學生浴室空氣源熱泵熱水系統淺析

○雷兵山段朝霞

（1、武漢大學后勤保障部湖北 武漢430072 2、武漢大學采 購 與 招投標中心湖北 武漢430072）

一、項目概況

湖濱浴室位于我校湖濱學生宿舍區，二層獨立建筑，一樓設淋浴頭88個，二樓設淋浴頭92個。浴室熱源采用環保無污染且經濟節能的空氣源熱泵加熱系統，由空氣源熱泵熱水機組制取洗浴用熱水。考慮冬季隨環境溫度的改變、空氣源熱泵機組效能衰減等因素，冬季另配置有蒸汽混合加熱器輔助加熱（其蒸氣來源于燃氣鍋爐），與空氣源熱泵機組聯合制取洗浴熱水，保證系統全天候的制熱效果。系統設計熱水送水溫度為50℃。按全年學生用水量的平均值，本項目洗浴熱水的每天設計供應水量160噸，分為4個40噸模塊化供水單元，采取并聯供水模式。當季節變化用水量減少時，可選擇單模塊（或雙模塊）運行方式，有效地控制能耗。

二、空氣源熱泵系統

1、系統計算參數（見表1）

表1 系統計算參數

2、熱泵機組選型

根據本工程的實際情況，空氣源熱泵熱水機組的選型需滿足熱水供應，當冬季空氣源熱泵熱水機組出力不足時，啟動蒸汽加熱器輔助加熱。武漢地區最冷工況下室外濕球溫度按-4.0℃計算，熱泵的制熱量修正系數為0.6，冷水計算溫度為5℃。

按160噸水所需要的熱量計算：若冬季冷水的溫度5℃，那么熱水所提升的溫差就是45℃，根據公式Q=Lp×Δt×1.01可計算出綜合熱量：

Q=Lp×Δt×1.01 Kcal

=160000×45×1.01 Kcal

=7272000 Kcal（÷0.86）

=8456 KW

若確定機組運行時間16小時為加熱時間，那么每小時所提供的熱量應該為528KW。本項目的熱水系統設計為4套獨立系統，則每套系統設計的小時熱量為142KW。每套系統的空氣源熱泵機組總配置為：RBR-36F機組3臺，3臺機組的平均小時產熱量145.725KW，即可滿足要求。

3、熱泵機組選型校核

額定工況下空氣源熱泵熱水機組制熱能力：每套系統機組制熱量145.725KW，每小時產50℃熱水量：145.725KW×0.86÷（50℃-5℃）=2.78m3；機組日實際運行時間為：160m3÷（2.78×4）m3/h=14.39小時。

最冷工況下空氣源熱水機組制熱能力：武漢地區最冷工況室外濕球溫度為-4.0℃，熱泵的制熱量修正系數為0.6，冷水計算溫度為5℃。每套系統機組產熱量：145.725KW×0.6=87.435KW，每小時產 50℃熱水量：87.435KW×0.86÷（50℃-5℃）=1.67m3；4套系統每天產水量（50℃）為4×1.67×14=93.52噸。在該工況下，學生浴室熱水系統項目輔助加熱需配置每小時227KW的熱量。

4、系統組成

本系統由4個模塊單元組成，每個模塊單元由空氣源熱泵熱水機組、蓄熱保溫水箱、機組制熱循環泵及管路、熱水供水泵及管路、回水管路、集中控制柜等組成。

系統原理如圖1所示。

系統有4個獨立的制熱模塊單元，每套獨立模塊系統中3臺空氣源熱泵機組（制熱量40KW）與水箱采用并聯加熱方式，熱水循環泵一用一備。機組開機后，循環泵啟動，水在空氣源熱泵機組的換熱器中加熱又循環回水箱，然后由水箱下部循環管循環回機組換熱器加熱，如此周而復始循環加熱直至保溫水箱里的水到達設定水溫。

圖1 系統原理圖

每套獨立系統模塊的水箱與水箱有管道連接，每套模塊系統可獨立運行，也可并聯多模塊運行，緊鄰的系統可以并聯組合起來作為一個整體系統制熱，滿足高峰期的洗浴用水。

空氣源熱泵熱水機組與水箱連接管道設有過濾器、水流開關、閥門。過濾器裝設在機組的進水口處，阻止進水中的雜物進入機組，保護機組的換熱器及循環管路，防止堵塞。水流開關負責機組的正常運行，當保溫水箱中缺水或管路不通，無循環水流時，主機處于自動保護不開機狀態。機組進出水口裝設閥門主要用于機組停機檢修，當單臺機組需要檢修或維修時，關閉進出水閥門，不影響其他機組運行。其停機溫控設定范圍由環境溫度至50℃。

5、工作原理

空氣源熱泵熱水機組作為一種熱源有著獨特的功用，在制取50℃左右的熱水其能效比（COP值）能達到4左右，也就是說輸入功率與輸出功率之間是4倍左右，在以空氣作為采熱的對象連續工作中，熱泵機組能高效吸收空氣中熱量并轉移能量，用于制熱水。其工作原理如圖2所示。

圖2 熱泵機組原理圖

圖3 制熱效率衰減曲線圖

表2 現有設備用電功耗表

表3 能源分析表

由于空氣源熱泵式熱水器消耗的能量是機組內部壓縮機功率，所以它的功耗很低，壓縮機工作的時候工質循環吸收了空氣中大量的熱量，從而能有3—4倍于壓縮機功率的熱量輸出，這樣就形成很高的能效比（COP）。在相同的環境條件下加熱等量的水到相同的溫度，空氣源熱泵熱水器所花的費用約是電熱水器所花的費用的1/4。因此它具有節能環保優勢且無任何排放，這也就是該項目的最大優點。在該項目中，空氣源熱泵熱水機組在環境溫度低于7℃時，制熱效率開始衰減，根據現場觀測，其衰減曲線如圖3所示。

從圖3中可以看出，在全年工況下，武漢市的冬季低于2℃以下的環境溫度，空氣源熱泵熱水機組是需要第二熱源來完成熱水的加工任務的，所以在該項目的第二熱源設計中選用鍋爐房蒸汽加熱裝置。在環境溫度高于2℃以上工況下，空氣源熱泵的制熱工況還屬節能狀態，效能是環境溫度12℃的45%左右，當然環境溫度在一個24小時的周期是變化的，所以以上的曲線只是作為參考。

三、系統的能耗分析和比較

1、系統能耗分析

現有設備用電功耗表：寒暑假期系統停用90天左右，按每天用完160噸熱水計算，其實際功耗低于表2中的數值。

2、能耗比較

該項目全年的熱水使用總噸位為44000噸，實際的理論制熱量為2046512KW。在現有的供熱能源中，煤、電、氣、油為常規主要用能，下面根據用能類別作分析，詳見表3。

由表3可以看出，雖然氣候條件對本系統有一定的影響，但是顯著的節能指標還是得到了充分的體現。與各種能源相比，現在系統的日平均每噸水能耗只有10.378度電（本系統所有的用電設施總和），折合人民幣只有6.02元（單價0.58元/度）。與原來鍋爐系統每天的費用相比，能耗費用的支出大大降低，從全年的效益分析可以看出，本系統的節能和環保效果是穩定而顯著的。

[1]陳東、謝繼紅：熱泵技術及其應用[M].化工工業出版社，2006.

[2]徐偉等譯：地源熱泵工程技術指南[M].中國建筑工業出版社，2007.

[3]蔣能照、劉道平等編：水源·地源·水環熱泵空調技術及應用[M].機械工業出版社，2007.