空气源热泵的应用

史册　赵述欣　林瀚

摘  要： 空气源热泵系统是一种利用高位能使热量从低位热源流向高位热源的节能装置，实现大量自然资源和余热的再利用，从而有效地节省了热 水制备所需的一次能源。空气作为热泵的低位热源，取之不尽用之不竭，处处都有，可以无偿的获取，具有巨大的应用潜力。

关键词： 空气源热泵;节能;浴池热源

1 现有浴池热源概述

厂区内需改造的员工浴池共4处，分别为热处理车间浴池，洗浴淋头 17个， 洗浴人数约80人;油包车间浴池， 洗浴淋头33个、洗浴人数约100 人;容器公司浴池，洗浴淋头29个、洗浴人数约130人;金属材料中心/结 构车间浴池，洗浴淋头25个，洗浴人数约150人。为满足上述车间员工洗 浴，设计采用4组热源，备用电加热，不锈钢保温水箱蓄热方式分别为上 述浴池提供热源，热源选择成为此改造方案重点。

2 热源方案的经济对比与可行性分析

分别对太阳能热水器、陶瓷热敏电锅炉、蒸汽管线、空气源热泵4种 方案的安装费用、使用寿命、故障率、维修费用、优缺点、运行费用等参 数进行详细对比，以确定最终方案。

2.1  蒸汽管线

（ 1 ）投资费用： 约115万元（不含绿化与景观恢复费用） 。（ 2 ）使用 寿命： 10年。（ 3 ）优点：维护费用低。（ 4 ）缺点：①理论供气1小时满 足洗浴需求，现因管线问题实际供气2小时可满足洗浴需求;②节能管理 需专业运行与值守人员;③油包管线需24小时供汽，其它各浴池管线管损 增大;④油包容积式换热器因长时间高温产汽，存在安全隐患;⑤沿线树 木多，草坪面积大，美化景观多，施工费用高。（ 5 ）用汽量：热处理浴 池0.19t/h，油包浴池0.48t/h，容器浴池0.76t/h，金属材料/结构浴池0.76t/ h，每天供汽2小时，按全年供汽300天计算，总蒸汽量约为1300吨，折合 标煤64.28吨。（ 6 ）年运行费用：约27万元。

2.2  陶瓷热敏电锅炉

（ 1 ）投资费用：约35万元。（ 2 ）使用寿命： 15-20年。（ 3 ）优点： ①占地面积小，现有蒸汽罐拆除后，场地完全满足需要;②设备安装在室 内，冬季无防冻需求;③制热效率比， COP最高可达0.95 ，且不受季节影 响。（ 4 ）缺点：耗电量大，约为太阳能热水器用电量的2倍。（ 5 ）用電 量：根据设备选型，热处理、油包每天用电量约400度，容器、金属材料 每天用电量约550度，按全年运行300天计算，总电量约为57万度，折合标 煤69.91吨。（ 6 ）年运行费用：约20万元。

2.3  太阳能热水器

（ 1 ）投资费用：约60万元。（ 2 ）使用寿命： 8-10年。（ 3 ）优点： 节约电能，非采暖季太阳能满足使用需求，采暖季需辅助电加热，所需热 能80%需电加热辅助。（ 4 ）缺点：①太阳能板占地面积大，每吨水需20 平方米太阳能板，容器与金属材料厂房顶部承重不满足安装条件，两车间 共用的餐饮活动中心场地面积无法满足两个车间所需太阳能板安装面积要 求;②容器与金属材料采光板位置与储水箱距离较远，冬季需解决防冻问 题;③太阳能板热转换率低，最高80%左右，长期运行板面光洁度下降， 效率会大幅度下降。（ 5 ）用电量：约29万度，折合标煤34.95吨。（ 6 ）年 运行费用：约10万元。

2.4  空气源热泵

（ 1 ）投资费用：约55万元。（ 2 ）使用寿命： 15-20年。（ 3 ）优点： ①占地面积小;②制热能效比最高，冬季极寒天气（ -25℃） COP2.0以上， 全年平均COP4.0以上;③节约电能，同制热功率条件下，平均耗电为电 锅炉的25%;④绿色环保。（ 4 ）缺点：①一次性投入较高;②受气温影 响， 冬季极寒天气（ -25℃） 加热时间会延长。（ 5 ）用电量： 全年平均 用电量约为电锅炉的25%，总电量约为14万度，折合标煤17.43吨。（ 6 ） 年运行费用：约5万元。综上所述，空气源热泵的节能性、可行性、经济 性、不同工况下的性能都具有很大优势，故决定采用空气源热泵方式为上 述浴池提供热源。

3 空气源热泵的节能原理

空气源热泵技术基于逆卡诺循环原理实现，压缩机把低温低压气态冷 媒转换成高温高压气态，压缩机做功转化的热能为Q1。高温高压的气态 冷媒与水进行热交换，高压的冷媒在常温下被冷却、冷凝为液态，这过程 中，冷媒放出热能使水升温，水吸收的热能为Q3。高压液态冷媒通过膨 胀阀减压压力降低，低温低压的液态冷媒经过蒸发器吸收空气中的热能蒸 发，由液态变为气态，冷媒从空气中吸收的热能为Q2。吸收了热能的冷媒 变成低温低压气体，再由压缩机吸入进行压缩，如此循环，直至加热到设 定的温度。空气源热泵作为高效集热并转移热量的系统装置，在不同工况 下热泵机组每消耗1度电就能从低温热源中吸收2-6度电的热量，节能效果 非常显著（即Q1+Q2=Q3）。

4 节能改造实施

4.1  机组选型

一般洗浴适宜温度为37 ℃-42 ℃，每人每次洗浴用水量约50升， 确定保温水箱容积分别为6m³ 、8m³ ，设进水温度为 15 ℃，需要出水

收的热，单位J ，c ：水的比热容为 ，单位J /k g ℃， m ：水的质 量，单位kg ，：水升温后温度，单位℃， ：水升温前温度，单位℃， 。根据热量计算，机组应满足①超低温运行，可在环境温 度-25℃～ 45℃范围内高效运行（满足北方冬季极寒条件）②高效节能， 机组冬季制热能效比COP不低于2.0 ，年平均制热能效比COP不低于4.0③ 可加热时间7小时（ 22 ：00-次日 5 ：00 ）确定空气源热泵机组型号为SJK- 25G，在-25℃时额定制热量为50kW。

4.2  变频供水增压泵选型

DN15洗浴淋头额定流量为0.1L/S，根据车间浴池实际淋头个数，确定 变频供水增压泵型号为COR-1MHI803 ，额定流量216L/min，扬程35m ，且 为全自动变频运行、恒压变流量供水。

4.3  智能化系统

（ 1 ）自动控制：控制系统根据现场采集水箱温度，设定自动运行时间 段、加热温度，能实现智能化恒温自动控制。（ 2 ）谷电价时间段运行： 机组自动运行时间设定为22 ：00-次日 5 ：00，节约运行费用。（ 3 ）智能 除霜：①采用大风量风机，优化换热器尺寸、增强蒸发侧换热，提高蒸发 温度，减少结霜量;②控制系统根据制热运行的环境温度、蒸发器温度等 参数进行综合判断，有霜时高效除霜，无霜时稳定制热;③优化除霜过程 中的电子膨胀阀开度自动控制，保持除霜过程的融霜热量最大化，提高除 霜速度。（ 4 ）补水控制：储热水箱补水采用低水位连续补水方式，保护 机组循环系统，由液位传感器控制电磁阀联控实现，当水位达到设定液位 上限时停止补水，循环系统自动循环。

5 改造后的节能效果

改造后，热源系统安装峰谷平智能电表及水流量表便于计量、考核， 通过用电量统计，现4组空气源热泵机组月累计用电量平均约1万度，预计 全年用电量约为12万度，折合电费4.2万元（谷时段电价）， 2020年各浴池 蒸汽总用量约1300吨，折合蒸汽费34.5万元，预计空气源热泵机组全年运 行费用照2020年同期蒸汽费下降87.8%，节约费用约30万元。

参考文献：

[1] 《公共浴池给排水设计规范》 CECS-2000.

[2] 《建筑给排水设计规范》 GB50015-2019.

[3]空气源热泵机组使用说明书.

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