双源热泵热水系统在现代建筑中的应用

摘要：简要介绍了双源热泵热水系统的技术原理及其应用特点；并通过工程实例，阐述了该系统在现代高层建筑热给水中的计算过程；通过与其他几种不同的供热方式运行费用的比较，解释了该系统较优势的节能效果；最后对热泵系统的发展提出了建议。

关键词：双源热泵；集中热水；节能

中图分类号：TE08 文献标识码：A 文章编号：

近年来，随着能源短缺的问题日益严峻及社会环保意识的提高，节能环保产品越来越受到大家的青睐。在建筑热水领域，用于制备热水的热源所需能耗占据整个热水系统能耗的85%以上，因此热源的选择十分重要。

目前常见的热源类型主要有燃气、燃油、电、太阳能及热泵等，前两种热源都存在高能耗、高污染并存在一定的安全隐患；而电能属于一种高品味能源，直接将其转化成热量，会造成能源浪费现象；太阳能是一种清洁、无污染能源，但其制热受天气影响较大，对于需要不间断供热的地方有一定的局限性，且安装位置受限；热泵系统主要分为空气源和水源两类，其热源属于低品位热源（空气、水），分布广泛，来源方便，安全无污染，双源热泵是将水源和空气源双热源相结合的方式，不同季节采用不同的热源，充分保证机组始终处于理想工况下运行，可以一年四季产热水，尤其在我国南方沿海地区，夏热冬暖，具有较好的应用条件。

1.组成与特点

双源热泵热水系统是利用环境中的空气和水作为低温热源，其运用逆卡诺循环原理，机组中的吸热介质（冷媒）从水（水冷机组中的冷却水、冷冻水、生活余热废水等）和空气中吸取能量，通过热泵系统（压缩机、水换热器、膨胀阀、换热器），使冷水温升至60℃左右，加热后的热水直接进入保温水箱，以备各项生活热水之用。其原理示意图如图1所示。

图1双源热泵热水系统原理示意图

该系统中，在夏季空调运行时，机组处于水源工况，回收空调冷却水制取热水，同时降低冷却水温提高了空调冷水机组的运行效率。当在冬季空调不用的季节，机组处于空气源工况，通过吸收空气中的热量制取热水，从而确保了热水机组始终处在最优工况工作，解决了其它类型热泵在寒冷气候时热泵工作的不平稳、压缩机超负荷运转的两大难题。

机组采用空调冷却水为热源，产水量大，同时降低了空调冷却水系统负荷，提高制冷能效，系统能效高、经济节能。机组出水温度恒定，在环境温度、进水温度、进水压力不断变化的情况下，始终能够保证机组的出水温度不变。同时机组可设室外，无需专设冷水机房、锅炉房或大面积保温工程，降低初投资并节约空间。

2.工程实例

本项目位于广东省珠海市，总建筑面积63 000m2，其中地上22层，地下3层，项目功能包含高级写字楼、配套服务及高档商业等，为一类高层办公建筑。根据甲方要求，该办公楼需保证办公时间全天候热水供应。

珠海年平均气温22.4℃，全年无霜冻，经综合比较及甲方的要求，决定采用双热源（空气+水源）热泵+空气源组合热水供水系统。其中双热源热泵供水工艺流程如图2所示。

图2双热源热泵热水系统工艺流程图

该系统在冬季以一次加热式空气源热泵热水机组（带循环加热功能）的热水系统，热泵主机用于给水的一次加热；夏季利用常规制冷机组冷却水二次利用制取热水。两个加热系统并联设置，自动切换，当空调系统开启时，利用水源热泵制取热水；当空调系统关闭时，利用空气源热泵制取热水。T2检测保温贮水罐中水温低于48℃时，热水一次循环泵开启，主机开启，加热水温。当T1检测管中水温度低于如50℃，电磁阀M1打开，同时启动生活热水二次循环泵，生活热水回水直接进贮水罐。

整个热水计算过程如下：

1）耗热量。办公楼热水用水定额7L/人·班；办公人数因无法获得确切人数，按5~7m2（有效面积）/人计算，有效面积按60%的建筑面积估算【1】，计算得总人数约3900人；使用时间为8h，计算冷水温度取15℃，设备出口热水温度取55℃；计算得最高日耗热量Qd=4 503 620.94kJ/d，小时耗热量Qh=844 428.93kJ/h。

2）热泵机组设计小时供热量。设定热泵工作时间15h/d，则热泵机组设计小时供热量为Qg=K1*Qd/T1=330 265.54kJ/h= 91.74kW。

3）储水箱容积。本工程采用保温水箱，在水箱中设根据《建规》（2009年版）5.4.2B中6）【2】计算得储水箱总容积为Vr=12.00m3；

将整个室内热水供水系统分三个区：低区1~9层；中区10~16层；高区17~22层。根据上述计算结果及实际情况，决定在高区热水系统采用双源（空气源+水源）热水机组一台，单台额定制热量为49.3KW（20℃），输入功率9.75KW，置于屋面；中低区选用取空气源热泵各2台，单台额定制热量19.2kW（20℃），输入功率5kW，置于首层室外。卧式不锈钢承压热水储水罐（1.0MPa）三台，每台有效容积取4m3，高中低区各一个。高区储水罐同机组一同置于屋面，中低区储水罐置于负2层热水机房。

现将几种不同的供热方式在相同的环境条件下运行费用进行比较分析：

表1几种供热方式运行费用对比表

注：上表中能源价格以当时当地价格为参考。

由上表可以看出，在该项目中，将每吨水加热到同等的温度，双热源（空气+水源）热泵+空气源组合热水供水系统比单纯选用空气源热泵热水系统节省了2.15元，是燃油热水系统运行费用的40%，燃气热水系统的35%，电热水系统的23%，节能效果明显。

3.结论及建议

1）双源热泵（空气源+水源）热水系统作为创新型节能产品，实现了空调和生活热水一体化，与其他供热方式相比，具有明显的节能优势，为那些需要使用空调和热水的场所，提供了整套最佳的解决方案。

2）由于热泵技术进入我国市场时间较短，产品技术水平不高，限制了其广泛推广。建议今后应针对不同地区特点，重点解决热泵在低温环境下运行性能及除霜问题，加大对热泵热水机组制冷剂及专用压缩机的研究，处理好机组运行效率与保证其可靠性等问题，为其在热水领域的推广奠定良好的技术条件。

参考文献

[1].《全国民用建筑工程设计技术措施》（2009版）给水排水。

[2].《建筑给水排水设计规范》（2009年版）GB50015-2003；中国计划出版社；2010；北京。