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，系統冬季的節能運行與節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模應用的經驗方法，希望能起到拋磚引玉的作用，以供讀者參考。

  一、節能設計的內容

  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

  為實現空氣源熱泵主機在環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：為系統補水、系統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;

  蓄能水箱的作用是為系統儲存熱量(冷量)，參與末端的水循環。

  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)。

  這種蓄熱方式的優勢在于：

  (a)有效地利用了低谷電，對整個電網來講，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

  二次循環系統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。溫度調節閥依靠混水器與末端的循環水溫控制熱水箱與混水器之間的循環水的流量，使末端循環系統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。

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

  二次循環系統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，變頻水泵依據板式換熱器與末端的循環水溫控制熱水箱與板式換熱器之間的循環水的流量，使末端循環系統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。

  (左側是一次循環系統，右側是二次循環系統，二次循環系統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。