(jī)組預(yù)熱系統(tǒng)，采用增設(shè)進(jìn)水預(yù)熱盤管的方式，在不增加額外能耗的情況下，綜合利用屋頂上包括太陽(yáng)能、空氣熱、樓板熱在內(nèi)的多種形式熱能，降低了頂層房間冷負(fù)荷的同時(shí)，大幅提高熱水機(jī)組的產(chǎn)能，節(jié)能效果顯著。

1 設(shè)計(jì)思路提出

如圖1所示，空氣源熱泵熱水機(jī)組預(yù)熱系統(tǒng)主體為鋪設(shè)在屋面的88m蛇形盤管，其一端連接市政自來(lái)水管網(wǎng)，使自來(lái)水首先經(jīng)過(guò)盤管系統(tǒng)，接受太陽(yáng)輻射能的同時(shí)，吸收頂層樓板的熱量，充分預(yù)熱后再進(jìn)入熱泵機(jī)組，另一端連接空氣源熱泵熱水機(jī)組進(jìn)水口。為增強(qiáng)盤管的采光強(qiáng)度，可沿管路下方鋪設(shè)V型反光板且采用黑色金屬管材。另外，為避免太陽(yáng)輻射較弱或氣溫較低時(shí)，蛇形盤管帶來(lái)的壓力損失，設(shè)置旁通管與蛇形盤管并聯(lián)，實(shí)現(xiàn)運(yùn)行工況的改變。

1.屋面；2.蛇形盤管；3.市政管網(wǎng)進(jìn)水；4.熱水用戶；5.空氣源熱泵熱水機(jī)組；6.浮球閥；7.蓄水箱；8.電動(dòng)閥-1；9.電動(dòng)閥-3；10.電動(dòng)閥-2；11.電動(dòng)閥-4；12.電動(dòng)閥-5

圖1 系統(tǒng)基本原理圖

Fig.1 The schematic diagram of preheating system

進(jìn)水溫度提高使空氣源熱泵熱水機(jī)組能耗減少，結(jié)合實(shí)驗(yàn)及模擬中氣象參數(shù)和溫升，可得到保證節(jié)能率時(shí)預(yù)熱系統(tǒng)基準(zhǔn)運(yùn)行條件，包括基準(zhǔn)運(yùn)行時(shí)間、基準(zhǔn)室外干球溫度和基準(zhǔn)進(jìn)出口溫差Δ0。當(dāng)處于基準(zhǔn)運(yùn)行時(shí)段，且溫度傳感器監(jiān)測(cè)到空氣干球溫度高于基準(zhǔn)溫度、進(jìn)出口溫差Δ>Δ0時(shí)，打開(kāi)電動(dòng)閥1、2、4，使自來(lái)水預(yù)熱后進(jìn)入機(jī)組；否則關(guān)閉電動(dòng)閥1、2，打開(kāi)電動(dòng)閥3、4、5，使自來(lái)水經(jīng)旁通管直接進(jìn)入機(jī)組。

2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建

針對(duì)重慶市某高校的實(shí)際情況（屋面具有空氣源熱泵熱水系統(tǒng)），在學(xué)生宿舍屋面上搭建了實(shí)驗(yàn)臺(tái)，并進(jìn)行了實(shí)際測(cè)試。

2.1 管路布置及測(cè)點(diǎn)分布

為對(duì)比設(shè)計(jì)效果，進(jìn)行了對(duì)比實(shí)驗(yàn)。一路管道系統(tǒng)為設(shè)計(jì)預(yù)熱系統(tǒng)，另一路管道系統(tǒng)為直接供水系統(tǒng)。預(yù)熱系統(tǒng)為DN16蛇形盤管，長(zhǎng)88m，用漆刷成黑色，直接進(jìn)水管路為白色旁通管。實(shí)驗(yàn)中所有管道均緊貼屋頂樓板放置，如圖2（a）所示。

如圖2（b）所示，設(shè)置1-11號(hào)共11個(gè)測(cè)溫點(diǎn)，其中1-7號(hào)測(cè)點(diǎn)設(shè)置于蛇形盤管的長(zhǎng)管中心位置，8、9、11號(hào)測(cè)點(diǎn)分別設(shè)置于盤管出水口、進(jìn)水口處及旁通管出水口處，10號(hào)測(cè)點(diǎn)置于距屋頂樓板0.1m的高度處測(cè)量空氣溫度。測(cè)溫點(diǎn)采用熱電偶線連接至巡檢儀。

（a）實(shí)驗(yàn)管道布置

（b）測(cè)點(diǎn)分布圖

1-11.熱電偶測(cè)溫點(diǎn)（10點(diǎn)測(cè)量空氣溫度）；12.黑色蛇形盤管；13.白色旁通管；14.空氣源熱泵熱水機(jī)組；15.市政管網(wǎng)進(jìn)水

圖2 實(shí)驗(yàn)管道及測(cè)點(diǎn)分布圖

Fig.2 Layout of pipes and points for measuring temperature

2.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

為推算系統(tǒng)在一年內(nèi)適合運(yùn)行的日期，并確保各天中太陽(yáng)輻射照度均有明顯區(qū)別，實(shí)驗(yàn)選取不同天氣狀況進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)。同時(shí)為推算該裝置一天內(nèi)適合運(yùn)行的小時(shí)區(qū)間，實(shí)驗(yàn)周期為10小時(shí)/天。

測(cè)量時(shí)，管道內(nèi)保持穩(wěn)定水流，每10s測(cè)量一次各測(cè)點(diǎn)溫度，每2min測(cè)一次管道上方0.1m處的風(fēng)速，并在屋頂樓板下方的房間內(nèi)用測(cè)溫槍每2min測(cè)量一次天花板溫度。

3 預(yù)熱系統(tǒng)數(shù)值分析

根據(jù)設(shè)計(jì)思路，建立盤管溫升的CFD模型，對(duì)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行模擬，得出理論出水溫升，為實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)測(cè)試結(jié)果分析做理論基礎(chǔ)。

3.1 數(shù)學(xué)模型和邊界條件

假設(shè)管道內(nèi)流體為不可壓縮流體，忽略重力的影響，所加熱量沿圓周方向均勻分布，流動(dòng)充分發(fā)展。

數(shù)學(xué)模型：模型所需的控制方程主要有連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、能量方程及湍流模型方程，對(duì)于管內(nèi)湍流流動(dòng)，湍流模型一般采用–模型[13,14]，其控制方程如下：

方程：

邊界條件：管壁面空氣溫度取為40.25℃，進(jìn)水溫度取為23℃，水流速度為0.4m/s，出口壓力取為101325Pa，管道中心處設(shè)為軸對(duì)稱邊界條件，天空輻射溫度為50.5℃，發(fā)射率0.9（與實(shí)驗(yàn)條件一致）。

預(yù)熱管為PVC塑料管，其物性參數(shù)為：=1.4g/cm3，導(dǎo)熱系數(shù)=0.16W/(m·℃)，熱容比=1.2kJ/(kg·℃)，預(yù)熱段長(zhǎng)度取為40m，外徑為16mm，內(nèi)徑為13.2mm，管道內(nèi)介質(zhì)為水，外管壁空氣恒溫加熱條件。

3.2 CFD數(shù)值模擬

（1）網(wǎng)格劃分[15]

圖3 網(wǎng)格劃分圖

建立三維模型，采用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)量為15487917，在用FLUENT模擬時(shí)，采用雙精度求解器，算法采用基于交錯(cuò)網(wǎng)格的SIMPLE算法，動(dòng)量方程和能量方程采用二階離散化方法。

部分網(wǎng)格劃分如圖3所示。

網(wǎng)格質(zhì)量均在0.7以上，說(shuō)明網(wǎng)格劃分較為合理。

（2）數(shù)值模擬

采用殘差驗(yàn)證收斂，殘差結(jié)果均小于10-4（能量方程殘差結(jié)果小于10-6），收斂性較好，結(jié)果圖如下。水流速度矢量圖，如圖4所示。

（a）出口速度矢量圖

（b）彎頭處速度矢量圖

圖4 水流速度矢量圖

Fig.4 The vector illustration of flow

水流速度矢量圖較好地展現(xiàn)了管內(nèi)受迫湍流的流速分布以及拐彎處渦流的影響，體現(xiàn)了CFD模擬的合理性。水溫變化圖，如圖5所示。

（注：圖中縱坐標(biāo)溫度為絕對(duì)溫度）

圖5 管徑16mm時(shí)水溫沿管長(zhǎng)的變化

Fig.5 Distribution of water temperature along the pipes with 16mm diameter

由圖5計(jì)算結(jié)果可以看出，在給定邊界條件和管材的情況下，管道內(nèi)水溫隨管長(zhǎng)逐漸增大，在模擬區(qū)內(nèi)出口水溫升高達(dá)4.1℃，升溫效果較為明顯。

4 結(jié)果分析

4.1 數(shù)據(jù)對(duì)照

在實(shí)驗(yàn)的88m盤管中截取兩個(gè)與CFD模擬相同邊界條件（40m）及管材要求的工況（2015年4月28號(hào)與4月29號(hào)的13:20-14:20），其中測(cè)點(diǎn)1、2、3的平均溫度如圖6所示。

圖6 CFD模擬與實(shí)驗(yàn)溫度對(duì)比

可以看出，實(shí)驗(yàn)與CFD模擬中的溫度相差不到0.5℃，重合性較好，證明模型建立相對(duì)準(zhǔn)確，可以為不同的外部參數(shù)設(shè)置進(jìn)行不同條件的計(jì)算。實(shí)際測(cè)試中，實(shí)驗(yàn)所得溫升大部分都大于模擬值，說(shuō)明在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，該系統(tǒng)可以利用更多形式的光能和熱能，一定程度上體現(xiàn)了該系統(tǒng)的實(shí)用性。

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

4.2.1單日水溫變化分析

圖7為實(shí)驗(yàn)4月28日（晴天，最高氣溫為29℃）的全天運(yùn)行數(shù)據(jù)，可以看出，全天的自來(lái)水溫度及旁通管溫度變化較小，而盤管出水溫度則明顯高于前兩者，且隨時(shí)間有顯著變化，其規(guī)律基本與太陽(yáng)輻射變化情況一致，并在12:00到16:00達(dá)到峰值，溫度在31℃以上，水溫提升8℃以上，屬于較理想的運(yùn)行時(shí)段。

圖7 全天進(jìn)出口水溫對(duì)比曲線圖

4.2.2節(jié)能率計(jì)算

選取4月20日13:21-14:19的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，如圖8所示。計(jì)算得一小時(shí)內(nèi)白色旁通管出水溫度（即原系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的熱泵進(jìn)水溫度）平均值=21.992℃，蛇形盤管出水溫度（即盤管預(yù)熱后的熱泵進(jìn)水溫度）平均值‘=31.222℃，環(huán)境溫度平均值t=35.251℃。

圖8 一小時(shí)內(nèi)進(jìn)出口水溫對(duì)比曲線圖

熱泵機(jī)組選型為美的空氣源熱泵RSJ-380/S- 820-C。根據(jù)、‘和t，由熱泵性能曲線（圖9）查得開(kāi)啟預(yù)熱系統(tǒng)前后的產(chǎn)熱水量分別為=1.49t/h和‘=1.88t/h。

圖9 美的空氣源熱泵RSJ-380/S-820-C性能曲線

假定機(jī)組保持額定功率=9.1kW不變，原系統(tǒng)運(yùn)行=1小時(shí)，制得的熱水量為1.49噸，耗電量kWh；開(kāi)啟盤管預(yù)熱后，制取同樣質(zhì)量的熱水，系統(tǒng)只需要運(yùn)行=0.792小時(shí)，耗電量kWh，節(jié)約電能kWh。

4.2.3基準(zhǔn)運(yùn)行條件的確定

為確定系統(tǒng)自控裝置控制條件，需確定預(yù)熱系統(tǒng)基準(zhǔn)運(yùn)行條件。

結(jié)合實(shí)際工程中空氣源熱泵熱水機(jī)組的運(yùn)行情況和太陽(yáng)輻射變化情況，選取7:00-20:00為預(yù)熱系統(tǒng)的基準(zhǔn)運(yùn)行時(shí)段；同時(shí)，由于進(jìn)水預(yù)熱情況受多種環(huán)境因素影響，需結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)確定基準(zhǔn)運(yùn)行干球溫度，由圖可知，4月20日的日最高氣溫為25℃，在實(shí)驗(yàn)日中溫度條件一般，但實(shí)驗(yàn)大部分時(shí)間內(nèi)溫差可達(dá)到8℃以上，預(yù)熱效果良好，故選取此溫度為基準(zhǔn)運(yùn)行溫度。基準(zhǔn)運(yùn)行溫差取為至少保證機(jī)組10%節(jié)能率時(shí)的盤管進(jìn)出水口溫差，根據(jù)上述空氣源熱泵熱水機(jī)組性能曲線，可由節(jié)能率反推出不同環(huán)境溫度下盤管進(jìn)出水口的溫差，如表1所示。

表1 10%節(jié)能率時(shí)盤管進(jìn)出口溫差

由上表可知，不同環(huán)境溫度下為保證10%節(jié)能率的盤管進(jìn)出口溫差均為3.0～4.0℃，則預(yù)熱系統(tǒng)運(yùn)行基準(zhǔn)溫差Δ0按最大溫差取為4.0℃。

因此，同時(shí)滿足處于基準(zhǔn)運(yùn)行時(shí)段、空氣干球溫度高于基準(zhǔn)溫度、盤管進(jìn)出口水溫差大于基準(zhǔn)溫差Δ0這3個(gè)條件時(shí)，預(yù)熱系統(tǒng)運(yùn)行能保證良好的節(jié)能效果，此時(shí)自控裝置控制預(yù)熱系統(tǒng)開(kāi)啟運(yùn)行。

由重慶典型年氣象數(shù)據(jù)，得出一年中運(yùn)行時(shí)間段（7:00-20:00）里溫度高于基準(zhǔn)溫度（25℃）的小時(shí)數(shù)’=1381h，占總運(yùn)行小時(shí)數(shù)的27%，即空氣源熱泵熱水機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中有27%的時(shí)間可利用進(jìn)水預(yù)熱系統(tǒng)來(lái)節(jié)約能耗，節(jié)能潛力較大。

4.2.4全年綜合分析

以一臺(tái)空氣源熱泵熱水機(jī)組為例，在其一年的運(yùn)行時(shí)間中，落入基準(zhǔn)運(yùn)行時(shí)段（7:00-20:00）內(nèi)的小時(shí)數(shù)=5110h。根據(jù)重慶典型年氣象數(shù)據(jù)，其中滿足預(yù)熱系統(tǒng)開(kāi)啟條件，即溫度高于基準(zhǔn)溫度（25℃）的小時(shí)數(shù)’=1381h，這意味著空氣源熱泵熱水機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中有相當(dāng)一部分時(shí)間可利用進(jìn)水預(yù)熱系統(tǒng)來(lái)節(jié)約能耗。

綜合考慮盤管及安裝費(fèi)用（根據(jù)理論計(jì)算分析，水泵能耗增加量約為機(jī)組能耗減少量的0.5%，可忽略不計(jì)），每米盤管初裝費(fèi)用=25元/m，三個(gè)溫控閥200元，則預(yù)熱系統(tǒng)增加的初投資=·+200=2450元；重慶地區(qū)第三檔（用電量≥4801kWh/年）電價(jià)=0.82元/kWh，由節(jié)能率可知預(yù)熱系統(tǒng)每小時(shí)節(jié)約電量Δ=1.8928kWh。綜合考慮陰雨天氣條件下滿足基準(zhǔn)溫度但不滿足基準(zhǔn)溫差、進(jìn)水溫度不同導(dǎo)致機(jī)組COP變化等不利影響，取使用保證率為50%，得系統(tǒng)一年內(nèi)節(jié)約運(yùn)行成本=50%·’·Δ=1071.5元；故回收年限=/=2.3年，即安裝本系統(tǒng)兩年半后即可回收成本。

實(shí)際工程選取重慶某高校為計(jì)算對(duì)象，該校共計(jì)61棟學(xué)生公寓樓，每棟樓屋頂設(shè)有3臺(tái)RSJ-380/S-820-C美的空氣源熱泵熱水機(jī)組。根據(jù)前述計(jì)算，每臺(tái)機(jī)組的預(yù)熱系統(tǒng)運(yùn)行一年的節(jié)電量為1307kWh。若這183臺(tái)熱水機(jī)組全部采用該系統(tǒng)，運(yùn)行一年可節(jié)約電能23.9萬(wàn)千瓦時(shí)，可以為近2000戶普通城鎮(zhèn)家庭（年用電量1200kWh/戶）提供一年的用電量，節(jié)省運(yùn)行成本高達(dá)19.6萬(wàn)元，換算后可節(jié)約標(biāo)煤518.16t，二氧化碳減排量1279.86t，二氧化硫減排量10.36t，粉塵減排量5.18t，社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益與節(jié)能環(huán)保效益十分顯著。

5 結(jié)論

（1）基于光熱綜合利用技術(shù)的空氣源熱泵熱水機(jī)組預(yù)熱系統(tǒng)可有效利用清潔可再生能源——太陽(yáng)能，且緊貼屋面布置的盤管能適度降低頂層房間冷負(fù)荷，實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能、空氣熱、建筑余熱的綜合利用，同時(shí)提高機(jī)組產(chǎn)熱水能力，節(jié)能效果顯著。

（2）實(shí)驗(yàn)及CFD模擬結(jié)果表明，88m、DN16的PVC管在設(shè)計(jì)工況下，預(yù)熱系統(tǒng)可將盤管出口水溫提升至少8℃，熱水機(jī)組節(jié)能率為20.08%，節(jié)能投資回收期僅兩年半，技術(shù)經(jīng)濟(jì)性良好。

（3）在滿足基本運(yùn)行條件的情況下，空氣源熱泵熱水機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中有27%的時(shí)間可利用進(jìn)水預(yù)熱系統(tǒng)來(lái)節(jié)約能耗，節(jié)能潛力較大。

（4）預(yù)熱系統(tǒng)適用于建筑體量較大，屋面面積有空余，集中供熱水的場(chǎng)所，如酒店、工廠、洗浴中心、泳池等。在一天中氣溫較高，太陽(yáng)輻射量較好時(shí)段運(yùn)行系統(tǒng)，結(jié)合蓄水箱，可以獲得較好的節(jié)能效果。全年持續(xù)運(yùn)行時(shí)，最適宜應(yīng)用于全年氣溫高于25℃天數(shù)較多，光氣候分區(qū)為V區(qū)及以上的地區(qū)。隨著空氣源熱泵熱水技術(shù)在我國(guó)的推廣與應(yīng)用，系統(tǒng)也將具備較大的應(yīng)用前景。

[1] 何梓年,朱敦智.太陽(yáng)能供熱采暖應(yīng)用技術(shù)手冊(cè)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2009:1-1.

[2] 清華大學(xué)建筑節(jié)能研究中心.中國(guó)建筑節(jié)能年度發(fā)展研究報(bào)告2012[R].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2012: 8-8.

[3] 劉麗軍.太陽(yáng)能輔助空氣源熱泵在生活熱水工程中的應(yīng)用研究[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué),2013:1-1.

[4] 重慶1971—2000年累年平均氣象數(shù)據(jù)[EB/OL]. [2005-04-25].http://cdc.cma.gov.cn/shuju/index3.jsp?tpcat =SURF&dsind = SURF_CLI_CHN_MUL_MMON_ 19712000_CES.

[5] 鐘珂,周磊,楊柳.頂層房間夏季室內(nèi)熱環(huán)境評(píng)價(jià)指標(biāo)[J].西安建筑科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2004,(1): 51-54.

[6] RC Jordan, JL Threlkeld. Design and economics of solar energy heat pump systems[J]. Heating Piping and Air Conditioning,1954,(26):120-130.

[7] G Ya Umarov. Development of research on the utilization of solar energy within the system of the Uzbek Academy of Sciences[J]. Soviet Physics Uspekhi, 1972,14(6):794-796.

[8] 李建新,王永川,陳光明.相變儲(chǔ)熱預(yù)熱式熱泵熱水器系統(tǒng)性能研究[J].太陽(yáng)能學(xué)報(bào),2008,(10):1230-1234.

[9] 郭俊杰.空氣源熱泵熱水裝置優(yōu)化分析與運(yùn)行策略研究[D].上海:上海交通大學(xué),2013:36-37.

[10] 陳雁,孫德勝.空氣源熱泵-太陽(yáng)能組合系統(tǒng)在寒冷地區(qū)運(yùn)行特性的模擬研究[J].暖通空調(diào),2011,(7):123-127.

[11] 林康立.太陽(yáng)能與空氣源熱泵結(jié)合的熱水工程設(shè)計(jì)及技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較[J].制冷技術(shù),2009,(1):5-11.

[12] 歐云峰,楊金華.空氣源熱泵輔助加熱太陽(yáng)能集中熱水系統(tǒng)設(shè)計(jì)探討[J].給水排水,2009,(9):82-84.

[13] 楊奕.節(jié)能型空氣源熱泵熱水機(jī)組控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].微計(jì)算機(jī)信息,2007,(31):38-39.

[14] 王希影.圓管脈動(dòng)流動(dòng)與換熱的數(shù)值模擬[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué),2007:15-18.

[15] 張娜.同心環(huán)形通道內(nèi)強(qiáng)制對(duì)流換熱的實(shí)驗(yàn)研究[D].青島:中國(guó)石油大學(xué),2010:56-61.

[16] 王福軍.計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析——CFD軟件原理與應(yīng)用[M].北京:清華大學(xué)出版社,2004:160-183.

Design and Research of the Preheating Scheme in Air Source Heat Pump Hot Water Unit

Xia Junbao Ji Lili Wu Wei Li Wanqing Gong Pu Wang Yong

( Department of Urban Construction and Environment Engineering, Chongqing University, Chongqing, 400045 )

Air source heat pump (ASHP) is an efficient energy saving technology taking advantage of renewable energy. Aiming at the ASHP hot water unit located on the rooftop, a preheating system is designed on the basis of comprehensive photo-thermal utilization. The inlet water is made to flow through the coil tube laid on the roof, absorb solar radiation as well as the heat of top floor, and get preheated before entering the unit. In this way, the comprehensive energy efficiency of the system get improved. Experiments on the change of inlet water temperature were performed on a self-built platform, the results of which, along with the theoretical calculation based on CFD simulation, show that this scheme can raise the temperature of coil outlet water by at least 8℃ in the designed condition, reaching a high energy saving rate of 20.08%. With its advantages in energy saving, the preheating system has a certain application prospect.

heat pump hot water unit; preheat; solar energy; comprehensive photo-thermal utilization

1671-6612（2016）06-654-06

TK512+.4

A

“第八屆全國(guó)大學(xué)生節(jié)能減排社會(huì)實(shí)踐與科技競(jìng)賽”項(xiàng)目（CQU-0827714）

夏軍寶（1993-），男，在讀本科生，E-mail：20125922@cqu.edu.cn

王 勇（1971-），男，博士，教授，博導(dǎo)，E-mail：cqwangyong@cqu.edu.cn

2015-08-01