熱泵循環(huán)圖系統(tǒng)的水溫不穩(wěn)定？三種工程設(shè)計(jì)方式搞定

常規(guī)的熱水設(shè)備包括熱水鍋爐、熱水管網(wǎng)二次換熱設(shè)備、電熱水器等。大中型的熱水系統(tǒng)都是蓄熱式系統(tǒng)，都是通過水泵循環(huán)將熱量從熱源設(shè)備中轉(zhuǎn)移到蓄熱水箱中，直到水被加熱到設(shè)定溫度為止。一般情況下，除了太陽能設(shè)備通過溫差控制循環(huán)水泵間斷性開停之外，常規(guī)的熱水設(shè)備都是具有較快的熱交換速度，水泵持續(xù)運(yùn)行，能夠在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到制熱水的要求。

　　具體管路連接方式見圖十四。

　　冷水常常直接從蓄熱水箱頂部補(bǔ)入，熱水出水從水箱底部接出。

　　一、常規(guī)單水箱循環(huán)加熱的弊端

　　循環(huán)加熱式熱泵熱水機(jī)組加熱過程與常規(guī)的熱源設(shè)備相仿，需要通過水泵強(qiáng)制循環(huán)將熱能傳遞到蓄熱水箱的水中，此種加熱方法與傳統(tǒng)熱水系統(tǒng)比較一致，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)明晰，控制簡(jiǎn)單，便于掌握。所以目前以采用這種配置方式的熱泵熱水工程居多。但如果按照?qǐng)D十四的方式來設(shè)計(jì)熱泵熱水系統(tǒng)，到了用水高峰時(shí)段或者到了冬季，系統(tǒng)有效供熱水量往往無法達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，不能滿足客戶的用水需求，客觀上導(dǎo)致“熱泵制熱水有問題”的現(xiàn)象。具體分析有以下兩個(gè)方面原因。

　　1、熱泵機(jī)組的單位制熱量較小，即熱性能差：因?yàn)樾枰?a href="/Article-detail-id-1422961.html" title="空氣能">空氣能源不斷積蓄熱能，所以熱泵設(shè)計(jì)的極限制熱能力往往是按照一天15個(gè)小時(shí)左右或者更長(zhǎng)的工作時(shí)間為基礎(chǔ)的。而除了太陽能之外，常規(guī)鍋爐的制熱量主要與能源使用量相關(guān)，單位制熱能力往往比空氣源熱泵要高得多，這樣，如果空氣源熱泵不能在高峰用水時(shí)段之前完成足夠的蓄能過程，試圖在用水過程中完成熱水的及時(shí)供給幾乎是不可能的。

　　2、冷熱水直接混合造成水溫忽低忽高：當(dāng)冷水直接由水箱頂部補(bǔ)入保溫水箱時(shí)，必然會(huì)帶來整箱水的混合以及水溫的降低，因?yàn)闊岜弥茻崴俣认鄬?duì)較慢，水箱出水溫度必然會(huì)降低。一般來說，用水量越大，冷水補(bǔ)水后的出水溫度越低；冷水溫度越低，冷水補(bǔ)水后的出水溫度越低；制熱速度越慢，冷水補(bǔ)水后的出水溫度越低。所以單水箱熱泵熱水系統(tǒng)冬季混水問題比夏季嚴(yán)重的多。

　　當(dāng)然，上述情況也不是一概而論的。對(duì)于簡(jiǎn)單的單一時(shí)段的定時(shí)供水、定時(shí)補(bǔ)水的熱水系統(tǒng)，單水箱循環(huán)制熱水可以滿足用戶的使用需求。本文探討24小時(shí)恒溫供熱水的熱泵熱水系統(tǒng)。

　　為了改進(jìn)這種冷熱水混合造成實(shí)際用水量不足的情況，技術(shù)人員提出了多種解決方案和優(yōu)化措施。簡(jiǎn)單可以分為以下幾種：

　　二、優(yōu)化水箱進(jìn)出水口設(shè)計(jì)與補(bǔ)水溫度控制

　　解決冷熱水混合問題的思路是優(yōu)化水箱進(jìn)出口設(shè)計(jì)，同時(shí)控制補(bǔ)水溫度來保證用水舒適性。

　　1、冷水補(bǔ)水口下移。冷水從水箱底部補(bǔ)水，解決冷熱水直接混合的問題，便于實(shí)現(xiàn)水溫分層。

　　2、熱水供水口上移。熱水取水口移動(dòng)到水箱中上部，增加浮球取水裝置，保證出水口取用水箱上層高溫的熱水。

　　基本原理見圖十五。

　　3、熱泵循環(huán)口布置在水箱底部。熱泵的循環(huán)口布置在水箱底部的兩側(cè)，盡量減少熱泵循環(huán)制熱過程中上下水溫的混合。

　　4、控制補(bǔ)水溫度，當(dāng)水溫低于42度時(shí)停止補(bǔ)水。保證用戶正常用水。但水溫高低不同時(shí)熱泵制熱量是有差別：前文圖二中給出了不同初始水溫的熱泵性能系數(shù)曲線，當(dāng)初始水溫為15℃時(shí)，將水加熱到55℃的整體性能系數(shù)為4.07，而當(dāng)初始水溫為35℃時(shí)，相應(yīng)整體性能系數(shù)則降為3.3。圖十六給出對(duì)應(yīng)的不同水溫時(shí)瞬間制熱量的曲線，由曲線我們可以看到，20℃時(shí)瞬間制熱量為18.8KW,45℃時(shí)瞬間制熱量降為13.8KW，有25%以上的降幅，所以，采用控制補(bǔ)水溫度的系統(tǒng)，熱水實(shí)際供應(yīng)量也會(huì)有超過25%的下降。

　　三、增加一個(gè)預(yù)熱水箱，變?yōu)殡p水箱系統(tǒng)

　　控制補(bǔ)水溫度來實(shí)現(xiàn)用水舒適性是以犧牲能效為代價(jià)的。另外，為了要將整箱水加熱到設(shè)定溫度，循環(huán)制熱水的熱泵機(jī)組最終的出水溫度常常要超過設(shè)定溫度3-5度，而這樣高水溫狀態(tài)下熱泵工作效率是很低的。

　　于是，為了有效提高熱泵熱水系統(tǒng)的能效，減少熱泵熱水機(jī)在中高水溫中運(yùn)行時(shí)間，有了預(yù)熱式定溫出水雙水相系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案：基本原理見圖十七，系統(tǒng)采用了一個(gè)容積較小的輔熱水箱來保證熱泵設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)：當(dāng)輔熱水箱中水溫較低、熱泵出口管路中水溫沒有達(dá)到設(shè)定溫度時(shí)，三通閥A向?qū)˙向關(guān)閉，確保輔熱水箱中的水被循環(huán)加熱；當(dāng)輔熱水箱中水溫較高、熱泵出口管路中水溫達(dá)到設(shè)定溫度時(shí)，三通閥A向關(guān)閉B向?qū)?，熱泵出來的水直接進(jìn)入蓄熱水箱。這樣循環(huán)工作，直到蓄熱水箱中的水達(dá)到設(shè)定水位為止。

　　預(yù)熱式循環(huán)制熱系統(tǒng)中，熱泵運(yùn)行時(shí)一方面由于出水溫度有所降低，熱泵的冷凝溫度和冷凝壓力也相應(yīng)降低，提高熱泵系統(tǒng)的效率，延長(zhǎng)壓縮機(jī)使用壽命，另一方面達(dá)到設(shè)定溫度后熱泵出來的熱水可以直接進(jìn)入蓄熱水箱，減少了冷熱水混合所的熱損失，所以，雙箱預(yù)熱式定溫?zé)崴到y(tǒng)是比較節(jié)能的。

　　但對(duì)于有回水保溫的熱水系統(tǒng)而言，蓄熱水箱中水溫會(huì)因?yàn)榛厮苈分械牡蜏鼗厮粩嘟档?，甚至低到無法使用。為此，蓄熱水箱需要增加保溫的制熱裝置，或者在熱泵循環(huán)管路中增加三通換向閥，通過三通閥的切換，用預(yù)熱系統(tǒng)的熱泵來直接為蓄熱水箱制熱保溫。

　　四、采用一次加熱式機(jī)組，將冷水加熱后補(bǔ)入水箱

　　國(guó)標(biāo)GB21362-2008定義一次加熱式熱水機(jī)為：使用側(cè)進(jìn)水流過熱泵熱水機(jī)一次就達(dá)到設(shè)定終止溫度的熱水機(jī)。利用這種機(jī)型，如圖十八，熱泵熱水系統(tǒng)可以方便的將冷水制熱后放入水箱，保證水箱中的水都是熱水，冷熱水不會(huì)混合，補(bǔ)水特別方便；另外，一次加熱式熱泵機(jī)組的冷凝溫度和冷凝壓力比較低，熱泵的出水溫度與系統(tǒng)的冷凝溫度基本相等，增強(qiáng)熱泵機(jī)組的可靠壽命。

　　一次加熱式熱水機(jī)的技術(shù)難點(diǎn)在于流量調(diào)節(jié)。為了保證不同環(huán)境溫度、不同進(jìn)水溫度時(shí)熱泵出水溫度的穩(wěn)定性，選擇合適的流量調(diào)節(jié)閥，設(shè)計(jì)合適的控制邏輯，對(duì)于系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行非常重要。目前主要有兩種方案：一種是直接通過出水溫度來反饋水流量的大小，發(fā)出脈沖信號(hào)調(diào)節(jié)流量閥的開度，保證出水溫度的穩(wěn)定性。另外一種思路是通過出水溫度與冷凝溫度、冷凝壓力的對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過冷凝壓力的反饋來調(diào)節(jié)流量閥的開度，實(shí)現(xiàn)出水溫度恒定。無論哪種調(diào)節(jié)方法，都需要解決特殊情況下流量調(diào)節(jié)閥的穩(wěn)定問題，避免出水溫度的反復(fù)震蕩，同時(shí)需要解決閥體反復(fù)啟閉動(dòng)作的可靠性，保證長(zhǎng)期可靠運(yùn)行。

　　一次加熱式熱泵熱水機(jī)的優(yōu)點(diǎn)很明顯，但一次加熱式熱水機(jī)并不能“百病”，具體問題還是需要具體分析：

　　1、蓄熱水箱的循環(huán)保溫：蓄熱水箱水溫降低時(shí)，需要制熱保溫。在一次加熱式機(jī)組中增加循環(huán)加熱功能，通過同一個(gè)機(jī)組實(shí)現(xiàn)補(bǔ)水加熱和循環(huán)保溫加熱，可以提高機(jī)組使用效率，簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，如圖十八所示。因?yàn)檠h(huán)加熱機(jī)組與一次加熱機(jī)組的設(shè)計(jì)要求不一致，為了保證兩者兼容，需要做的系統(tǒng)優(yōu)化和性能測(cè)試，保證產(chǎn)品能效。

　　2、低溫氣候中補(bǔ)水速度衰減：無論是以一次加熱式熱水機(jī)還是循環(huán)加熱式熱水機(jī)，低溫氣候下制熱量的衰減規(guī)律是相似的，如果循環(huán)制熱式機(jī)組配置不足的話，其現(xiàn)象是水溫升不高；如果一次加熱式機(jī)組配置不足的話，其現(xiàn)象將是熱水不夠用，水箱中水被用光。為了解決低溫補(bǔ)水速度衰減問題，設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中需要匹配足夠匹數(shù)的一次加熱式熱水機(jī)，同時(shí)預(yù)留輔助加熱裝置，以備氣溫惡化、提高出水量之需。

　　3、太陽能系統(tǒng)配套工程中，一次加熱式熱水機(jī)在能效和系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面不有什么優(yōu)勢(shì)。采用24小時(shí)恒溫供水的太陽能熱水系統(tǒng)一般采用雙水箱系統(tǒng)，用太陽能集熱器對(duì)預(yù)熱水箱中的水進(jìn)行預(yù)熱，用空氣源熱泵機(jī)組對(duì)蓄熱水箱進(jìn)行二次加熱和保溫。由于太陽能預(yù)熱水溫的不確定性，采用一次加熱式熱水機(jī)直接對(duì)預(yù)熱水箱中水進(jìn)行二次加熱有技術(shù)難度，一般采用循環(huán)加熱式熱水機(jī)結(jié)合控溫補(bǔ)水來實(shí)現(xiàn)蓄熱水箱的工作過程。