空气源热泵热水机组控制系统设计及选择应用

摘要：随着能源需求日益紧张，节能减排、低碳环保显得尤为重要。空气源热泵热水器作为新型的节能设备，不仅改善国家电网的供电压力，而且为用户节省大量的运行管理费用。本文对空气源热泵热水机组控制系统设计及选择应用进行了探讨，以期完善和推广空气源热泵热水机组控制系统的运用，为国家的节能减排做出贡献。

关键词：空气源热泵热水机组；设计；选择应用

空气源热泵热水机组是当今世界上最节能的供热水设备之一，它是利用吸取空气中的热量，制取55℃～60℃（最高可达65℃）的高品质生活热水。空气源热泵热水机组是以制冷剂为媒介，运用逆卡诺原理通过压缩机做功使制冷剂发生物理相变（气态----液态----气态）不断吸热与放热，经过热交换装置及热水循环管网来制取热水的。这是当今世界上开拓利用较好的制热技术之一，它可以替代传统的锅炉蒸汽加热、燃油燃气、电加热、太阳能热水器等制取热水的设施，具有效能高，使用方便，安全节能、清洁环保等优点，使用前景广阔。

1 工程概况

某改造工程安装了空气源热泵热水系统。

1.1 系统A概况

A大厦共11层338间，入住约为1500人。每间房都设有独立卫生间提供热水，空气源热泵热水机组及附属设备均安装于宿舍楼楼顶。设计中依据的规范及标准为《建筑给水排水设计规范》（GB50015--2003）。对A大厦的空气源热泵热水机组进行设备选型，其设计热负荷根据《建筑给水排水设计规范》式5.4.28―1计算，其中热水温度t =55℃，冷水温度t =15℃，用水人数m=1500人，热水用水定额 =50L/（人・d）。

系统A采用直热加热模式，其特点是被加热水在机组冷凝换热器人口处进人，仅经过一次换热在出口处至预设温度。直热补水加热时间t取10h，计算可得，机组的设计热负荷Qg=175kw。热水日用量q计算为37.5m3，水箱配置的有效容积取热水日用量的80%，为30m3。系统A机组及附属设备见表1，流程见图1。

1.2 系统B概况

B大厦共6层189间，入住约800人，宿舍未设有独立卫生间，每个楼层设有2个浴室，空气源热泵热水机组及附属设备安装在宿舍楼附近地面。系统B采用循环加热模式，其特点是被加热水在水箱和机组冷凝换热器之间通过多次循环加热至预设温度，在整个加热过程中，热泵系统都处于动态工况。机组运行时间设定在白天能效比较大的时段，设定工作时间t为12h，热水用水定额 取60L/（人・d），计算得机组的设计热负荷Qg=93.3kW。热水日用量q计算为24m3，水箱有效容积取20m3。系统B机组及附属设备见表2，流程见图2。

2.1 系统A运行控制模式

5台空气源热泵热水机组分为2组控制，其中2台大机组和1台小机组并联构成组合①，另外2台大机组构成组合②。保温水箱内设置水位传感器和温度传感器各2个，检测的水位、水温信号分别传递给组合①和组合②，控制组合①和组合②的启停，且水位优先控制。水位传感器为竖直方向的4个浮球，对应水箱的4格水位，当低于设定的某一格水位时，开启冷水增压泵和机组进行直热加热模式，把冷水直接加热到T1（取55℃，可调），直至到达设定水位。通过温度传感器检测水箱内的水温，当水箱水温低于设定温度T2（取48℃，可调）时，开启热水循环泵和机组进行循环加热，直至水箱内水温达到设定温度T3（取55℃，可调）为止。系统对机组及热水循环泵、冷水增压泵未设置时控，而对热水增压泵采用变频控制并设置时控，设定运行时间段为6：15～8：15、10：15～13：45、16：15～0：00。

系统A控制方案优点：①充分考虑到空气源热泵热水机组直热加热模式即时、高效的特点，进入热水系统的冷水都要经过直热加热。②对机组不设时控以保证居民全天用水水温；对热水增压泵采取变频控制并设时控，早、中、晚三个用水高峰时段供应热水。因此，该系统基本可以保证热水的全天供应，居民满意度高。缺点：对机组不设时控，机组和热水循环泵能耗大，热损失也较大。

2.2系统B运行控制模式

系统采用循环加热模式，分别设置有1个循环水箱和2个保温水箱。冷水由市政管网直接进入循环水箱，当循环水箱水位达到设定值后，开启热水循环泵和机组对循环水箱内的水进行循环加热，机组进、出水温差约为6℃。当机组出水温度达到设定值45℃时，循环水箱热水进口电磁阀关闭，保温水箱热水进口电磁阀开启，热水直接送人保温水箱存储。当保温水箱的水位低于设定下限值时，补充冷水至设定水位后再次进行循环加热，直至保温水箱内的水位达到设定值。当保温水箱内的水温下降至设定值时，开启热水循环泵和机组对保温水箱内的水再次进行循环加热，直至水箱内的水温达到45℃。系统对热水增压泵设有时控，设定运行时段为11：30--13：00、17：00～0：00；同时也对机组和热水循环泵设有时控，运行时段为8：00～20：00。

系统B控制方案优点：对机组及附属设备均设有时控，限定设备运行时段，确保机组在室外气温较高的情况下运行，尽可能提高机组制热性能系数（COP），机组及设备运行能耗较低，热损失较小。缺点：热水即时供应能力差，热水供应时间受很大限制，热水水温较低，居民满意度较差。

3、系统耗电量、用水量对比

由表3和表4可以计算得出：系统A全年制备热水（55℃）的耗电量为20.43kW.h/m3，系统B全年制备热水（45℃）的耗电量为12.87kW・h/m3。系统B采用循环加热模式，在循环加热过程中被加热水的温度随着加热时间的延长而逐渐上升，冷凝压力、压缩机的排气温度和排气压力也不断上升，机组COP不断下降。当被加热水温度达55℃时，机组不仅运行在COP很低的状态，而且压缩机排气温度与排气压力迅速上升，过高的排气温度与排气压力必然会导致压缩机和系统工作的不稳定，影响机组使用寿命。因此，系统B设定热水出水温度为45℃，循环加热模式在使用中热水水温会受到一定限制。而直热加热模式压缩机各参数变化不大，适合制取45～60℃的热水，适用性较强，直热加热模式热水系统在A大厦使用中具有更广阔的前景。

但系统A存在能耗过大现象，通过长期观测和试验数据发现是由实际运行中控制不合理造成的，问题如下：

（1）实测数据表明全天热水使用量的70%～80%是在晚间（18：00～0：00），系统A在夜间（22：00～03：00）气温较低的情况下机组启动直热加热模式进行补水。空气源热泵热水机组COP受环境温度的影响较大，机组运行时的COP越高，

节能性就越显著。

（2）补水在晚间进行，导致白天时段用水量较小的情况下水箱内大量热水进行循环加热，机组和热水循环泵能耗大，热损失严重。设定保温水箱内水温低于48℃开始循环加热，加热至55℃，此过程机组COP很低。

4、直热加热系统优化运行方案及经济性分析

4.1系统A优化运行方案

以某地区为例，由该地区气象资料（见表5）可知，每天最高温度约在午后（15：00～16：00），对系统A直热加热模式工作时段进行优化。由于全天环境温度的峰值出现在午后至傍晚，这个时段进行直热加热有利于系统COP提高，同时可减少循环模式的循环加热水量；设置较低的循环加热模式的进出水温度，尽量避免机组启动循环加热模式（设定保温水箱内水温降至40℃开启循环模式，加热至47℃满足白天热水使用要求即可）。针对本工程，设定出水温度55℃，补水量按17～20m3/d计算，5台机组同时开启工作4～6h可达到补水要求，机组开机进行直热补水时间可选择在13：00―18：00。

4.2经济性分析

系统A选择长方体保温水箱，内胆为$30408食品级不锈钢，底板厚1.5mm，下侧板厚1.5mm，上侧板厚1.2mm，顶板厚1mm，板型为平板；外胆为$35350不锈钢，厚0.5mm，板型为瓦楞板；保温层为50mm厚聚安酯保温材料。根据实测保温水箱的保温性能，水箱内热水一天的温降5-10℃（从水箱内水温为55℃开始放置降温）。优化前，设定水箱水温降至48℃时启动循环加热模式，加热至

55℃，由于水箱内热水自然温降和热水回水缘故，循环加热模式在白天启动1次（冬季偶尔出现2次，计算中不予考虑），循环加热水量约为27m3。优化后，设定水箱水温降至40℃启动循环加热模式，加热至47℃，冬季循环加热模式在白天启动1次，循环加热水量约为15m3；过渡季和夏季循环加热模式基本不启动，计算中不予考虑。

采用优化方案后空气源热泵热水机组的经济性能比较结果见表7。从表7可以看出，优化后空气源热泵热水机组的经济性能在不同季节都有显著提高，过渡季、夏季、冬季机组的运行能耗分别可降低45.7%、47.9%和27.3%。年运行时间按10个月计算），优化后机组年运行能耗可降低41.6%，节电量为38023 kW・h，运行费用可节省19772元，减少碳排放量629.2t，减少硫排放量50.9t。由于优化方案实施后循环加热模式的时间变短，循环加热水量减少，热水循环泵的能耗也会降低，系统节能效果会更明显。

5、结语

（1）循环加热模式热水系统在实际应用中适宜取较低的热水出水温度（45℃左右），以保证系统运行的高效性和稳定性；直热加热模式热水系统不仅具备即时供应热水的能力，而且适用性强，适合提供较高温度的生活热水（55℃左右），在大厦的推广中具有更广阔的前景。

（2）应结合当时气象资料，对空气源热泵机组直热加热模式设置时控，采用午后加热模式，不仅可以提高机组直热加热模式下的COP，而且可以减少白天循环加热模式下的循环加热水量，提高系统能效比，降低运行费用。同时，设置较低的循环加热模式热水进出水温度，提高机组循环加热模式下的COP，延长机组寿命，并尽可能避免启动循环加热模式。