熱泵循環圖系統的水溫不穩定？三種工程設計方式搞定

常規的熱水設備包括熱水鍋爐、熱水管網二次換熱設備、電熱水器等。大中型的熱水系統都是蓄熱式系統，都是通過水泵循環將熱量從熱源設備中轉移到蓄熱水箱中，直到水被加熱到設定溫度為止。一般情況下，除了太陽能設備通過溫差控制循環水泵間斷性開停之外，常規的熱水設備都是具有較快的熱交換速度，水泵持續運行，能夠在短時間內達到制熱水的要求。

　　具體管路連接方式見圖十四。

　　冷水常常直接從蓄熱水箱頂部補入，熱水出水從水箱底部接出。

　　一、常規單水箱循環加熱的弊端

　　循環加熱式熱泵熱水機組加熱過程與常規的熱源設備相仿，需要通過水泵強制循環將熱能傳遞到蓄熱水箱的水中，此種加熱方法與傳統熱水系統比較一致，系統結構明晰，控制簡單，便于掌握。所以目前以采用這種配置方式的熱泵熱水工程居多。但如果按照圖十四的方式來設計熱泵熱水系統，到了用水高峰時段或者到了冬季，系統有效供熱水量往往無法達不到設計要求，不能滿足客戶的用水需求，客觀上導致“熱泵制熱水有問題”的現象。具體分析有以下兩個方面原因。

　　1、熱泵機組的單位制熱量較小，即熱性能差：因為需要吸收空氣能源不斷積蓄熱能，所以熱泵設計的極限制熱能力往往是按照一天15個小時左右或者更長的工作時間為基礎的。而除了太陽能之外，常規鍋爐的制熱量主要與能源使用量相關，單位制熱能力往往比空氣源熱泵要高得多，這樣，如果空氣源熱泵不能在高峰用水時段之前完成足夠的蓄能過程，試圖在用水過程中完成熱水的及時供給幾乎是不可能的。

　　2、冷熱水直接混合造成水溫忽低忽高：當冷水直接由水箱頂部補入保溫水箱時，必然會帶來整箱水的混合以及水溫的降低，因為熱泵制熱速度相對較慢，水箱出水溫度必然會降低。一般來說，用水量越大，冷水補水后的出水溫度越低；冷水溫度越低，冷水補水后的出水溫度越低；制熱速度越慢，冷水補水后的出水溫度越低。所以單水箱熱泵熱水系統冬季混水問題比夏季嚴重的多。

　　當然，上述情況也不是一概而論的。對于簡單的單一時段的定時供水、定時補水的熱水系統，單水箱循環制熱水可以滿足用戶的使用需求。本文探討24小時恒溫供熱水的熱泵熱水系統。

　　為了改進這種冷熱水混合造成實際用水量不足的情況，技術人員提出了多種解決方案和優化措施。簡單可以分為以下幾種：

　　二、優化水箱進出水口設計與補水溫度控制

　　解決冷熱水混合問題的思路是優化水箱進出口設計，同時控制補水溫度來保證用水舒適性。

　　1、冷水補水口下移。冷水從水箱底部補水，解決冷熱水直接混合的問題，便于實現水溫分層。

　　2、熱水供水口上移。熱水取水口移動到水箱中上部，增加浮球取水裝置，保證出水口取用水箱上層高溫的熱水。

　　基本原理見圖十五。

　　3、熱泵循環口布置在水箱底部。熱泵的循環口布置在水箱底部的兩側，盡量減少熱泵循環制熱過程中上下水溫的混合。

　　4、控制補水溫度，當水溫低于42度時停止補水。保證用戶正常用水。但水溫高低不同時熱泵制熱量是有差別：前文圖二中給出了不同初始水溫的熱泵性能系數曲線，當初始水溫為15℃時，將水加熱到55℃的整體性能系數為4.07，而當初始水溫為35℃時，相應整體性能系數則降為3.3。圖十六給出對應的不同水溫時瞬間制熱量的曲線，由曲線我們可以看到，20℃時瞬間制熱量為18.8KW,45℃時瞬間制熱量降為13.8KW，有25%以上的降幅，所以，采用控制補水溫度的系統，熱水實際供應量也會有超過25%的下降。

　　三、增加一個預熱水箱，變為雙水箱系統

　　控制補水溫度來實現用水舒適性是以犧牲能效為代價的。另外，為了要將整箱水加熱到設定溫度，循環制熱水的熱泵機組最終的出水溫度常常要超過設定溫度3-5度，而這樣高水溫狀態下熱泵工作效率是很低的。

　　于是，為了有效提高熱泵熱水系統的能效，減少熱泵熱水機在中高水溫中運行時間，有了預熱式定溫出水雙水相系統的設計方案：基本原理見圖十七，系統采用了一個容積較小的輔熱水箱來保證熱泵設備的運轉：當輔熱水箱中水溫較低、熱泵出口管路中水溫沒有達到設定溫度時，三通閥A向導通B向關閉，確保輔熱水箱中的水被循環加熱；當輔熱水箱中水溫較高、熱泵出口管路中水溫達到設定溫度時，三通閥A向關閉B向導通，熱泵出來的水直接進入蓄熱水箱。這樣循環工作，直到蓄熱水箱中的水達到設定水位為止。

　　預熱式循環制熱系統中，熱泵運行時一方面由于出水溫度有所降低，熱泵的冷凝溫度和冷凝壓力也相應降低，提高熱泵系統的效率，延長壓縮機使用壽命，另一方面達到設定溫度后熱泵出來的熱水可以直接進入蓄熱水箱，減少了冷熱水混合所的熱損失，所以，雙箱預熱式定溫熱水系統是比較節能的。

　　但對于有回水保溫的熱水系統而言，蓄熱水箱中水溫會因為回水管路中的低溫回水而不斷降低，甚至低到無法使用。為此，蓄熱水箱需要增加保溫的制熱裝置，或者在熱泵循環管路中增加三通換向閥，通過三通閥的切換，用預熱系統的熱泵來直接為蓄熱水箱制熱保溫。

　　四、采用一次加熱式機組，將冷水加熱后補入水箱

　　國標GB21362-2008定義一次加熱式熱水機為：使用側進水流過熱泵熱水機一次就達到設定終止溫度的熱水機。利用這種機型，如圖十八，熱泵熱水系統可以方便的將冷水制熱后放入水箱，保證水箱中的水都是熱水，冷熱水不會混合，補水特別方便；另外，一次加熱式熱泵機組的冷凝溫度和冷凝壓力比較低，熱泵的出水溫度與系統的冷凝溫度基本相等，增強熱泵機組的可靠壽命。

　　一次加熱式熱水機的技術難點在于流量調節。為了保證不同環境溫度、不同進水溫度時熱泵出水溫度的穩定性，選擇合適的流量調節閥，設計合適的控制邏輯，對于系統的穩定運行非常重要。目前主要有兩種方案：一種是直接通過出水溫度來反饋水流量的大小，發出脈沖信號調節流量閥的開度，保證出水溫度的穩定性。另外一種思路是通過出水溫度與冷凝溫度、冷凝壓力的對應關系，通過冷凝壓力的反饋來調節流量閥的開度，實現出水溫度恒定。無論哪種調節方法，都需要解決特殊情況下流量調節閥的穩定問題，避免出水溫度的反復震蕩，同時需要解決閥體反復啟閉動作的可靠性，保證長期可靠運行。

　　一次加熱式熱泵熱水機的優點很明顯，但一次加熱式熱水機并不能“百病”，具體問題還是需要具體分析：

　　1、蓄熱水箱的循環保溫：蓄熱水箱水溫降低時，需要制熱保溫。在一次加熱式機組中增加循環加熱功能，通過同一個機組實現補水加熱和循環保溫加熱，可以提高機組使用效率，簡化系統設計，如圖十八所示。因為循環加熱機組與一次加熱機組的設計要求不一致，為了保證兩者兼容，需要做的系統優化和性能測試，保證產品能效。

　　2、低溫氣候中補水速度衰減：無論是以一次加熱式熱水機還是循環加熱式熱水機，低溫氣候下制熱量的衰減規律是相似的，如果循環制熱式機組配置不足的話，其現象是水溫升不高；如果一次加熱式機組配置不足的話，其現象將是熱水不夠用，水箱中水被用光。為了解決低溫補水速度衰減問題，設計環節中需要匹配足夠匹數的一次加熱式熱水機，同時預留輔助加熱裝置，以備氣溫惡化、提高出水量之需。

　　3、太陽能系統配套工程中，一次加熱式熱水機在能效和系統設計方面不有什么優勢。采用24小時恒溫供水的太陽能熱水系統一般采用雙水箱系統，用太陽能集熱器對預熱水箱中的水進行預熱，用空氣源熱泵機組對蓄熱水箱進行二次加熱和保溫。由于太陽能預熱水溫的不確定性，采用一次加熱式熱水機直接對預熱水箱中水進行二次加熱有技術難度，一般采用循環加熱式熱水機結合控溫補水來實現蓄熱水箱的工作過程。