白天鹅宾馆热水系统蓄热改造技术

1、热泵蓄热策略优化技术柯文飞 1 吴睿力 20 引言通过热泵机组对酒店、工厂、医院等公共建筑提供生活热水，具有能效比高，使用方便，性能可靠的特点，应用越来越广泛。但由于末端用户使用热水时间、用量的不确定性，要求热水系统要产热迅速，出水温度均匀，流量持续可靠，以应付随时使用的需要。可靠的蓄热技术，可以在节约大量运行费用的基础上，为用户提供高品质的热水，在节能环保的今天，越来越受到重视。热水罐分级蓄热技术是传统并联热水蓄热技术的升级与发展，对两种热水系统的蓄热、放热特性及控制策略进行分析，是我们研究的重点。本文结合广州白天鹅宾馆改造工程的实际，通过理论分析，可以为我们优化设计提供理论支持。1. 蓄热

2、系统概述最近几年，我们分别承包了深圳 MKS 工厂员工生活热水、石龙人民医院住院楼生活热水、广州白天鹅宾馆改造工程生活热水等项目的施工，这些项目热水系统均由热泵机组产生，保温承压水罐蓄热。但蓄热的方式显著不同。1.1 并联蓄热深圳 MKS 工厂员工生活热水系统由香港 PKL 机电顾问公司设计，2008 年已投入使用，系统运行情况良好。热水系统图如下：水-水热泵运行时产生的冷冻水，温度为 7/120C，接到中央空调系统的分水器、集水器，供制冷空调使用；机组产生的 600C 热水，通过热水循环泵接到三个并联的蓄热1水储罐铜盘管，与生活热水进行热交换，然后回到机组进行再循环。生活热水通过热水泵供应到

3、用户端。1.2 分级蓄热广州白天鹅宾馆改造工程由广州市设计院设计，系统图如下：水-水热泵运行时产生的冷冻水，温度为 7/120C，接到中央空调系统的分水器、集水器，供制冷空调使用；产生的热水，通过热水循环泵，供应到一级蓄热水罐；蓄热水罐分为 5 级，从高温到低温依次编号为 SC-1-1 到 SC-1-5，从第 5 级回水循环，热水循环泵变频运行；用户侧多组二次热水泵进水管接一级蓄热水罐（即高温罐 SC-1-1），回水管接第 5 级蓄热罐（即低温罐 SC-1-5），二次热水泵根据用量需要变频运行。1.3 系统差异性并联蓄热之热水罐，三个的热水温度是一致的，都是承压式储罐（直径2.0*3.5m）。

4、储罐内置螺旋形铜盘管，铜盘管厚度为 0.35mm。在蓄热过程中，罐内热水处于自然对流状态，靠水上下层之间的温差产生对流进行热交换。在用水过程中，因为水罐截面积较大，水流速度较小（约 0.65mm/s），瑞利数较小，因此罐内水处于层流状态。根据在热水罐上、中、下三个部位设置的温度传感器读数显示，在蓄热过程，水的温度分层较为明显，高温水始终处于水罐上部，低温水处于底部。在没有使用热水的蓄热过程，罐内热水温度的分层厚度（指罐内温度急剧变化的水厚度）随着加温过程逐2渐加大，但一般维持在 0.2m 左右，温度差约为 100C。当温差达到 40C 时，分层厚度已经达到了 0.4m 左右。因此即使蓄热过程未

5、达到全罐温度一致，但由于罐的上层始终保持有高温水，使用水时温度会得到保障。当用水时，由于罐底部温度 160C 的冷水补水的挤压作用，冷水层不断加厚，热水层减少，但由于处于层流状态，水的混合作用不明显，还是保持了明显的分层，下部水温下降较上部下降更加明显。当热水出口温度降低到 500C 以下时，系统停供热水，以保证供水品质。由于三个水罐的并联作用，存在系统管路阻力上的偏差，因此调试不理想情况下，往往导致水罐的温度升/降幅不一致，导致系统管理策略上的混乱。需要精心调试才能达到满意使用效果。另外由于铜盘管与热水之间存在 350C 的换热温差，以及水上下层的轻微混合作用，生活热水最高一般只有 550C

6、 左右，热水的品质有所降低。分级式蓄热水罐，蓄热罐是普通的承压储罐，五个罐内水的温度由高到低排列，并且一直保持一定的温差。分级蓄热策略主要是把热量储存区分成五个优先级，通过管道系统优先集中加热级别最高的蓄热水罐 SC-1-1，这样可以在较短的时间里使一级水罐达到能够使用的温度。即便在未开动热泵机组的情况下，高温蓄热的一级水罐，也能随时供应较高温度的热水。由于一、二级热水泵的存在，五个蓄热水罐的作用相当于空调系统的盈亏管（或平衡管），根据一、二级泵的总流量比例情况，控制热水罐内水的流动方向。在蓄热过程，热水由高温罐上部进入，下部出来接入下一级储罐的上部，依次类推，最后从最低温的罐底部回水到热泵机

7、组。在用水过程，热水从高温罐的上部出来，从最低温水罐底部回水。若二次泵水量与循环热水泵流量相等，则热水基本在高温罐进出平衡，最低温罐也是补水和回水之和与循环水量进出平衡，生活供水温度即是热泵机3组出口温度 600C；若用水量减少，各个罐之间水流动蓄热，生活供水温度还是 600C；若用水量较热水循环泵量大，则高温罐的水先被使用，低一级蓄热罐进行补充，生活供水温度逐步低于 600C。根据罐体上、中、下设置的温度传感器显示，无论蓄热过程，还是使用过程，水在罐内的分层比较明显，特性与上面分析的带盘管热水储罐基本一致，而且即使在用户水需求量较大的情况下，水温也能保持较高品质。由于各个罐的水温分级管理，较

8、并联水罐运行情况良好。2. 蓄热技术的理论分析为了技术分析的方便，我们以白天鹅宾馆的热水系统参数为例。系统设备主要参数如表：序号设备名称主要参数单位 数量备注制热 872Kw，热水流量 16m3/h,1 水-水热泵机组 热水出口温度 600C，制冷量 台 2 700Kw，机组输入功率 187Kw，2承压热水罐13m3/个，5 个共 65m3，2.1*4.1个53变频循环热水泵Q=9m3/h，H=16m，N=0.75Kw台43 用 1 备4变频二次热水泵Q=3m3/h，N=0.55Kw台16 12 用 4 备5变频冷水泵Q=41m3/h，H=32m，N=5.5Kw台42.1 系统能效比 EERs

9、 分析在蓄热过程中，由于热水储罐的的温度是逐步升高的，循环水回水温度必定越来越高，因此对于热泵机组，其平均冷凝温度也是升高的，机组的 COP 值由高逐步变低（下图所示）。最理想的回水温度应一直保持较低。并联式水罐蓄热，由于盘管换热温差的存在，循环回水比补充冷水温度高 350C；分级蓄热水罐，循环回水温度基本与补充的冷水等温，机组 COP 值较高，即机组耗功率降低。4热泵系统的制热能效比EERr以机组产生的热量Q与机组N1及水泵N2的耗功之和之比，即EERr =以白天鹅热泵制热水系统计算，制热能效比 EERr:项目名称产热量功率单位数量总热量（Kw）总功率制热能效比（Kw）（Kw）（Kw）EER

10、r水-水热泵机组872187台2一级热水循环泵0.75台31744382.254.56二级热水循环泵0.50台12制冷能效比 EERl:项目名称产冷量功率单位数量总冷量（Kw）总功率制热能效比（Kw）（Kw）（Kw）EERl水-水热泵机组700187台214003963.54冷冻水循环泵5.5台4系统总的能效比 EERs=EERr+EERl=4.56+3.54=8.10根据以上计算分析，热泵系统的能效比较高，比电热水系统效率高，比太阳能热水系统可靠。2.2 反应时间分析反应时间 T 指为了保证持续放水获得设计温度而需要开热泵机组运行的时间，即T=V 总/Q 总式中，V 总指水罐的蓄热容积，m3

11、；并联蓄热为总容积，分级蓄热为第一级高温罐容积；Q 总指热泵机组总的产热水量速率，m3/h。5在并联式蓄热系统，虽然水罐能保持良好的温度分层，但由于热泵出来的热水分别进入几个水罐，降低了罐内水的温度，因此应使热泵机组运行到罐内基本达到了设计温度，才能保持出水温度的稳定性；分级蓄热系统，由于设计时考虑了一、二级泵的流量平衡性，只要保持第一级高温蓄热罐达到设计温度，即可以在热泵运行情况下保持放水温度满足设计要求。显然，由于分级蓄热的第一级蓄热水罐体积小，分级蓄热系统具有反应时间快的特点。2.3 蓄热罐内水流分析对于并联式蓄热水罐，为了保持水罐内的水在进出水时保持层流状态，必须控制水罐内水的流动速度

12、，即控制瑞利数 Ra，以免进入紊流区，造成难以保持水温的分层，从而影响使用效果。根据相关资料，瑞利数 Ra1*108，可保持罐内层流状态。式中-水膨胀系数，1/K，D-盘管直径，mm，Twall-换热铜盘管表面平均温度，0C，Tw-罐内水的平均温度，即进出水温度平均值，0C，w-水的运动粘度，7.32*10-7 m2/s；w-水的热扩散系数，m2/s。为了简化计算，也可以只计算水在蓄热罐截面的流速，将流速控制在0.010.05m/s，罐内即可以保持层流状态，提高热水的利用率。有时候为了避免冷水从罐底部进来时的射流作用，在进水管端处设置渐扩喇叭口，或设置孔板来降低水的流速，以保持罐截面的最佳流速

13、。分级蓄热水罐，罐内截面的流速也要进行类似控制，罐上安装的进出水口尽量避免对垂直方向的水造成冲击，以免将温度分层破坏。白天鹅宾馆工程的热水系统蓄热情况下罐内最大流速计算如下：机组产热水量罐直径（m） 罐截面积（m2）罐截面最大流运行最大流速（m3/h）速（m/s）（m/s）322.103.4620.00260.05根据高温热水在蓄热罐内的温度垂直分布以及放热时罐内的流场特点，为了保证6放热时水的高品质，出水口必须设置在罐高度 2/3 以上处，在放水效率（放水效率指允许水温降低 100C 以内所放出的热水量与储罐容量之比）允许情况下，最好能设置在罐上部 1/10。2.4 蓄热、放热动态特性分析对

14、于并联式水罐蓄热，随着蓄水罐水温的上升，铜盘管与热水的换热温差慢慢减少，热泵冷凝温度逐步变差，热泵机组 COP 值下降，耗功增加，升温变慢。对于放热过程，一旦开始大量使用热水，制热量满足不了要求，罐内水温逐步下降，其中靠近底部下降得特别快。下图为系统某个秋天晚上用水 0、0.5、1.0 小时罐内冷水模拟记录的温度变化图。放热过程蓄热罐内水温变化曲线放热过程蓄热罐水温模拟图对于分级蓄热，一级高温水罐随着 600C 热水从罐上方进来，罐内水从上部向下压缩，最终从第 5 级低温水罐底部出水循环。由于各个水罐基本没有高、低温水混合过程，水的温度分层比较理想，于是从第 1 到第 5 个水罐逐步充满高温热水。热水开始大量使用以后，制热满足不了要求，高温水罐的水逐步减少，2 级水罐的逐步向 1 级罐底部进行补充，第 5 级水罐补充冷水。整个过程由于控制了水的罐截面速7度，水处于理想的层流状态，一直保持了高温供水。冷水补水温度较低，保证了机组高的 COP 值。3. 结论3.1 无论是并联式蓄热还是分级蓄热，都要控制好水（包括冷水补给、循环热水及生活热水）在罐内的流速，截面积流速越低温度分层越明显，使用效果越好，热水的利用率越高，热泵