直熱閉式承壓熱水系統(tǒng)應(yīng)用與分析

張 勇

（珠海格力電器股份有限公司 珠海 519070）

前言

空氣源熱泵熱水機(jī)及系統(tǒng)因其節(jié)能、環(huán)保的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，多年以來(lái)受到市場(chǎng)的青睞，被廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)外生活熱水等工程，其應(yīng)用發(fā)展日趨成熟。

對(duì)于商用熱水工程，產(chǎn)品及工程系統(tǒng)也有著多樣化的發(fā)展[1,2]，其多樣化的進(jìn)程是源于安裝位置限制、以及人們對(duì)于高品質(zhì)熱水的追求，近年部分熱泵廠家針對(duì)此類需求，衍生了一些新的產(chǎn)品和工程形式，例如閉式承壓水箱熱水系統(tǒng)開始在市場(chǎng)上獲得應(yīng)用的機(jī)會(huì)，特別是一些星級(jí)酒店、高級(jí)學(xué)校等場(chǎng)所的應(yīng)用，主要針對(duì)冷熱水壓力均衡、閉式衛(wèi)生無(wú)污染、保溫性能等方面進(jìn)行改善和優(yōu)化。

而市場(chǎng)上的閉式承壓系統(tǒng)多采用循環(huán)加熱的方式[3,4]，因直熱加熱閉式系統(tǒng)對(duì)于熱泵產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、控制復(fù)雜程度更高，所以只有少數(shù)采用直熱加熱的方式[5]，而本文針對(duì)高級(jí)中學(xué)對(duì)于品質(zhì)熱水的需求，考慮系統(tǒng)高峰供水的穩(wěn)定性和節(jié)能性，研究設(shè)計(jì)一套直熱加熱承壓閉式熱水系統(tǒng)，并實(shí)地測(cè)試不同季節(jié)用水模型的供水情況和使用效果，為相關(guān)高品質(zhì)熱水工程的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供參考。

1 項(xiàng)目簡(jiǎn)介與選型計(jì)算

1.1 項(xiàng)目簡(jiǎn)介

高級(jí)中學(xué)位于華南地區(qū)，師生總?cè)藬?shù)650 人，需要對(duì)宿舍及辦公區(qū)域進(jìn)行生活熱水的集中供應(yīng)。

1.2 選型計(jì)算

設(shè)計(jì)溫度按照冬季最低室外環(huán)境溫度7 ℃設(shè)計(jì)，熱水定額100 L/人/天，冬季自來(lái)水溫度為10 ℃，需求熱水溫度為50 ℃。

根據(jù)建筑給水排水設(shè)計(jì)規(guī)范，查熱水用水小時(shí)變化系數(shù)3.28 ，用水高峰小時(shí)數(shù)4 h，日熱水用水時(shí)間24 h，計(jì)算得出設(shè)計(jì)小時(shí)耗水量為8.7 m3/h，工程總需熱量為3 286 kW；考慮水箱安裝在地下室，空間有限，水箱按最小容積量計(jì)算為24.6 m3。

為保障充足熱水供應(yīng)，按最惡劣工況運(yùn)行14 h 進(jìn)行空氣源熱泵熱水機(jī)的選型，同時(shí)考慮到冷熱水供水壓力平衡的因素，選用閉式系統(tǒng)。最終工程具體選型如表1。

表1 工程選型

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)從實(shí)際用水場(chǎng)景作為出發(fā)點(diǎn)，充分考慮用戶使用過(guò)程中存在的多種用水模型，對(duì)常規(guī)直熱循環(huán)式空氣源熱水工程系統(tǒng)進(jìn)行控制優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)定大量供水。同時(shí)結(jié)合直熱加熱系統(tǒng)自身的節(jié)能優(yōu)勢(shì)，過(guò)冷度每提高1 ℃，COP 可以提升0.64 %[6]，最大程度的提升系統(tǒng)運(yùn)行節(jié)能性，設(shè)計(jì)多數(shù)用水情景下實(shí)現(xiàn)直熱加熱的方式。

2.1 工程系統(tǒng)（見圖1）

圖1 工程系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

2.2 設(shè)計(jì)思路

本工程系統(tǒng)由8 臺(tái)空氣源熱泵作為熱源，機(jī)組并聯(lián)安裝，加熱水箱中的自來(lái)水。5 個(gè)閉式水箱依次串聯(lián)，如工程簡(jiǎn)圖所示，從左至右依此為1～5 號(hào)水箱，熱水取水點(diǎn)位于2 號(hào)水箱上方，由5 號(hào)水箱底部補(bǔ)入冷水。除閉式系統(tǒng)可取消供水水泵之外，此工程系統(tǒng)具備回水功能，回水管補(bǔ)入5 號(hào)水箱中下部，可根據(jù)回水管網(wǎng)溫度及需求時(shí)間實(shí)現(xiàn)智能回水，圖中未體現(xiàn)。

高峰用水情景，由于大量熱水的供應(yīng)，基于閉式系統(tǒng)進(jìn)出平衡，同時(shí)會(huì)補(bǔ)入同等的冷水水量進(jìn)入5 號(hào)水箱，此時(shí)5 號(hào)水箱上下溫度會(huì)快速低于直熱開啟水溫，熱泵機(jī)組快速開啟直熱加熱運(yùn)行，從5 號(hào)水箱底部抽取冷水加熱至目標(biāo)高溫?zé)崴a(bǔ)入1 號(hào)水箱，源源不斷的供應(yīng)高溫?zé)崴?。? 號(hào)水箱作為加熱水箱，當(dāng)其供應(yīng)水溫過(guò)低不足以供應(yīng)使用時(shí)，關(guān)閉5 號(hào)水箱與1 號(hào)之間的連通，停止從1 號(hào)水箱向外供應(yīng)熱水。

平日低用水量情景，由于少量熱水的供應(yīng)，5 號(hào)水箱補(bǔ)入的冷水水量較少，其上部溫度無(wú)明顯降低，機(jī)組不會(huì)開啟運(yùn)行，可最大程度的避免機(jī)組頻繁啟停、降低運(yùn)行能耗。但是一旦其上部溫度也低于直熱開啟水溫，則熱泵機(jī)組會(huì)開啟直熱加熱運(yùn)行。

無(wú)用水情景，長(zhǎng)時(shí)間不用水，各水箱溫度會(huì)出現(xiàn)溫降，根據(jù)2 號(hào)、3 號(hào)、4 號(hào)中間水箱溫度來(lái)判斷，是否需開啟熱泵進(jìn)行循環(huán)加熱運(yùn)行，確保快速供應(yīng)熱水需求。

綜合各使用場(chǎng)景可實(shí)現(xiàn)快速、舒適熱水供應(yīng)，冷熱水平衡保障、無(wú)供水水泵功耗等。為了獲取更大的工程COP，工程上采用變頻水泵，同時(shí)結(jié)合熱泵機(jī)組自身水流量的控制，可以實(shí)現(xiàn)10～50 ℃溫差直熱可控的方案，使工程實(shí)際過(guò)程多數(shù)開啟直熱運(yùn)行，從而獲得較佳的節(jié)能效果。

3 實(shí)地應(yīng)用與分析

3.1 熱泵機(jī)組及熱水水箱實(shí)地安裝照片（見圖2）

圖2 熱泵及水箱工程實(shí)景圖

集中熱水設(shè)計(jì)，熱泵主機(jī)安裝在露天平臺(tái)，閉式水箱安裝在地下室，熱水通過(guò)管網(wǎng)供給整個(gè)學(xué)校，實(shí)現(xiàn)熱水供應(yīng)。同時(shí)，該工程安裝自來(lái)水表、熱水表、電表、能量表等對(duì)工程進(jìn)行計(jì)量，采集相應(yīng)數(shù)據(jù)用于工程節(jié)能運(yùn)行分析。

3.2 系統(tǒng)使用效果分析

1）水箱溫度分布情況

在熱泵加熱或使用過(guò)程中，不同時(shí)段的水箱溫度分布曲線如圖3。由于水箱串聯(lián)布置，各水箱的溫度，總體呈現(xiàn)前高后低的逐步降低的趨勢(shì)。

圖3 水箱溫度分布

2）夏季放水模型分析

夏季環(huán)境溫度38 ℃，自來(lái)水溫度31 ℃，打開末端各宿舍的熱水龍頭，按純熱水放水模型測(cè)試。放水初期供水溫度40 ℃，熱泵在放水起始便滿足開機(jī)條件，開啟直熱加熱運(yùn)行。

在整個(gè)放水過(guò)程中，2 個(gè)小時(shí)內(nèi)的供水量達(dá)到24 噸，供水溫度由最初的40 ℃加熱到59 ℃，同時(shí)各個(gè)水箱的溫度逐步上升，前4 個(gè)水箱水溫都超過(guò)50 ℃。除末端熱水供應(yīng)外，5 個(gè)水箱自身增加熱量達(dá)到520 kW，由此可見夏季使用，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)限高溫?zé)崴?yīng)。

3）冬季放水模型分析

冬季環(huán)境溫度15 ℃，自來(lái)水溫度23 ℃，打開末端各宿舍的熱水龍頭，按純熱水放水模型測(cè)試。放水初期供水溫度53 ℃，放水21 min 時(shí)，熱泵滿足開機(jī)條件，開啟直熱加熱運(yùn)行。

在整個(gè)放水過(guò)程中，1 個(gè)小時(shí)內(nèi)的供水量達(dá)到20 t，較夏季放水速率高67 %，供水溫度由最初的53 ℃降低到45 ℃，同時(shí)各個(gè)水箱的溫度呈現(xiàn)大幅降低的趨勢(shì)，又以5 號(hào)水箱降溫最快。熱泵開機(jī)制取熱水、及水箱的儲(chǔ)熱兩部分熱量，確保冬季惡劣工況下放水1 h 純熱水量達(dá)20 t，滿足8.7 m3/h 的設(shè)計(jì)需求。即使在極限環(huán)境溫度7 ℃，相比環(huán)境溫度15 ℃，機(jī)組的能力衰減不超過(guò)15 %，也足夠滿足高峰用水需求。

圖4 夏季放水測(cè)試

圖5 冬季放水測(cè)試

4 結(jié)論

1）基于多水箱串聯(lián)的直熱閉式承壓熱水系統(tǒng)，減少了冷水對(duì)各水箱的沖擊，水箱溫度呈現(xiàn)階梯式分布，減小了水箱容積，并大幅提高了可用放水量。

2）夏季熱水需求量少的純熱水放水模型測(cè)試，熱泵可實(shí)現(xiàn)連續(xù)熱水供應(yīng)；冬季熱水需求大幅增加的放水模型測(cè)試，熱水系統(tǒng)單小時(shí)熱水供應(yīng)量滿足設(shè)計(jì)需求，余量充足，并根據(jù)熱泵制熱衰減量推測(cè)極端惡劣天氣下也足夠使用。

3）本文應(yīng)用的直熱閉式承壓熱水系統(tǒng)，無(wú)額外供水泵耗功，且充分發(fā)揮直熱加熱運(yùn)行節(jié)能的優(yōu)勢(shì)，年平均系統(tǒng)能效比提升15 %，為直熱式空氣源熱泵在閉式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供借鑒和參考作用。