浅谈热泵热水机组的工程设计及应用
前 言
热泵是一种能从自然界的空气、水或土壤中获取低品位热，经过电力做功，输出能用的高品位热能的设备。热泵是把热量从低温端送向高温端的节能新装置。它由蒸发器、空气压缩机、冷凝器、节流阀等部分组成，利用少量的工作能源，以吸收和压缩的方式，把一特定环境中低温而分散的热聚集起来，使之成为有用的热能。而热泵热水机组就是利用热泵技术将低品位热源的热量转移到被加热的水中来制取热水的一种节能设备。
热泵技术在国外已经是非常成熟的，进入我国才几年时间。由于行业可观的前景，同时也由于能源紧张及电力装机容量的改变，国家政策的倾斜，使得整个社会的节能降耗的外部环境给热泵热水器带来了发展机遇，它的环保和节能性，正好顺应了潮流，给该产品的销售增长创造了极大的空间。随着经验的不断积累，热泵热水器的应用领域不断扩大，从宾馆、酒店到学校、浴室，从泳池到各类休闲会所等等，可以说，只要是有生活热水需求，热泵热水器就可以满足，因此热泵市场已由预热到局部地区已经开始有了较快速的成长。
但是，由于热泵产业在我国还是一个新兴产业，产业成熟度相对不是很高，在工程应用上，技术要求也更加严格，因此要求我们在做热泵热水工程时就必须严把每一道关,包括从工程设计、工程安装以及日常维护方面做到合理化、标准化与规范化。
下面我们以中山市沙溪理工学校热水工程为例加以说明。
工程概况
该项目为广东省中山市沙溪理工学校热水工程,主要是向学生宿舍全天提供生活热水，宿舍楼共分为2区,1区住有500名学生,2区住有1000名学生。在综合对比了各类热源的经济效益后，校方决定采用热泵热水系统。
设计数据
中山市位于南亚热带季风气候带，气候特征为光热充足，历年平均日照时数为1843.5小时，占年可照时数的42%。终年气温较高，历年平均为21.8℃，月平均气温以1月最低，为13.3℃，7月最高，达28.4℃。可以看出，该市的气候条件相当好，非常适合使用空气源热泵热水器。
冷水源温度寒冷天气为15℃，一般季节为20℃。热水温度为55℃。
设计依据
1、《商用或工业用及类似用途的热水机》
GB/T 21362-2008；
2、《采暖通风与空气调节设计规范》
GB 50019-2003)；
3、《建筑给水排水设计规范》 GB 50015-2003)；
4、《室外给水设计规范》 GB 50013—2006；
5、《给水排水制图标准》 GB/T 50106-2001
6、《建筑工程常用数据系列手册》
选型计算
我们参照GB/T 18713-2002《热水系统设计、安装及工程验收技术规范》,以天气最寒冷、用水量最大时的水量为设计标准进行设计。
该校学生宿舍1区共有学生500名，平均每人日热水用量按40L/人计，则日需热水20吨。2区共有学生1000名，则日需热水40吨。
根据前述数据，在寒冷天气里，热泵热水器加热温升为40℃，热泵工作时间在寒冷天气里一般按16小时计，则宿舍1区热负荷计算结果为58.1kW，宿舍2区热负荷计算结果为116.3kW。
在根据计算出的热负荷进行热泵选型时我们需要考虑的是，因为热泵热水器的制热能力是随着环境温度的降低而不断衰减的，而且寒冷天气里冷热水温差大，耗热量就大，只要能满足寒冷天气的热水需求，其他季节是一定可以满足的。但是在选型时我们不能完全按该市的最低气温去选择机器，因为最低气温下的持续时间一般都较短，如果简单地按此选择机器将会造成在其他时间里机器能力大大过剩，工程投资极大的增加。因此我们综合了该市的气候条件以及热泵热水器的工作特性之后，按照比最冷月平均气温稍高一点的环境温度下来选择机器(这里按环温15℃来选型)，这样既能保证最低气温下的热水需求(通过延长机器工作时间)又可以大量节省初投资。
通过上面的计算分析，宿舍1区我们选择4台普利斯特KRS018/S型空气源热泵热水机组4台，该机组在标准工况下的制热量为18kW，在环温15℃时制热量约为15.6kW；宿舍2区我们选择4台普利斯特KRS035/S型空气源热泵热水机组4台，该机组在标准工况下的制热量为35kW，在环温15℃时制热量约为31.1kW。
机组确定以后就需要确定保温水箱的大小了。水箱选取的总原则是所贮存的热水能够满足一天时间内的高峰期用水需求同时在其他时段机器再生产的热水也可以满足其他时段的热水需求。因本案为学生宿舍热水工程，用水时间一般较为集中，基本可以认为高峰期的用水量就是全天的用水量，因此，1区配置总容量为20吨的保温水箱(可根据屋面承重具体选择是用1只还是几只)，2区配置总容量为40吨的保温水箱。水箱内胆采用不锈钢板SUS304，外壳采用彩钢板。中间为70mm整体聚氨脂发泡。
工程安装
主机：
主机安装于楼面，并需安装在一定高度的基础上，以防止雨天积水堵塞，浸没机器底座。这里设计主机的基础高度为5cm。并于基础与机座之间加装减震垫，防止震动噪声过大影响楼下生活。对于安装场地，应选择通风良好、排气顺畅的场所，不应安装在50m 以下密闭的空间内，以免影响主机从空气中取热。
水箱：
水箱应尽可能安装在靠近用水点及热泵主机的位置，以减少管路热损失，同时要安装在可排水的地方。水箱也需安装在基础上，基础必须坚实牢固，承重能力应大于水箱运行重量的两倍，水箱的基础高度设计为10cm。
因为主机配置的循环水泵不具备吸程，所以水箱的安装位置不要低于室外主机，考虑到扬程有限，也不要过高于室外主机。
运行费用比较
该工程日热水用量为60吨，年平均日耗热量为2100000kcal，则不同热水系统的运行费用对比如下：
①电热水系统：(用电价格：1.0元/kwh)
每度电有效得热：860kcal/kwh×90%=774kcal/kwh
每天耗电量：
2100000kcal∕天÷774 kcal/kwh =2713.18kwh∕天
每天运行费用
2713.18kwh×1.0元/kwh =2713.18元
全年费用：
2713.18元/天×365天/年=990311元/年
②燃油锅炉热水系统：(柴油：7.1元/Kg)
1kg柴油有效得热：
10200 kcal/kg×70%=7140kcal∕Kg
每天耗油量：
2100000kcal∕天÷7140 kcal∕Kg =294.12Kg∕天
每天运行费用294.12Kg/天×7.1元/Kg =2088.25元
全年费用：2088.25元/天×365天/年=762211元/年
③燃气锅炉热水系统：(液化气：6.5元/Kg)
1kg液化气有效得热：
10800kcal/kg×70%=7560 Kg∕天
每天耗油量：
2100000kcal∕天÷7560kcal∕Kg =277.78Kg∕天
每天运行费用
277.78Kg/天×6.5元/Kg =1805.57元
全年费用：1805.57元/天×365天/年=659033元/年
④安装“普利斯特”空气能热水中心机组(按照1.0元/kwh计算)：
空气能机组每度电一平均有效得热：
860kcal/kwh×350%=3010kcal/kwh
每天耗电量：
2100000kcal /天÷3010kcal/kwh =697.67kwh/天
每天运行费用
697.67kwh×1.0元/kwh =697.67元
全年费用：
697.67元/天×365天/年=254650元/年
全年平均每天加热60吨55℃的热水,所需费用如下表:
如果有峰谷电，则使用普利斯特热泵热水器将更加节省运行费用。
设计小结
该工程作为学校类热水项目，具有一定的示范性。在经过规范化的安装施工后，系统调试一切顺利，一次性调试成功。在经过一段时间的试运行后，整个系统运行稳定，热水供应充足，完全可以满足学生的洗浴需求。而且全年运行费用非常低，是综合效益最高的一种热水系统。右面附几张系统调试时的图片。
工程应用
通过以上的工程实例，我们可以看出，在现实生活中，热泵热水机组对于提供生活热水具有很大的优势。不仅节能、环保，而且完全自动化运行，年运行费用十分低廉。因此热泵热水器的迅速普及将即将到来。但在实际施工中，如果不注意安装规范，机器布置不合理将会严重影响机器的制热能力。工程上热泵机组应尽可能布置在室外，进风应通畅，排风不应受到阻挡。避免造成气流短路。如有阻挡物，应符合一定的要求。许多生产等单位提供的设计手册中对机组之间的间距及机组与墙间的距离均有明确要求，大致如下：机组间的距离应保持在2米以上，机组与主体建筑(或高度较高的女儿墙)间的距离应保持在3米以上。另外为避免排风短路在机组上部不应设置挡雨棚之类的遮挡物。如果机组必须布置在室内，应采取提高风机静压的办法，接风管将排风排至室外。
另外，合理先进的控制系统也是整个热水系统成败的关键因素之一。它不仅负责主机的启停，而且还负责水箱的补水、用户的用水、其它辅助热源切入与退出，以及水箱和管道内水的保温防冻。控制系统作为工程项目的重要组成部分，设计前期必须充分考虑各个工程项目的特点，将合适的控制方案放到合适的项目上才能够充分发挥集中控制的优势。
热泵热水系统作为一个系统工程，对各方面均有不同程度的严格要求，机组运行条件苛刻、年均运行时间长，这些特点决定了设计时必须全局考虑、仔细推磨，力求在性能与可靠之间找到合适的平衡点，做到尽可能满足使用要求，又能降低故障频率，延长使用寿命，获得最大的经济效益。
