空氣源熱泵熱水系統的改進及節能分析

張靖，胡翀赫，梁星宇，曹祥,2，王喜春，張春路*

（1-同濟大學機械與能源工程學院，上海 201804；2-同濟大學機械工程博士后流動站；3-上海延華智能科技（集團）股份有限公司；4-上海東方延華節能技術服務股份有限公司，上海 200060）

0 引言

目前，大中型建筑（如辦公樓、醫院和宿舍樓等）常使用集中式加熱分區系統提供生活熱水[1-3]。該系統以某建筑或者某片區建筑為單位，以中大型蓄熱水箱為主，形成中央熱水供應站。通過網狀式布局的熱水管道將熱水送至各分區，再由各分區的輸配管路將熱水送至各配水點[4]。隨著近年來人們對節能環保的重視，空氣源熱泵因其對環境友好、效率高等特點成為熱水系統熱源的可靠選擇[5-9]。

根據加熱過程中機組冷凝溫度是否發生變化，熱水系統可分為即刻加熱式和循環加熱式[10-11]。現有循環加熱熱水系統通常存在以下問題：1）熱泵制取的高溫熱水、末端管網的中溫回水、補水管道的低溫冷水統一送入熱水水箱中，存在混水損失[12]；2）多臺熱泵主機和集熱水泵使用同一控制器，只能整體開停，不利于部分負荷下機組控制，開停損失大；3）為抵御混水溫降、避免頻繁啟停，熱泵主機供給更高的水溫來應對末端供水，提高機組平均冷凝溫度，降低了熱泵主機的平均能效。

針對上述問題，張后雷等[12-13]研制了一種往復流動加熱雙水箱熱泵熱水器，可以減少冷熱水混合的損失，但該試驗系統機構較為復雜，系統魯棒性有待進一步驗證。鹿琳等[14]設計了一種由加熱水箱和儲水水箱構成的熱泵熱水系統，該系統不僅減少了混水損失，還在一定程度上降低了機組工作的冷凝溫度。BANISTER等[15]研究了一種太陽能輔助熱泵雙水箱系統，實驗表明該系統具有十分好的節能性，適于中大型住宅或區域使用。江軼政等[16]設計了一種并聯冷凝式空氣源熱泵熱水系統，通過分級加熱方式分散冷凝器總換熱量、降低冷凝器進出口水溫差。孫鵬等[17]對一種兩級冷凝熱泵熱水系統進行建模優化，探討了冷凝器換熱管的配比。

本文針對某大廈空氣源熱泵熱水系統，利用實地測驗對該系統進行建模仿真，并提出改造建議。設計了一種雙溫水箱結合梯級加熱、部分開停的空氣源熱泵熱水系統，具有良好的節能潛力。

1 系統方案

以某大廈為例，其空氣源熱泵熱水系統原理如圖1所示。該空氣源熱泵熱水系統中只設有熱水箱（出于檢修和清洗的目的，一般系統中設有兩個熱水箱，但管路和閥門設置相同，相當于一個大熱水箱），自來水補水和末端回水送入熱水箱中和原有的熱水摻混，空氣源熱泵主機加熱熱水水箱，使水箱中的水保持高溫，末端管網從熱水水箱中取用熱水，送至各配水點。其中空氣源熱泵機組群和水泵使用同一控制器，只能整體開停。

圖1 某大廈原有熱泵熱水系統原理

本文提出的雙溫水箱+梯級加熱+部分開停的空氣源熱泵熱水系統原理如圖2所示。新系統中設有熱水箱和溫水箱，末端回水和冷水補水首先進入溫水箱混合，然后經過空氣源熱泵機組加熱至供水溫度送入熱水箱，末端用戶從熱水箱中抽水使用，構成水箱-用戶以及熱泵-水箱的二級循環。空氣源熱泵機組采用梯級加熱方案，回水經歷一級加熱并聯熱泵機組升至中溫，再經歷二級并聯熱泵機組加熱升至高溫，達到供水溫度。熱泵機組工作時，對應梯級加熱方案中的機組分組，采用“半開-全開”式策略，應對不同末端負荷。

圖2 新方案空熱水系統原理

和原有空氣源熱泵熱水系統相比，該系統方案有以下幾點優勢：

1）減少混水損失，避免了傳統熱水系統冷水補水直接和熱水供水直接混合的問題，不僅降低了混水損失，還保證了補水階段熱水系統的熱水供應；

2）降低熱泵冷凝溫度，避免了高溫供水和中溫回水以及低溫補水的混合，熱泵不再需要以原有的供水溫度供水，降低了熱泵供水溫度；新方案供回水溫度更低、機組冷凝溫度也更低，提升能效；

3）提升機群能效，采用雙溫水箱方案之后，熱泵進水溫度較低，熱水加熱溫差較大，宜采用梯級加熱方案加熱。熱泵的能效主要與出水溫度相關，引入梯級加熱，可降低第一級熱泵的出水溫度，降低冷凝壓力，從而進一步提升系統整體能效[18]；

4）減少開停損失，傳統空氣源熱泵熱水系統多采用整體開停的方案，當機組處于部分負荷時，開停損失嚴重。本方案引入“半開-全開”的分組開機策略，可以降低由于整體開停帶來的系統損失。

2 系統仿真模型及驗證

以某大廈空氣源熱泵熱水系統為實際工程背景，搭建了熱泵系統的模型[19-20]。

為了驗證仿真模型的精度，對單臺熱泵機組進行實地測試。測試時室外環境干球溫度24.7 ℃，相對濕度55.3%，風機風量14,700 m3/h，熱水供回水溫度為42.1 ℃和50.2 ℃。仿真和測試結果對比如表1所示。

表1 仿真模型誤差

3 性能分析

利用驗證后的熱水系統仿真模型分別對原有空氣源熱泵熱水系統以及雙溫水箱+梯級加熱+部分開停系統進行計算。為分析不同措施對應的節能效果，本節將分步研究不同末端用水比例以及不同環境溫度下，兩種方案的差異。其中，用水比例指的是指向末端供應的循環水中，被實際用掉的水量占總循環水量的百分比。

3.1 雙溫水箱

雙溫水箱避免了冷水補水、中溫回水和高溫供水的直接混合，可避免混水損失。同時，由于此方案降低了機組供水和出水溫度，可以降低空氣源熱泵機組的冷凝溫度，從而提升機組能效。

如圖3和圖4所示，使用變頻水泵的冷熱水箱方案，不同工況下的熱泵機組節能量可達約10%～12%，供熱能力可提升2%～5%。

圖3 雙溫水箱方案熱泵COP提升

圖4 雙溫水箱方案系統制熱能力提升

3.2 梯級加熱

使用雙溫水箱方案之后，熱泵機組的供回水溫差比原系統更大，可以利用梯級加熱達到很好的制熱效果。如圖5所示，當末端用水比例較高時，梯級加熱方案節能潛力較大，可將熱泵機組節能量進一步提升至約15%～17%。

圖5 梯級加熱方案熱泵COP提升

3.3 部分開停

查閱該大廈過往電力記錄，對該系統的生活熱水負荷進行初步估計，結合熱泵機組在不同環境溫度下的制熱量，對熱水系統進行綜合分析。圖6所示為熱水系統在不同環境溫度對應的熱泵機組最小開機臺數。結合工程所在地上海的年氣象參數，給出如圖7所示的最小開機臺數出現時間占比。

圖6 不同環境溫度下機組最小開機臺數

圖7 最小開機臺數出現時間占比

大部分情況下，部分機組開啟即可滿足供熱需求；全年工況中，最小開機臺數為2臺對應的溫度時長最長，占比達59%。結合梯級加熱方案，本系統采取“半開-全開”策略。該策略可以節省機組的開停損失，進一步提升機組的能效。

4 結論

本文根據實際工程設計了一種雙溫水箱結合梯級加熱、部分開停的空氣源熱泵熱水系統，建立仿真模型，對兩種方案進行了對比分析，得出如下結論：

1）雙溫水箱方案可以避免熱水系統水箱冷熱混合的問題，減少冷熱損失；同時降低熱泵冷凝溫度，提高機組能效；和單熱水箱方案相比，可節能約10%～12%，供熱能力可提升2%～5%；

2）梯級加熱方案可以在雙溫水箱方案上降低前一級機組冷凝溫度，進一步提升能效，在用水比例高時對系統能效提升明顯，可達15%～17%；

3）部分開停方案可以減少機組由于整體開停帶來的開停損失，更好應對部分負荷下制熱要求。