空气源热泵及电锅炉大型冷暖项目中,如何利用水箱蓄能来节能降耗?

空气源热泵及电锅炉大型冷暖项目中,如何利用水箱蓄能来节能降耗?

我做空气源热泵机组在大型冷暖项目中应用是从2012年大连开始的，随后在新疆和田地区大面积地展开，到目前为止，国内和国外尚未形成一套完整的成熟的设计、安装、运行方案，系统冬季的节能运行与节能设计仍处在摸索阶段，以下提出的内容和方式，是我多年来摸索实践并在北方大规模应用的经验方法，希望能起到抛砖引玉的作用，以供读者参考。

  一、节能设计的内容

设计两大原则

(a)空气源热泵机组的出水温度尽量低(35-45℃)

(b)空气源热泵机组的运行时间段要选择在环境温度较高的时间段，或选择在有谷电价的时间段中运行

为实现空气源热泵主机在环境温度较高的时间段运行，或在选择在谷电价的时间段运行，需要用水箱蓄能和建筑物蓄能的方式把热能储存起来，在其它的时间段释放热能，从而到达节能降低运行费用的目的。

  二、水箱蓄能

由于水的比热容较大4186j/kg(即4186j/升)，水是廉价的蓄热介质，所以工程上通常选用水箱蓄热的方式。

1.方式一：仅用空气源热泵给水箱加热的蓄热方式

由于空气源热泵机组的产水温度低，水箱蓄能的最大温差是15℃左右(水温从35℃升到50℃)，所以1立方米水的最大蓄热量只有15000千卡=17.44kwh(1kwh=860千卡，1千克水温度上升1摄氏度,吸收的热量为1千卡，1Kwh折合860Kcal(千卡);均忽略能量转化效率，余同)。

高位水箱的作用：为系统补水、系统水的冷热膨胀预留空间，没有蓄能的作用，不参与末端的水循环;

蓄能水箱的作用是为系统储存热量(冷量)，参与末端的水循环。

蓄能水箱的容积=水箱需要储存的热能/温差(此公式忽略热损失)

如，热负荷指标是45w/㎡，1000平的建筑储存10个小时的热量，需要的水箱容积是：(450kwh×860千卡/kwh)/15=25.8立方米，

考虑到水箱散热的热损失，水箱的容积应再增加15%的余量，水箱的容积应是25.8×1.15=30立方米，即盛水30吨。

由此可见，这种水箱蓄能的缺陷：增加安装成本，占据空间大、承重超出了建筑的设计要求，散热损失大、运行费用高。

  2.方法二：用电锅炉+空气源热泵主机给水箱加热的蓄能方式

现在介绍第二种方法，采用电锅炉+空气源热泵主机给水箱加热的蓄能方式。

首先把空气源热泵主机把水箱中的水温从35℃提升到50℃，电锅炉再把水温提升到95℃，合计提升温差60℃。所以，1立方米的水蓄热量是60000千卡=69.77kwh。

水箱的容积=水箱需要储存的热能/温差

例如，热负荷指标是45w/㎡，1000㎡的建筑储存10个小时的热量，需要的水箱容积是：(450kwh×860千卡/kwh)/60=6.45m3，

考虑到水箱散热的热损失，水箱的容积应再增加15%的余量，水箱的容积应是6.45×1.15=7.4m3，即盛水7.4吨。

电锅炉的制热功率=水箱储存的热能×45/60÷电锅炉的工作时间(忽略电发热转换效率)

例如，热负荷指标是45w/㎡，1000㎡的建筑储存10个小时的热量，需要电锅炉的功率是：450kwh×45/60÷10h=33.75kw

考虑到散热等损失，电锅炉的功率应再增加15%的余量，因此，实际上电锅炉的制热功率应是33.75×1.15=38.8kw。

由此可见，这种蓄能方式水箱的容积是前者的1/4，大幅度地减少了水箱的占地面积及建筑物的承重负担。

  3.方式三：利用峰谷电水箱蓄热

在晚间谷电价的时间段中，空气源热泵机组把蓄热水箱的水温从35℃提升到50℃，电锅炉再把水温提升到95℃。

每1kg水温度升高60℃的蓄热量为60千卡=0.06977kwh

即1T水(容积1立方米)的蓄热量为：69.77kwh。

如，西安1000㎡非节能建筑，按热负荷指标为60W/㎡计算，

储存8个小时温度升高60℃热能需要水箱的容积是：

60*8kwh/69.77kwh=6.878m3;

所以水箱的容积约为7m3(如空气源热泵机组15度温差容积为28m3)。

  这种蓄热方式的优势在于：

(a)有效地利用了低谷电，对整个电网来讲，起到了“削峰填谷”的作用，对用户来讲，降低了运行费用(有的项目谷电价0.3元/kwh，峰电价1.2元/kwh);

(b)与使用蓄热电锅炉相比，设备的造价低;

(c)与使用蓄热电锅炉相比，设备占据空间少，重量轻，减少了建筑的承重负荷。

  三、蓄热水箱的安装要领

1.要使用保温水箱，减少水箱的热损失

2.承重符合建筑物的设计要求，在建筑物设计承重范围之内

3.具体安装方式

二次循环系统水箱侧的流量在温度调控阀的可控流量范围之内的项目，采用混水器+温度调控阀的方式。温度调节阀依靠混水器与末端的循环水温控制热水箱与混水器之间的循环水的流量，使末端循环系统的水温在要求的范围之内。

这种方式适合蓄热量较小的项目。

  (左侧是一次循环系统，右侧是二次循环系统，二次循环系统的作用是将水温平衡在末端需求的水温段上)

二次循环系统水箱侧的流量在温度调控阀的可控的流量范围之外的项目，采用板式换热器+变频水泵的方式，变频水泵依据板式换热器与末端的循环水温控制热水箱与板式换热器之间的循环水的流量，使末端循环系统的水温在要求的范围之内。

这种方式适合蓄热量较大的项目。

  (左侧是一次循环系统，右侧是二次循环系统，二次循环系统的作用是将水温平衡在末端需求的水温段上)

此外，除了水箱蓄能，实际上更推荐利用建筑本身来蓄能。这是因为：符合国家节能建筑标准的建筑物，维护结构热惰性指标D>6，尤其是地暖项目，建筑物本身就是一个巨大的蓄能体。

建筑物蓄能的特点：不需要再投入其它的蓄能设备，不占建筑物空间，不用考虑建筑物的承重问题，设备的投入少，同时蓄热量大。因此，在节能建筑的前提下，应充分利用建筑蓄能，尽量不使用水箱蓄能的方式。