浅谈空气源热泵热水系统设计

管平平

摘要：本文阐述了空气源热泵的定义、原理和组成部分等内容，对目前热水系统领域应用较多的节能技术进行横向比较，基于热水供应的稳定性以及节能效果，指出空气源热泵系统将是一种很有应用前景的集中供热技术；同时对空气源热泵热水系统的计算、选型和分类进行了综合归纳，为其综合利用提供了一定的计算依据和理论基础。

关键词：空气源;热泵;节能

1.空气源热泵热水系统概述

空气源热泵是利用能量转换方式来制取热水的设备。它既能使一种物质从气态变为液态,又能从液态变为气态,并循环往复,来实现连续制热。

目前热水系统领域应用较多的节能技术主要有太阳能和空气源热泵系统，鉴于太阳能热水系统需要较大的屋面建筑面积，热水供应的不稳定性以及节能效果的有限性，因此，空气源热泵系统将是一种很有应用前景的集中供热技术。

1.1空气源热泵机组的工作原理

空气源热泵既能使一种物质从气态变为液态,又能从液态变为气态,并循环往复,来实现连续制热。这种循环的物质就叫做工质。热泵中使用的工质通常是制冷剂,也叫冷媒,如R22、R417A等。空气源热泵是一种高效集热并转移热量的装置,主要由压缩机、空气热交换器(蒸发器),水热交换器(冷凝器)、膨胀阀(节流阀)四个部件组成。它可以把消耗的电能转化成3倍以上的热能,实现低温热能向高温热能的搬运。它运用逆卡诺循环原理,通过压缩机做功,使工质产生相变：气态-液态-气态，利用这一往复循环相变过程不断地吸热与放热,实现热量从空气侧向水侧的转移。

空气源热泵热水系统一般由热泵机组、热水储热水箱、热水循环泵组、换热器等组成。

1.2空气源热泵机组的节能原理

热泵是通过消耗一部分高品质的能量将热量从低温热源（空气）转移到高温热源（热水）中的一种装置，转移到热水中的热量Q1包括消耗掉的高品质电能W和从低温热源（空气）中吸收的热量Q2。根据能量守恒原理，有

Q1=W+Q2（式1）

式（1）两边同时除以W，则

Q1/W=1+Q2/W（式2）

定义能效比（COP）为热泵机组产出的热量与投入的热能（电能）之比，即产出与投入之比，COP=Q1/W由此可见，COP是与低温热源的热力参数相关的函数，对于空气源热泵而言，其值随空气的温度、湿度等参数的改变而变化，但无论如何变化，由式（2）可见COP值恒大于1，即热泵的热水效率突破了传统加热设备的热效率极限100%，这就是热泵节能的热力学依据。热泵不是热能的转换而是热量的搬运设备，热泵制热的效率，不受能量的转换效率（100%为其极限）的制约，而是受到逆向卡诺循环效率的制约，其理论上的最高效率为工作温度+273.15/高低温差。只要有效降低工作温差就可以提高制热效率。

空气源热泵热水器与电加热热水器、燃油热水炉、燃气热水炉的各项性能比较见下表。从表1可见：由于空气源热泵热水器的能源利用效率明显高于其他类型热水器，其运行能耗费用明显降低；而且减少了对空气的热污染，具有明显的环保效益。

1.3空气源热泵机组运行效率的影响因素

有研究表明，热泵机组制冷剂的充灌量对空气源热泵热水器的运行性能的影响，试验中使用R134a作为制冷剂，空气温度恒定为25℃，水箱起始水温为16℃，热水器控制器设定停机温度为55℃。试验发现，制冷剂的充灌量对热水器加热时间有一定的影响，加热时间随充灌量的增加呈现向下的抛物线形状。这是因为当充灌量过少时，由于没有足够的的制冷剂参与系统的循环，导致蒸发器吸热不足，系统加热时间较长；随着制冷剂充灌量的增加。系统加热时间逐渐缩短，当达到某个充灌量后，其影响逐渐减小，如果充灌量严重过多，则制冷剂会大量积存在冷凝盘管中，减少了换热面积，也会导致加热时间变长。此外，充灌量过多会导致过热度太小，可能发生液击，缩短压缩机的使用寿命。由此可见，在实际的制冷剂充灌中，应尽可能保证蒸发器出口有合适的过热度余量，同时又要使得蒸发器的传热面积得到合理的利用。热水机组额定制水量、机组出水温度及环境温度对热泵效率也有较大影响。

热水储热水箱的水温对热泵机组的效率有较大的影响。随着热泵机组的运行，储水箱的水温不断升高，进出水温差不断缩小，从而减小了热泵机组的冷凝器侧的换热效果，COP不断降低。因此，热泵机组的设定出水温度一般为50℃左右以提高其运行效率，空气源热泵机组的最高出水温度一般为60℃。在热泵机组出水温度设定的情况下，其COP值随空气温度基本成正比关系，即空气温度越高，其COP值越大。

1.4空气源热泵机组的缺点及其对策

采用热泵供应热水的方式，系统较为复杂。由于冷凝器的温度大于设定的热水温度（一般大于50℃），这使得压缩机的压缩比增大，对工况不利。这样使压缩机润滑发热油碳化，系统润滑效果不好，从而导致压缩机易被烧坏。此外热泵热水器的出水温度通常为50～60℃，在这个温度范围内水最易结垢，如果不能定期清洗换热器，换热器效率降低冷凝效果差，当水垢达到一定程度后甚至会使换热器发生破裂。

热泵热水系统一般为全年运行，在冬季为最不利工况，不利于设备的维修保养。系统的安全性及稳定性得不到保障。这也是上世纪七八十年代热泵热水系统在美国由盛转衰的主要原因之一。此外，对于长江中下游地区的气候，冬季极易结霜，这就使得能效比进一步降低。鉴于热泵热水系统的这种不稳定性，因此热泵热水系统一般均需要设置贮热罐和辅助加热设备，因而增大投资。在设计中为了更好的平衡这种缺点，就必须考虑适当降低热泵机组的设计负荷以减小设备规模，因此设计参数的选取至关重要。

2空气源热泵热水系统设计

2.1空气源热泵机组选型设计

(1)查询当地气象、水文参数

图1(a)空气源热泵直接换热系统形式（热泵机组循环加热式）

图1(b)空气源热泵直接换热系统形式（热泵机组一次加热式）

图2空气源热泵间接换热系统形式

合供热系统

图3(a)空气源热泵（一次加热）与太阳能联

图3(b)空气源热泵（循环加热）与太阳能联合供热系统

确定自来水补水温度、环境温湿度（包括年平均气温、冬季最冷月平均气温、当地春分、秋分所在月的平均气温等）及热泵机组出水设定温度。

(2)系统供热形式和规模的确定

空气源热泵系统按照供热方式可以分直接换热和间接换热方式。直接换热不利于冷热水压的平衡，需要设置热水加压泵，见图1；间接式（图2）需要设置板式换热器从而增加造价，且水箱供热温度一般不大于45℃，一般应用于最冷月平均气温大于10℃的地区。故上海地区不宜采用空气源热泵机组间接换热系统形式。目前应用的案例中一般多采用热泵机组直接换热方式，该方式系统控制较为简单。此外，考虑到太阳能与空气源的各自优势，二者联用供热系统形式在实际工程中也得到了应用，节能效果更佳明显，但控制较复杂，见图3。

根据热水供应场所的用水重要性、用水规律以及当地的气象条件确定是否采用辅助热源及其规模。如设置辅助热源，辅助热源规模应按照热泵最不利工作条件时供热与需热差值确定，热泵系统规模一般宜按照当地农历春分、秋分所在月的平均气温和冷水供水温度中的最不利条件计算选型；如不采用辅助热源时，空气源热泵的规模需要按照最不利工况计算选型（冬季最低气温和自来水温度）。空气源热泵及辅助热源的规模按照上述原则确定。辅助热源的确定宜就地获取，并经过经济技术比较后确定。

(3)计算最高日生活热水耗热量及最大时生活热水耗热量

此部分计算参见《建筑给水排水设计规范》2009年版5.3节相关内容。

(4)拟定热泵工作时间，确定热泵的型号和数量

由于热泵系统均需设置储热罐，故其按照最高日生活热水耗热量的要求选型。但应复核最大时条件下是否满足供热要求。

上海地区由于需要设置辅助热源，故按照当地农历春分、秋分所在月的冷水供水温度最低值计算日生活热水耗热量Qd。

热泵的工作时间T应根据用水规律，通过技术经济比较后确定。一般对于全日制供水时，取10-20h。对于定时供应时，由设计定。

热泵机组的制热量Qg=Qd×K/(3600×T)（式3）

式中，Qg-热泵机组的制热量，KW；

Qd-设计最高日耗热量，KJ；

T-热泵机组设计运行时间，h；

K-安全系数，取1.05-1.1；

热泵机组的输入功率P=Qg/COPh（式4）

式中，P-热泵机组的输入功率，KW；

COPh-在某一工况下热泵机组的能效比；其取值范围可参见表2。

根据Qg值查产品样本确定热泵型号及数量（应根据春分和秋分平均气温、机组设计定出水温度查询热泵性能曲线，确定热泵实际制热量，并考虑结霜等不利因素的修正）。

(5)计算确定热泵系统中储热水箱容积、板式换热器、一次热水循环泵等相关配套设备

?热泵热水系统储热总容积V按公式（5）或（6）进行初步计算：

.

式中，H-设计扬程，m；

∑h局部-循环管路的局部损失，m；

∑h沿程-循环管路的沿程损失，m；

2.2空气源热泵机组的其他选型要求

在有结霜可能的地区应选用带自动除霜装置的空气源热泵机组，机组运行期间的制热能力降低约10%～20%。（每小时最多允许除霜两次）。

并联布置的空气源热泵机组与保温储热水箱之间的循环管道应采用同程布置形式，以保证各循环泵组流量均匀。

机组数量的设置应考虑当地气温和负荷的变化情况，一般不宜少于2台。

热泵机组的布置应考虑其对周边气流的影响，不应靠近人流密集处。机组一般置于屋顶，应考虑其对周边噪声的影响。特别是对于高标准居住建筑，其室内噪声要求为白天低于50db，夜间低于40db。

机组的进风面离墙宜大于1.5m，机组控制柜距墙宜大于1.2m，顶部出风机组其上部净空宜大于4.5m。

两台机组的进风面相对布置时，其间距宜大于3m。

机组周围只允许一侧墙面的高度高于机组高度。

机组基础高度不应小于300mm，且大于当地积雪深度。

2.3空气源热泵机组的控制（以直接换热式为例）

(1)空气源热泵制备热水过程控制

①开机流程：

检测到储热水箱水温低于某值时（如55℃）→开机→打开进出水管上的电磁阀→启动机组内的四通阀→启动循环泵→启动压缩机

②关机流程：

储热水箱水温达到设定值（如60℃）→关机→关闭压缩机→关闭四通阀→延时60s→关闭水泵→关闭进出水管电磁阀

(2)辅助加热系统运行控制：

①系统开启条件：（同时满足以下条件）

1.压缩机运行超过一分钟；

2.T回水≤T设置-(回差+3℃)

3.T环境≤T环设

②系统关闭的条件：（满足以下任一条时均退出）

1.T回水≥T设置-2℃

2.T环境>T环设

(3)风机的运行控制：

当环境温度≤5℃时，开启高速风机；

当环境温度>5℃时，开启低速风机；

(4)除霜运行控制（以采用电加热除霜为例）：

①运行条件：当除霜感温器的温度低于除霜设定温度时，开始计时；当计时大于等于除霜间隔设置的时间，相应的系统开始除霜。水泵和相应的压缩机继续运行。电加热打开，四通阀打开，风机关闭。

②退出条件：当除霜感温器检测温度高于除霜退出设置温度（一般为15℃）或除霜运行时间达到除霜设置运行时间（一般为8分钟），或者高压开关跳开，便退出除霜回到制热状态。