中国核电工程有限公司郑州分公司 郑州 450052
摘要：本文介绍了空气源热泵的工作原理及特点，并针对工程的项目基本情况，重点说明了采用空气源热泵机组的热水系统中供热量计算、空气源热泵及循环泵的选型，为相同情况的工程设计提供了参考。
关键词：空气源热泵 热水计算 设备选型
热泵技术产生之后，主要用于暖通空调。进入了新世纪以后，利用热泵技术来制取生活热水的空气源热泵机组，因其具有经济节能和安全环保的特点，得到了大力的推广。在国外，一些发达国家和地区的热泵使用比例已经高达70%，而在日本的应用已经基本普及，生活热水工程中有60%～70%使用空气源热泵热水机组。空气源热泵热水机组技术日趋完善，已成为当今世界上最节能、可靠及安全的供热水设备之一。
1.空气源热泵热水机组
1.1空气源热泵热水机组的工作原理
空气源热泵热水机组一般由压缩机、冷凝器、储液器、过滤器、膨胀阀、蒸发器等组成。其工作原理为：处于低压的液态循环工质（如R22、R417a等）流经蒸发器时从空气中吸收热量，蒸发变成气态，流进压缩机，经过压缩机压缩后升温升压，变成高温高压的蒸气；从压缩机排出的高温高压的蒸气流经冷凝器时将从空气中吸取的热量和压缩机做功消耗的电能转化成的热量传递给流经冷凝器的冷水，使冷水的水温升高。高温高压的气态循环工质通过冷凝器降温后变为液态，高压液态的循环工质流经膨胀阀后，压力下降，变成低压液体，低压的液态工质流入蒸发器，由于循环工质的沸点低，极易从空气中吸收热量而气化，变为低温低压的蒸气，如此不断的循环，可将低温的冷水加热到设定的温度。
1.2空气源热泵热水机组的特点
（1）高效节能
空气源热泵热水机组能把空气中的低温热能吸收进来，经过压缩机压缩后转化为高温热能，加热水温。这种热水器具有高效节能的特点，其耗电量是同等容量电热水器的1/4，是燃气热水器的1/3，常规太阳能的1/1.5。一般情况下，每消耗1度电大约能产生3度~4度电以上的热量，机组的能效比（COP）平均可达3~4以上。
（2）经济耐用
空气源热泵热水机组无需燃料供应系统，因此无需燃料输送费用和管理费用；设备紧凑，操作维护简单，无需人工管理费用，无需设立专门的设备房，不占用有效的建筑面积，节省土建投资；运行可靠，工作环境温度为-5℃~40℃，使用寿命长。
（3）安全环保
空气源热泵热水机组加热过程中，水电完全分离，无触电危险；不产生废烟、废气、废水，不破坏臭氧层；同时空气源热泵抽取空气中的热量制热后，排出的是冷风，有利于改善环境温度。
2.工程概况
2.1项目工程概况
该工程所在地为四川省某市，其当地年平均温度为16.3℃，最冷月月平均温度为1.5℃。因为当地的平均气温较高，本工程的热水系统拟采用经济节能的空气源热泵热水机组提供，即在春、夏、秋三个季节，由空气源热泵机组制取生活热水；冬季由空气源热泵热水机组和电加热器辅助加热联合制取热水。
2.2项目设计要求
（1）淋浴热水工程送水温度为40℃。空气源热泵机组具有漏电、逆相、过载、过热、低压、高压保护功能、有自动除霜功能。
（2）每天淋浴人数为13人，采用定时供应热水制度，淋浴时间为1h，设6个淋浴喷头。
（3）卫生热水系统控制要求功能为电源指示、电压指示、电流指示、空气源热泵设备起停指示、加热循环水泵起停指示、水箱当前温度显示、水箱当前水位显示、水箱水位控制、系统回水泵起停指示、系统回水自动功能（手动功能）等。在系统控制柜上能直接设定、读取空气源热泵设备的运行参数，设备故障报警指示。
3.工程设计
3.1系统原理
为保证用水的稳定性以及设备投资的经济性，本工程中采用循环式热泵热水机组和和储热水箱联合供水的方式，辅助热源为电加热。
本工程热水系统的原理图如下：
其中每人次热水用量为100L，冷水温度取7℃，热泵机组设计工作时间取12h/d，安全系数取1.10，经计算，该集中热水系统的热泵设计小时供热量为26444KJ/h。
3.2.2水箱的选型
为减小空气源热泵的装机容量，本系统设储热水箱，该水箱的有效容积为定时热水供应最大时段的全部热水量，即储热水箱的有效容积为1.3m3。在本工程中储热水箱的尺寸为2000×1500×1000mm，其中能存储的热水量为2×1.5×0.7=2.10 m3=2100L。
3.2.3空气源热泵的选型
空气源热泵的供应热水量，应满足在其工作时间内将相当于水箱容积的冷水量加热到指定温度，即空气源热泵的设计产热水量为：
2100÷12=175L/h
根据热泵设计小时供热量和设计产热水量，选择了某型号的循环式空气源热泵热水机组，其产热水量为260L/h，额定功率为2.6KW，额定水温为60℃，循环水量为2.5~3.5m3，供热量为36600KJ/h，效能比（COP）为4.5，均满足上述要求。.2.4电热水器的选型
在考虑到当地最冷气温低于0℃的情况下，通过电热水器来加热制取热水，其制热功率不小于空气源热泵的制热功率，故选择能在低温环境中瞬时供热、高温出水的某型号智能变频热水器，其产热水量为680L/h，额定功率20KW，出水温升25℃，循环最高进水温度70℃，供热量为71179KJ/h。
3.2.5循环加热校核
（1）额定工况下空气源热泵热水机组的制热能力
空气源热泵热水机组的制热量为36600KJ/h，每小时产60℃热水量为：
36600÷4.187÷（60-7）=182L/h
机组的实际运行时间为：
2100÷182=11.53h
（2）热水系统回水循环加热的工作时间
当水箱中的水低于45℃时，需要启动空气源热泵或变频热水器进行循环加热，以保证足够的热水量。从45℃加热到60℃，需要的总热量为：
2100×4.187×15=131890KJ
空气源热泵的加热时间需要：
131890÷36600=3.60h
因此设置空气源热泵热水机组及热水循环泵在淋浴前4h开启进行循环加热。
3.3控制要求
（1）每天洗浴前12个小时，开启热水系统；淋浴结束后，关闭热水系统。
（2）当水箱液位达到设计高水位时，冷水进水管上的电磁阀M1关闭。
（3）若外部温度计T1检测到环境温度低于0℃时，启动变频热水器及冷水供水管上的电磁阀M4、热水循环管上电磁阀M2，关闭空气源热泵及其热水出水管上的电磁阀M3；若外部温度计T1检测到环境温度高于0℃时，启动空气源热泵及其热水出水管上的电磁阀M3，关闭变频热水器及冷水供水管上的电磁阀M4、热水循环管上电磁阀M2。
（4）淋浴前4小时，当水箱底部的温度计T2检测到水箱底部温度低于45℃时，热水一次循环泵SB1（或SB2）开启；当水箱底部的温度计T2检测到水箱底部温度达到60℃时，热水一次循环泵SB1（或SB2）关停。
（5）淋浴前30分钟，当热水回水管上的温度计T3检测到管中水温低于45℃时，热水循环回水泵泵SB3（或SB4）开启；当热水回水管上的温度计T3检测到管中水温达到60℃时，热水循环回水泵泵SB3（或SB4）关停。
4.结束语
在采用空气源热泵热水机组的热水工程中，首先要确定热泵热水机组的制热方式，进而选择合适的热泵机组、水箱和辅助加热器。
参考文献
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论文作者:马桂林,曾园金
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第14期
论文发表时间:2018/9/19
标签：空气论文; 热水论文; 源热泵论文; 水箱论文; 热水机组论文; 回水论文; 量为论文; 《建筑学研究前沿》2018年第14期论文;