空气源热泵与空调热回收联合供热水系统设计体会

1 引言

随着我国社会经济的发展，人民的生活、居住水平不断地提高，越来越多的人对热水使用要求也越来越高，集中式太阳能热水系统、空源热泵、水源热泵也应运而生。面对这些新技术，我们如何才能通过有效地组合让这些新技术发挥出其应有的作用，达到业主的使用要求同时可以有效地节能，是设计人员需要面对的问题。本文就深圳某机场的综合楼项目，对空气源热泵联合空调热回收制热水的系统设计中的思路及一些问题进行一些分析。

2 工程概况

本项目位于深圳市宝安机场南干线边，工程总建筑面积23510m ² ，其中地上19310m ² ，地下4200m ² 。建筑层数：地下1层，地上10层。建筑高度43.05m。本次热水设计使用范围为首层集中淋浴间(此淋浴间同时供附近的分拨中心内员工使用)及8层、9层职工宿舍。其中淋浴间为定时供应，职工宿舍为全日制供应。

3 系统选用

项目用地内无热力管网，依据《深圳经济特区建筑节能条例》第二条，“新建、改建、扩建公共建筑，应当设计安装空调废热回收装置。具备太阳能集热条件的新建l2层以下住宅建筑，建设单位应当为全体住户配置太阳能热水系统”的相关规定，初步确定利用太阳能系统联合空调热回收联合供热，但因设计用地的特殊性，考虑到：机场建筑的限高和太阳能集热管的反光对航班航行的影响，决定将太阳能系统改为空气源热泵。

4 系统介绍

4.1 空调热回收系统

空调热回收系统是依据逆卡诺循环对制冷机组冷却水的二次利用制取生活热水。空调热回收系统主要分为部分热回收及全热回收两种，本项目考虑到热水量较大因而采用全热回收。全热回收回收的是所有需要被排出的过热量与冷凝热，制冷剂处于过热蒸气状态与气液混合状态。通常的做法是，设置1个热回收冷凝器，可完全替代常规冷凝器。这种形式的热回收，可回收的冷凝过程中所有的热量，交换热量的—侧为热水温度，另一侧为制冷剂的冷凝温度，因此所提供的热水量较大，温度略低，温度不可控。根据暖通专业的计算提出以下数据(见表1)。

表1 水冷机组性能

在设计中我们把热水的设计温度定位55℃，冷水设计温度为1O℃。那么由10℃的冷水制备55℃热水所需的热量为Q，则：Q=CM△T (1)

式中，Q为吸收的热量，kJ；C为水的比热，取4．180kJ／(kg·℃)；

M 为水的质量；△为温度变化，℃。

由公式(1)算出Q=8652600kJ，从表1中可知每台机组的热回收量为922.7kW，此值表示每台机组在满负荷运转的情况下每秒可提供922.7kJ的热量，那么若要将10℃的水加热到55℃所需的时间t应为：t=Q／q (2)

式中，t为水加热所需时间，s；Q为吸收的热量，kJ；q为热机提供的能量，kj／s。

由公式(2)算出t=2.6h。机房内共设2台热水机组，故所需的加热时间为1.3h。依此方式类推若将不同温度的水加热到55℃所需的时间见图1。

依据以上数据分析及实际使用状况，我们对空调热回收系统有以下认识：

1) 暖通所提供的数据为空调满负荷运转下的供热量，但在实际使用过程中，空调的使用量是我们不可控的，即热回收量是不可控的。故不能保证热水的水量。

2) 通过以上计算，即使在满负荷的情况下运转，也需要较长的加热时间，对于集中淋浴间这样的定时供应区域，无法保证用水温度。

3) 工况的不匹配。我们知道针对办公楼，空调的使用高峰期集中在上班时间，即8：00~17：00。集中淋浴间的使用时间主要集中在18：00~22：00，在这个时段用水量较大，但恰是热回收系统的低效段。单凭热回收系统是无法满足用水要求的。

由此我们提出在整套热水供应系统中，热回收系统应起到一个辅助作用。在制冷季，工作时段内，空调使用率高，热回收量大，同时热水的使用量小，此时我们应按规范要求优先使用此系统；在非工作时段，我们也可以先利用通过热回收系统预先加热的一部分水量，当这部分水用尽时，热回收系统也可以先将冷水预加热后提升到屋顶水箱，以减少空气源热泵的使用时间从而减少耗能。在非制冷季，考虑到热回收量较少，如一味的使用并不能达到节能的效果，故放弃热回收系统，将冷水直接打入空气源热泵由空气源热泵直接供应热水。

4.2 空气源热泵

空气源热泵遵循热力学第一定律的原则，利用逆卡诺循环原理用少量的电能作为驱动力，从空气中吸收难利用的低品位热能(-7-43~℃)，转化为高品位热能，释放到水中制取生活热水。其功效比可达到4.O～4.6。

在选择空气源热泵前有两个问题需要注意：

1) 空气温度变化大会导致COP值降低。某些地区冬季气温低，换热器的蒸发温度降低，热泵的温差加大，热泵的效率就会降低。

2) 供热工况下热泵蒸发器有结霜问题。那么在除霜期间热泵不仅不能供热还需消耗热量。

所以，我们应按照当地气候条件去选择是否使用空气源热泵。此次设计的项目位于深圳市，其全年气温变化见表2。

年平均环境温度22.2℃。结合图2数据我们可以看出，在深圳空气源热泵的COP值、产热流量及产水量都处在高效段，通过厂家的实际测证明，当外界环境温度高于5℃时，空气源热泵可达到节能效果。这一点也符合了《建筑给水排水设计规范》中对空气源热泵的要求，即冬暖夏热的地方宜采用空气源热泵。最冷月平均气温大于等于10℃的地区可不设辅助加热。同时，结合南方地区的实际使用情况，我们认为空气源热泵在深圳地区可以充分的发挥其节能效果。

5  设计数据

按上文所述首层集中淋浴间为定时供应热水，供水时间为18：00~22：00；8、9层员工宿舍为全日制供应热水。设计热水温度55℃。员工宿舍用水人数按120人计，集中淋浴间共有淋浴6O个，洗手池5个。

5.1 设计参数

详见表3。

5.2 贮热水箱容积

宿舍部分所需的贮热容积Vr=38 928.27L，淋浴部分取定时供应最大时段的全部热水量，这里取4h的用水量Vr=12652.4L。合计51580.67L，51.58m ³ 。选取不锈钢板水箱，尺寸为4500mm×4000mm×3000mm。考虑到非制冷季及某些时段空调热回收系统无法保证热水量，故空气源热泵按全工况设计。

选取某型号空气源热泵4台，每台空气源热泵产热水量O．83m ³ ／h，制热量38．5kW，额定功率9.1kW。

6 系统组成及联动方式

6.1 系统组成

系统主要由两部分组成：热回收部分及供热部分。

1) 热回收部分位于地下1层的水冷机组用房内，主要设备及功能如下：

贮热水箱：混水水箱，将冷水打入到此水箱，由空调热回收系统加热成55℃热水。

热回收系统循环泵：连接贮热水箱和水冷机组，使二者之间的水做循环加热。

热水提升泵：当屋顶热水给水箱内水位降低时，由热水提升泵将贮热水箱内的水补到热水给水箱内。

2) 供热部分位于屋顶热水箱间内，主要设备及功能如下：

恒压变频供水机组：给8层、9层宿舍加压供热水。淋浴间热水循环泵：当回水管路中水温不足时将管路中的水回到热水给水箱中。

热泵循环泵：当热水给水箱中水温下降时，将水箱中的水打到热泵中进行循环换热。

热水给水箱：储存生活热水，基本保持恒温，当水温不足时由空气源热泵加热。有效容积同贮热水箱。

系统组合详见图3。

6.2 系统联动控制

经过上文分析，我们认为：非制冷季空调热回收量较少，如果继续使用其加热不能达到节能效果。故最后决定，在制冷季采用空调热回收及空气源热泵联合供水，在非制冷季采用空气源热泵单独供水。其控制方式如下：

6.2.1 制冷季

1) 热回收水泵的控制：T1检测贮热水箱水温低于设定值时(一般设置在45℃)，热回收系统循环泵开启，循环冷却水泵关闭，水箱蓄热；热水水温达到设定值后(一般设置在55℃)，开启循环冷却水泵，延时1min到2min后，关闭热回收系统循环泵；当水温降低后，再重复前面步骤。

2) 热水提升泵的控制：当热水给水箱的水位达到低水位s2时，热水提升泵启动；当热水给水箱的液位到达高位s1时，热水提升泵停止。

图3热水系统原理图

3) 热泵循环泵的控制：T2检测热水给水箱水温低于设定值时(一般设置在45℃)，空气源热泵循环泵开启，主机开启，将水温提高。当热水给水箱水温达到设定值后(一般设置在55℃)，关闭热泵循环泵。

4) 当贮热水箱的水位达到低水位s2时，给水管上的电磁阀打开；当贮热水箱的水位达到高水位S1时，给水管上的电磁阀关闭。

5)8 层、9层热水供水采用恒压变频供水方式。在热水回水管上设有电磁阀，回水电磁阀受回水管中的水温控制。当回水管中的温度降至5O℃时，回水电磁阀开启，将回水管中的水送至热水给水箱，继而水泵将水箱中温度稍高的水送至管网中，保证管网中的水温始终控制在合适的温度范围之内。

6)1 层淋浴间由热水给水箱直接供给。在热水回水管上设有热水循环水泵，热水循环水泵受回水管中的水温控制。当回水管中的温度降至50℃时，热水循环水泵开启，将回水管中的水送至热水给水箱，当回水管中温度升至55℃时，热水循环水泵关闭。

6.2.2 非制冷季

1) 空气源热泵机组的控制：系统中热泵机组的启、停由热水给水箱中水位控制。当水箱水位低于S2，电磁阀、热水机组开启；当水箱液位高于S1时，电磁阀、热泵机组关闭。

2) 热泵循环泵的控制：T2检测热水给水箱水温低于设定值时(一般设置在45℃)，空气源热泵循环泵开启，主机开启，将水温提高。当热水给水箱水温达到设定值后(一般设置在55℃)，关闭热泵循环泵。

系统中几个主要设备的启停由两个水箱的水温及水位控制，具体见表4

7  总结

1) 在建筑设计中采暖、空调和生活热水是能耗大户。空调热回收系统和空气源热泵的联用将两个能耗大户结合在一起，有效地降低了能耗。

2) 通过上述分析，空调热回收及空气源热泵制备热水的时间较长，故为了保证热水的供应，应在设计时充分考虑贮水容积，避免用水高峰段无热水可用的状况。

3) 注意工况的匹配。空调热回收系统的高效段与实际的用水高峰期不符，非制冷季空调热回收量更低。那么我们需要考虑系统怎么组合，非制冷季是否还要利用空调热回收，以达到节能的效果。经过比较我们认为：在制冷季上班时间内热回收量大，而用水量少，此时可充分利用热回收量制备热水，同时设足够大的水箱以减缓用水高峰期时的压力。在非制冷季，热回收量小，为了节能故放弃热回收量。