连小鹰 陈谊

【摘要】本文就集中式的空气源热泵热水系统应用于学生宿舍热水系统进行设计和分析研究，对空气源热水系统的基本组成、工作原理、系统设计、设计要点等方面进行了分析阐述，并通过计算校核，合理选择空气源热泵机组、储热水箱和电辅助加热等系统的规格，并对该系统的设计应用进行经验总结，从而希望对空气源热水系统在宿舍等公共建筑的应用发展提供一点借鉴。

【关键词】空气源热水系统;COP;电辅助加热;储热水箱

Abstract：  This article designs and analyzes the application of a centralized air source heat pump hot water system to a student dormitory hot water system. The basic composition， working principle， system design， design points of the air source hot water system are analyzed and explained， Through calculation and verification， reasonable selection of the specifications of the air source heat pump unit， hot water storage tank， and electric auxiliary heating system， and the experience of the design and application of the system， so that we hope that the air source hot water system in Application development provides a bit of reference.

Key words：  Air source hot water system;COP;lectric auxiliary heating;Hot water storage tank

1、前言

節能减排和环保，这是各行各业面临的重要课题，也是经济发展对广大科技技术人员提出的殷切希望和要求。空气源热泵机组凭借着节能、环保、可靠等优势在国内热水系统应用中到了全面的推广。在实际应用中也发现了一些应用的局限性和实际问题。本文通过对某学生宿舍的空气源热水系统进行设计和应用，对该系统进行总结分析，希望为空气源热水系统的应用和发展提供一点的借鉴。

宁波市作为沿海经济发达城市，于2010年推出《宁波市民用建筑节能管理办法》，在2016 年发布了《宁波市住房和城乡建设委员会关于转发省住建厅要求加强可再生能源建筑一体化应用工作的通知》 ，规定有热水需求的公共建筑，应进行太阳能热水系统、空气能热泵热水系统及两者结合应用系统的技术经济性分析，以确定合理的热水供应形式。

因此研究适合该地区宿舍楼等类型公共建筑的合理的空气源热水系统是极为必要和亟待解决的问题。

2、空气源热水系统的工作原理

2.1 工作原理

根据逆卡诺循环原理，空气源热泵热水机组输

入少量电能为驱动力，以冷媒为工作介质，压缩机将冷媒压缩，空气能热水器压缩后温度升高的冷媒，经过水箱中的冷凝器制造热水。热交换后的冷媒回到压缩机进行下一循环。在这一过程中，空气热量通过蒸发器被吸收导入水中，产生热水。空气能热泵在运行中，蒸发器从空气中的环境热能中吸取热量以蒸发传热工质，工质蒸汽经压缩机压缩后压力和温度上升，高温蒸汽通过永久黏结在贮水箱外表面的特制环形管冷凝器冷凝成液体时，释放出的热量传递给了空气源热泵贮水箱中的水。冷凝后的传热工质通过膨胀阀返回到蒸发器，然后再被蒸发，如此循环往复。空气能热泵传热工质是一种特殊物质，常压下其沸点为零下40℃，凝固点为零下100℃以下，该物质冷的时候是液体，但很容易被蒸发成气体，反之亦然。在实际运行中，空气源热泵中传热工质的蒸发极限温度为零下20℃左右，因此5℃的环境温度对如此低的温度也是“热”的，甚至下雪的温度，比如说0℃，相比之下也是热的，因此，仍可交换一些热能[2]。

2.2 系统组成

空气能热水系统一般由空气源热泵机组、储热水箱、水泵、管道及附件、电辅助加热系统、控制系统等部分组成，热水通过系统循环来加热储热水箱中的水，然后从储热水箱供水至用户[1]。

2.3 系统优劣

（1）高效节能。空气源热泵机组能效比一般在1.5～ 6之间，在宁波地区年均可达到3左右，而其他的普通电热水器、燃气、燃油锅炉等传统热水器的能效比一般只有0. 6～ 0. 9左右。

（2）经济效益高。初期投资不高，后期运行和维护成本较低。

（3）环保无污染。该产品是通过吸收环境中的热量来制取热水，是环保型产品。

（4）运行安全可靠。该产品相对于传统的电热水器、燃气、燃油锅炉等，属于安全可靠的热水系统。

（5）适用范围广。该系统可用于学校宿舍、酒店、医院、游泳池等场所。

但由于空气源热水系统还处于起步阶段，还存在着一些问题，比如：机组设备质量参差不齐、系统整体稳定性有待提高、冬季效率较低等问题。

综合考虑，空气源热水系统节能环保，性能好，经济效益高，集中管理方便，使用舒适性较好，不存在计量收费问题，因此该系统较适合该地区的学校学生宿舍等公共建筑。

3、空气源热水系统的应用

3.1 工程概况

本工程位于宁波市江北区，地上共有5栋多层建筑，其中一栋为6层研究生学生宿舍楼，2～6层为宿舍。宁波地区属亚热带季风气候，温和湿润，四季分明。宁波市的多年平均气温16.4℃，平均气温以七月份最高，为28.0℃，一月份最低，为4.7℃。宁波市无霜期一般为230天至240天。

3.2 设计参数

本工程学生宿舍楼为居室内设卫生间类型的宿舍，设计人数按150人/d，最高日热水用水量定额取93L/人·d（取规范的中间值，生活热水温度已转换为55°），总热水用量13.95m3/d。平均日热水用水量为55L/人·d（取规范的中间值，生活热水温度转换为55°）。计算生活热水温度：55°，计算冷水温度15°。

3.3 系统方案

本工程学生宿舍热水系统采用集中式的空气源热水系统，空气源集热系统采用集中集热、集中储热、集中供热水，供给宿舍热水。空气源热水系统采用空气源作为热源，并设置电辅助加热系统。

3.4 系统设计

3.4.1空气源热水机组设计

按《太阳能和空气源热泵热水系统应用技术规程》DB33/1034-2016计算公式，热水设计温度为55℃，冷水温度15℃。

a.空气源热水系统的设计小时供热量按下式计算：

式中：

Qg—热泵设计小时供热量（kJ/h）;

qr—热水用水定额（L/人·d 或 L/床·d）;

m—用水计算单位数（人数或床位数）;

tr—热水温度，tr一般取55（℃）;

tl—冷水温度，应以当地实测数据资料确定。当无水温资料时，可按规范附录B采用;

T1—热泵机組设计工作时间（h），应根据用水需求、气候条件和系统经济性等因数综合考虑确定。分散独立式系统建议取5～8小时，集中式热水系统的全日制供水时建议取 8～20 小时，不设辅助加热设备的系统，热泵的工作时间宜取下限，以便给最高日用水量发生时留出足够补充加热能力。定时供水时，T1由设计人确定;本工程热泵机组设计工作时间取中间值12h。

K1—安全系数，取 1.10～1.20。

b.空气源热泵的输入功率可根据热泵的设计小时供热量和热水系统的能效比值按下式计算，并符合浙江省《民用建筑可再生能源应用核算标准》DB 33/1105的要求。

式中：

Qr—热泵的输入功率（KW）;

COP—热泵热水系统的能效比值，无量纲。

空气源热泵热水系统进行全年节能量计算时，宁波地区的系统能效比值宜取 2.5，冬季使用宜取 1.5。

最小装机功率复核：空气源热泵热水系统设计时还应满足最小装机功率要求，空气源热泵热水系统的最小装机功率应根据日热水用水量，额定COP为2.5，8小时的热泵工作时间计算。

因此，经上述计算，本工程设置3台空气源热水机组，每台参数：输入功率9.30KW，制热量为38KW。空气源热水机组总装机功率：27.90KW，总制热量为114KW。

3.4.2 电辅助加热系统设计

电辅助加热按冬季最不利月份空气源热泵COP降至1.5，冷水温度为5℃来计算。

该工况下，空气源热水系统的设计小时供热量：

空气源热泵的输入功率不足部分采用电辅热加热（考虑电加热95%热效率）。

因此，电辅助加热功率：

因此，本工程在设置总功率为34KW的电辅助加热系统，分别在每个热水箱内设置17KW的电辅助加热装置，共2套。

3.4.3 储热水箱设计

空气源热泵热水系统的储热水箱有效容积计算，当无法确定设计小时耗热量持续时间时，储热水箱（罐）有效容积也可按下式计算：

式中：

k2—安全系数，取1.10～1.20;

m—用水计算单位数;

qr—热水用水定额（升/人·天或升/床·天，以55℃热水计），当用水量标准为60℃，或其他水温时，应进行换算;

T1—热泵机组设计工作时间（h）。

因此，本工程在热水机房内设置有效容积为4.20m3的热水箱两个，热水箱总容积为8.40m3。

3.4.4 集热循环泵

一次加热（直热）式空气源热泵空气源热泵热水系统的供水量应由系统根据水温自动控制，且冷水系统设计应保证热泵系统的水量要求。空气源热泵热水机组循环泵流量应根据热泵的供热量和循环温差，按下式计算：

式中：

qrx—空气源热泵热水机组循环泵流量（L/s）;

k—安全系数，取1.10～1.20;

Qg—热泵机组设计小时供热量（kJ/h）;

ρr—水的密度，可取0.9832kg/L ;

Δt—热泵机组的进出口温差（℃），5-7℃，一般取5℃。

因此，本工程空气源热水系统设置一套集热循环泵，集热循环泵参数为：Q=4L/s，H=15m，N=2.2KW;水泵一用一备。

3.4.5 热水系统供水泵

本工程2～6层宿舍热水采用变频加压热水供水泵加压供给，设置一组变频加压热水供水泵。经计算，供水参数为：Q=5L/s，H=45m，N=5.5KW;水泵一用一备。

3.5 系统复核优化

3.5.1 空气源热泵机组输入功率复核

本工程设置3台空气源热水机组，每台参数：输入功率9.30KW，制热量为38KW。热泵总输入功率为3×9.30=27.90KW>Qr>Wmin 。因此，本工程所选的空气源热泵机组能满足本工程所需的空气源热泵的输入功率和最小装机功率要求。

3.5.2 空气源热泵机组产水量复核

a.非冬季工况时，单台热泵机组产水量：

式中：

K1—除霜系数;

Qs—热泵机组制热量（KW）;

本工程设计日热水用水水量为13.95m3，取1.1安全系数，经计算，非冬季工况时空气源热泵机组需工作6.2h即可，满足规范要求。非冬季工况时，热泵机组COP较高，达到了4.5左右，因此该工况下机组只需较短的运行时间就可以满足整天的热水量需求。