空氣源熱泵及電鍋爐大型冷暖項目中，如何利用水箱蓄能來節(jié)能降耗?

  我做空氣源熱泵機組在大型冷暖項目中應用是從2012年大連開始的，隨后在新疆和田地區(qū)大面積地展開，到目前為止，國內和國外尚未形成一套完整的成熟的設計、安裝、運行方案，系統(tǒng)冬季的節(jié)能運行與節(jié)能設計仍處在摸索階段，以下提出的內容和方式，是我多年來摸索實踐并在北方大規(guī)模應用的經(jīng)驗方法，希望能起到拋磚引玉的作用，以供讀者參考。

  一、節(jié)能設計的內容

  設計兩大原則

  (a)空氣源熱泵機組的出水溫度盡量低(35-45℃)

  (b)空氣源熱泵機組的運行時間段要選擇在環(huán)境溫度較高的時間段，或選擇在有谷電價的時間段中運行

  為實現(xiàn)空氣源熱泵主機在環(huán)境溫度較高的時間段運行，或在選擇在谷電價的時間段運行，需要用水箱蓄能和建筑物蓄能的方式把熱能儲存起來，在其它的時間段釋放熱能，從而到達節(jié)能降低運行費用的目的。

  二、水箱蓄能

  由于水的比熱容較大4186j/kg(即4186j/升)，水是廉價的蓄熱介質，所以工程上通常選用水箱蓄熱的方式。

  1.方式一：僅用空氣源熱泵給水箱加熱的蓄熱方式

  由于空氣源熱泵機組的產(chǎn)水溫度低，水箱蓄能的最大溫差是15℃左右(水溫從35℃升到50℃)，所以1立方米水的最大蓄熱量只有15000千卡=17.44kwh(1kwh=860千卡，1千克水溫度上升1攝氏度,吸收的熱量為1千卡，1Kwh折合860Kcal(千卡);均忽略能量轉化效率，余同)。

  高位水箱的作用：為系統(tǒng)補水、系統(tǒng)水的冷熱膨脹預留空間，沒有蓄能的作用，不參與末端的水循環(huán);

  蓄能水箱的作用是為系統(tǒng)儲存熱量(冷量)，參與末端的水循環(huán)。

  蓄能水箱的容積=水箱需要儲存的熱能/溫差(此公式忽略熱損失)

  如，熱負荷指標是45w/㎡，1000平的建筑儲存10個小時的熱量，需要的水箱容積是：(450kwh×860千卡/kwh)/15=25.8立方米，

  考慮到水箱散熱的熱損失，水箱的容積應再增加15%的余量，水箱的容積應是25.8×1.15=30立方米，即盛水30噸。

  由此可見，這種水箱蓄能的缺陷：增加安裝成本，占據(jù)空間大、承重超出了建筑的設計要求，散熱損失大、運行費用高。

  2.方法二：用電鍋爐+空氣源熱泵主機給水箱加熱的蓄能方式

  現(xiàn)在介紹第二種方法，采用電鍋爐+空氣源熱泵主機給水箱加熱的蓄能方式。

  首先把空氣源熱泵主機把水箱中的水溫從35℃提升到50℃，電鍋爐再把水溫提升到95℃，合計提升溫差60℃。所以，1立方米的水蓄熱量是60000千卡=69.77kwh。

  水箱的容積=水箱需要儲存的熱能/溫差

  例如，熱負荷指標是45w/㎡，1000㎡的建筑儲存10個小時的熱量，需要的水箱容積是：(450kwh×860千卡/kwh)/60=6.45m3，

  考慮到水箱散熱的熱損失，水箱的容積應再增加15%的余量，水箱的容積應是6.45×1.15=7.4m3，即盛水7.4噸。

  電鍋爐的制熱功率=水箱儲存的熱能×45/60÷電鍋爐的工作時間(忽略電發(fā)熱轉換效率)

  例如，熱負荷指標是45w/㎡，1000㎡的建筑儲存10個小時的熱量，需要電鍋爐的功率是：450kwh×45/60÷10h=33.75kw

  考慮到散熱等損失，電鍋爐的功率應再增加15%的余量，因此，實際上電鍋爐的制熱功率應是33.75×1.15=38.8kw。

  由此可見，這種蓄能方式水箱的容積是前者的1/4，大幅度地減少了水箱的占地面積及建筑物的承重負擔。

  3.方式三：利用峰谷電水箱蓄熱

  在晚間谷電價的時間段中，空氣源熱泵機組把蓄熱水箱的水溫從35℃提升到50℃，電鍋爐再把水溫提升到95℃。

  每1kg水溫度升高60℃的蓄熱量為60千卡=0.06977kwh

  即1T水(容積1立方米)的蓄熱量為：69.77kwh。

  如，西安1000㎡非節(jié)能建筑，按熱負荷指標為60W/㎡計算，

  儲存8個小時溫度升高60℃熱能需要水箱的容積是：

  60*8kwh/69.77kwh=6.878m3;

  所以水箱的容積約為7m3(如空氣源熱泵機組15度溫差容積為28m3)。

  這種蓄熱方式的優(yōu)勢在于：

  (a)有效地利用了低谷電，對整個電網(wǎng)來講，起到了“削峰填谷”的作用，對用戶來講，降低了運行費用(有的項目谷電價0.3元/kwh，峰電價1.2元/kwh);

  (b)與使用蓄熱電鍋爐相比，設備的造價低;

  (c)與使用蓄熱電鍋爐相比，設備占據(jù)空間少，重量輕，減少了建筑的承重負荷。

  三、蓄熱水箱的安裝要領

  1.要使用保溫水箱，減少水箱的熱損失

  2.承重符合建筑物的設計要求，在建筑物設計承重范圍之內

  3.具體安裝方式

  二次循環(huán)系統(tǒng)水箱側的流量在溫度調控閥的可控流量范圍之內的項目，采用混水器+溫度調控閥的方式。溫度調節(jié)閥依靠混水器與末端的循環(huán)水溫控制熱水箱與混水器之間的循環(huán)水的流量，使末端循環(huán)系統(tǒng)的水溫在要求的范圍之內。

  這種方式適合蓄熱量較小的項目。

  (左側是一次循環(huán)系統(tǒng)，右側是二次循環(huán)系統(tǒng)，二次循環(huán)系統(tǒng)的作用是將水溫平衡在末端需求的水溫段上)

  二次循環(huán)系統(tǒng)水箱側的流量在溫度調控閥的可控的流量范圍之外的項目，采用板式換熱器+變頻水泵的方式，變頻水泵依據(jù)板式換熱器與末端的循環(huán)水溫控制熱水箱與板式換熱器之間的循環(huán)水的流量，使末端循環(huán)系統(tǒng)的水溫在要求的范圍之內。

  這種方式適合蓄熱量較大的項目。

  (左側是一次循環(huán)系統(tǒng)，右側是二次循環(huán)系統(tǒng)，二次循環(huán)系統(tǒng)的作用是將水溫平衡在末端需求的水溫段上)

  此外，除了水箱蓄能，實際上更推薦利用建筑本身來蓄能。這是因為：符合國家節(jié)能建筑標準的建筑物，維護結構熱惰性指標D>6，尤其是地暖項目，建筑物本身就是一個巨大的蓄能體。

  建筑物蓄能的特點：不需要再投入其它的蓄能設備，不占建筑物空間，不用考慮建筑物的承重問題，設備的投入少，同時蓄熱量大。因此，在節(jié)能建筑的前提下，應充分利用建筑蓄能，盡量不使用水箱蓄能的方式。