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为什么热泵热水循环系统的水温不稳定?

发布日期:2018-01-06
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常规的热水设备包括热水锅炉、热水管网二次换热设备、电热水器等。大中型的热水系统都是蓄热式系统,都是通过水泵循环将热量从热源设备中转移到蓄热水箱中,直到水被加热到设定温度为止。一般情况下,除了太阳能设备通过温差控制循环水泵间断性开停之外,常规的热水设备都是具有较快的热交换速度,水泵持续运行,能够在短时间内达到制热水的要求。具体管路连接方式见图十四,冷水常常直接从蓄热水箱顶部补入,热水出水从水箱底部接出。

常规单水箱循环加热的弊端

循环加热式热泵热水机组加热过程与常规的热源设备相仿,需要通过水泵强制循环将热能传递到蓄热水箱的水中,此种加热方法与传统热水系统比较一致,系统结构明晰,控制简单,便于掌握。所以目前以采用这种配置方式的热泵热水工程居多。但如果按照图十四的方式来设计热泵热水系统,到了用水高峰时段或者到了冬季,系统有效供热水量往往无法达不到设计要求,不能满足客户的用水需求,客观上导致“热泵制热水有问题”的现象。具体分析有以下两个方面原因。

1、热泵机组的单位制热量较小,即热性能差:因为需要吸收空气能源不断积蓄热能,所以热泵设计的极限制热能力往往是按照一天15个小时左右或者更长的工作时间为基础的。而除了太阳能之外,常规锅炉的制热量主要与能源使用量相关,单位制热能力往往比空气源热泵要高得多,这样,如果空气源热泵不能在高峰用水时段之前完成足够的蓄能过程,试图在用水过程中完成热水的及时供给几乎是不可能的。

2、冷热水直接混合造成水温忽低忽高:当冷水直接由水箱顶部补入保温水箱时,必然会带来整箱水的混合以及水温的降低,因为热泵制热速度相对较慢,水箱出水温度必然会降低。一般来说,用水量越大,冷水补水后的出水温度越低;冷水温度越低,冷水补水后的出水温度越低;制热速度越慢,冷水补水后的出水温度越低。所以单水箱热泵热水系统冬季混水问题比夏季严重的多。

当然,上述情况也不是一概而论的。对于简单的单一时段的定时供水、定时补水的热水系统,单水箱循环制热水可以满足用户的使用需求。本文重点探讨24小时恒温供热水的热泵热水系统。

为了改进这种冷热水混合造成实际用水量不足的情况,技术人员提出了多种解决方案和优化措施。简单可以分为以下几种:

优化水箱进出水口设计与补水温度控制

解决冷热水混合问题的最简单思路是优化水箱进出口设计,同时控制补水温度来保证用水舒适性。

1、冷水补水口下移。冷水从水箱底部补水,解决冷热水直接混合的问题,便于实现水温分层。

2、热水供水口上移。热水取水口移动到水箱中上部,增加浮球取水装置,保证出水口取用水箱上层高温的热水。基本原理见图十五。

3、热泵循环口布置在水箱底部。热泵的循环口布置在水箱底部的两侧,尽量减少热泵循环制热过程中上下水温的混合

4、控制补水温度,当水温低于42度时停止补水。保证用户正常用水。但水温高低不同时热泵制热量是有差别:前文图二中给出了不同初始水温的热泵性能系数曲线,当初始水温为15℃时,将水加热到55℃的整体性能系数为4.07,而当初始水温为35℃时,相应整体性能系数则降为图十六给出对应的不同水温时瞬间制热量的曲线,由曲线我们可以看到,20℃时瞬间制热量为18.8KW,45℃时瞬间制热量降为13.8KW,有25%以上的降幅,所以,采用控制补水温度的系统,热水实际供应量也会有超过20%的下降。

双水箱系统解决方案

控制补水温度来实现用水舒适性是以牺牲能效为代价的。另外,为了要将整箱水加热到设定温度,循环制热水的热泵机组最终的出水温度常常要超过设定温度3-5度,而这样高水温状态下热泵工作效率是很低的。

于是,为了有效提高热泵热水系统的能效,减少热泵热水机在中高水温中运行时间,有了预热式定温出水双水相系统的设计方案:基本原理见图十七,系统采用了一个容积较小的辅热水箱来保证热泵设备的高效运转:当辅热水箱中水温较低、热泵出口管路中水温没有达到设定温度时,三通阀A向导通B向关闭,确保辅热水箱中的水被循环加热;当辅热水箱中水温较高、热泵出口管路中水温达到设定温度时,三通阀A向关闭B向导通,热泵出来的水直接进入蓄热水箱。这样循环工作,直到蓄热水箱中的水达到设定水位为止。

预热式循环制热系统中,热泵运行时一方面由于出水温度有所降低,热泵的冷凝温度和冷凝压力也相应降低,提高热泵系统的效率,延长压缩机使用寿命,另一方面达到设定温度后热泵出来的热水可以直接进入蓄热水箱,减少了冷热水混合所的热损失,所以,双箱预热式定温热水系统是比较节能高效的。

但对于有回水保温的热水系统而言,蓄热水箱中水温会因为回水管路中的低温回水而不断降低,甚至低到无法使用。为此,蓄热水箱需要增加保温的制热装置,或者在热泵循环管路中增加三通换向阀,通过三通阀的切换,用预热系统的热泵来直接为蓄热水箱制热保温。
为什么热泵热水循环系统的水温不稳定?

1、采用一次加热式机组,将冷水加热后补入水箱

国标GB21362-2008定义一次加热式热水机为:使用侧进水流过热泵热水机一次就达到设定终止温度的热水机。利用这种机型,如图十八,热泵热水系统可以方便的将冷水制热后放入水箱,保证水箱中的水都是热水,冷热水不会混合,补水特别方便;另外,一次加热式热泵机组的冷凝温度和冷凝压力比较低,热泵的出水温度与系统的冷凝温度基本相等,增强热泵机组的可靠寿命。

一次加热式热水机的技术难点在于流量调节。为了保证不同环境温度、不同进水温度时热泵出水温度的稳定性,选择合适的流量调节阀,设计合适的控制逻辑,对于系统的稳定运行非常重要。目前主要有两种方案:一种是直接通过出水温度来反馈水流量的大小,发出脉冲信号调节流量阀的开度,保证出水温度的稳定性。另外一种思路是通过出水温度与冷凝温度、冷凝压力的对应关系,通过冷凝压力的反馈来调节流量阀的开度,实现出水温度恒定。无论哪种调节方法,都需要解决特殊情况下流量调节阀的稳定问题,避免出水温度的反复震荡,同时需要解决阀体反复启闭动作的可靠性,保证长期可靠运行。

一次加热式热泵热水机的优点很明显,但一次加热式热水机并不能“包治百病”,具体问题还是需要具体分析:

1、蓄热水箱的循环保温:蓄热水箱水温降低时,需要制热保温。在一次加热式机组中增加循环加热功能,通过同一个机组实现补水加热和循环保温加热,可以提高机组使用效率,简化系统设计,如图十八所示。因为循环加热机组与一次加热机组的设计要求不一致,为了保证两者兼容,需要做全面的系统优化和性能测试,保证产品能效。

2、低温气候中补水速度衰减:无论是以一次加热式热水机还是循环加热式热水机,低温气候下制热量的衰减规律是相似的,如果循环制热式机组配置不足的话,其现象是水温升不高;如果一次加热式机组配置不足的话,其现象将是热水不够用,水箱中水被用光。为了解决低温补水速度衰减问题,设计环节中需要匹配足够匹数的一次加热式热水机,同时在管道上串接辅助加热装置,以备气温恶化、提高出水量之需。

3、一次加热式热水机在能效和系统设计方面不一定比双水箱定温出水系统有什么优势。通过系统优化,双水箱定温出水系统供热水性能不低于一次加热式热水机系统,而且,由于规避了一次加热过程中水量调整装置,双水箱定温出水系统控制往往更加可靠。在一些大中型热水工程中,我们往往建议有条件的工程商优先选用双水箱系统。

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