张 勇

（珠海格力电器股份有限公司 珠海 519070）

前言

空气源热泵热水机及系统因其节能、环保的独特优势，多年以来受到市场的青睐，被广泛应用于国内外生活热水等工程，其应用发展日趋成熟。

对于商用热水工程，产品及工程系统也有着多样化的发展[1,2]，其多样化的进程是源于安装位置限制、以及人们对于高品质热水的追求，近年部分热泵厂家针对此类需求，衍生了一些新的产品和工程形式，例如闭式承压水箱热水系统开始在市场上获得应用的机会，特别是一些星级酒店、高级学校等场所的应用，主要针对冷热水压力均衡、闭式卫生无污染、保温性能等方面进行改善和优化。

而市场上的闭式承压系统多采用循环加热的方式[3,4]，因直热加热闭式系统对于热泵产品的设计、控制复杂程度更高，所以只有少数采用直热加热的方式[5]，而本文针对高级中学对于品质热水的需求，考虑系统高峰供水的稳定性和节能性，研究设计一套直热加热承压闭式热水系统，并实地测试不同季节用水模型的供水情况和使用效果，为相关高品质热水工程的系统设计和应用提供参考。

1 项目简介与选型计算

1.1 项目简介

高级中学位于华南地区，师生总人数650 人，需要对宿舍及办公区域进行生活热水的集中供应。

1.2 选型计算

设计温度按照冬季最低室外环境温度7 ℃设计，热水定额100 L/人/天，冬季自来水温度为10 ℃，需求热水温度为50 ℃。

根据建筑给水排水设计规范，查热水用水小时变化系数3.28 ，用水高峰小时数4 h，日热水用水时间24 h，计算得出设计小时耗水量为8.7 m3/h，工程总需热量为3 286 kW；考虑水箱安装在地下室，空间有限，水箱按最小容积量计算为24.6 m3。

为保障充足热水供应，按最恶劣工况运行14 h 进行空气源热泵热水机的选型，同时考虑到冷热水供水压力平衡的因素，选用闭式系统。最终工程具体选型如表1。

表1 工程选型

2 系统设计

本系统从实际用水场景作为出发点，充分考虑用户使用过程中存在的多种用水模型，对常规直热循环式空气源热水工程系统进行控制优化设计，实现系统稳定大量供水。同时结合直热加热系统自身的节能优势，过冷度每提高1 ℃，COP 可以提升0.64 %[6]，最大程度的提升系统运行节能性，设计多数用水情景下实现直热加热的方式。

2.1 工程系统（见图1）

图1 工程系统简图

2.2 设计思路

本工程系统由8 台空气源热泵作为热源，机组并联安装，加热水箱中的自来水。5 个闭式水箱依次串联，如工程简图所示，从左至右依此为1～5 号水箱，热水取水点位于2 号水箱上方，由5 号水箱底部补入冷水。除闭式系统可取消供水水泵之外，此工程系统具备回水功能，回水管补入5 号水箱中下部，可根据回水管网温度及需求时间实现智能回水，图中未体现。

高峰用水情景，由于大量热水的供应，基于闭式系统进出平衡，同时会补入同等的冷水水量进入5 号水箱，此时5 号水箱上下温度会快速低于直热开启水温，热泵机组快速开启直热加热运行，从5 号水箱底部抽取冷水加热至目标高温热水补入1 号水箱，源源不断的供应高温热水。而1 号水箱作为加热水箱，当其供应水温过低不足以供应使用时，关闭5 号水箱与1 号之间的连通，停止从1 号水箱向外供应热水。

平日低用水量情景，由于少量热水的供应，5 号水箱补入的冷水水量较少，其上部温度无明显降低，机组不会开启运行，可最大程度的避免机组频繁启停、降低运行能耗。但是一旦其上部温度也低于直热开启水温，则热泵机组会开启直热加热运行。

无用水情景，长时间不用水，各水箱温度会出现温降，根据2 号、3 号、4 号中间水箱温度来判断，是否需开启热泵进行循环加热运行，确保快速供应热水需求。

综合各使用场景可实现快速、舒适热水供应，冷热水平衡保障、无供水水泵功耗等。为了获取更大的工程COP，工程上采用变频水泵，同时结合热泵机组自身水流量的控制，可以实现10～50 ℃温差直热可控的方案，使工程实际过程多数开启直热运行，从而获得较佳的节能效果。

3 实地应用与分析

3.1 热泵机组及热水水箱实地安装照片（见图2）

图2 热泵及水箱工程实景图

集中热水设计，热泵主机安装在露天平台，闭式水箱安装在地下室，热水通过管网供给整个学校，实现热水供应。同时，该工程安装自来水表、热水表、电表、能量表等对工程进行计量，采集相应数据用于工程节能运行分析。

3.2 系统使用效果分析

1）水箱温度分布情况

在热泵加热或使用过程中，不同时段的水箱温度分布曲线如图3。由于水箱串联布置，各水箱的温度，总体呈现前高后低的逐步降低的趋势。

图3 水箱温度分布

2）夏季放水模型分析

夏季环境温度38 ℃，自来水温度31 ℃，打开末端各宿舍的热水龙头，按纯热水放水模型测试。放水初期供水温度40 ℃，热泵在放水起始便满足开机条件，开启直热加热运行。

在整个放水过程中，2 个小时内的供水量达到24 吨，供水温度由最初的40 ℃加热到59 ℃，同时各个水箱的温度逐步上升，前4 个水箱水温都超过50 ℃。除末端热水供应外，5 个水箱自身增加热量达到520 kW，由此可见夏季使用，可以实现无限高温热水供应。

3）冬季放水模型分析

冬季环境温度15 ℃，自来水温度23 ℃，打开末端各宿舍的热水龙头，按纯热水放水模型测试。放水初期供水温度53 ℃，放水21 min 时，热泵满足开机条件，开启直热加热运行。

在整个放水过程中，1 个小时内的供水量达到20 t，较夏季放水速率高67 %，供水温度由最初的53 ℃降低到45 ℃，同时各个水箱的温度呈现大幅降低的趋势，又以5 号水箱降温最快。热泵开机制取热水、及水箱的储热两部分热量，确保冬季恶劣工况下放水1 h 纯热水量达20 t，满足8.7 m3/h 的设计需求。即使在极限环境温度7 ℃，相比环境温度15 ℃，机组的能力衰减不超过15 %，也足够满足高峰用水需求。

图4 夏季放水测试

图5 冬季放水测试

4 结论

1）基于多水箱串联的直热闭式承压热水系统，减少了冷水对各水箱的冲击，水箱温度呈现阶梯式分布，减小了水箱容积，并大幅提高了可用放水量。

2）夏季热水需求量少的纯热水放水模型测试，热泵可实现连续热水供应；冬季热水需求大幅增加的放水模型测试，热水系统单小时热水供应量满足设计需求，余量充足，并根据热泵制热衰减量推测极端恶劣天气下也足够使用。

3）本文应用的直热闭式承压热水系统，无额外供水泵耗功，且充分发挥直热加热运行节能的优势，年平均系统能效比提升15 %，为直热式空气源热泵在闭式系统的设计和应用提供借鉴和参考作用。