不为人所熟知的热泵技术之四系统节能量

不为人所熟知的热泵技术之四：谁偷走了热水机的节能量 江苏华扬新能源有限公司 陈志强

空气源热泵性能系数（COP）的数值是热泵产品宣传推广的节能依据。但在实际应用过程中这些“标称”数据很高的热泵产品的实际表现有时并不尽如人意。许多工程的实际检测结果与标称值相差较大。那么，这是否是热泵厂家对机器性能造假，利用不切实际的性能系数来忽悠了消费者呢？ 当然，不排除有少部分滥竽充数的厂家利用市场的不规范来混水摸鱼，以次充好，产品的制热量小、耗电量大，性能系数比较低，没有达到国家标准要求，节能效果自然达不到期望效果。但是，即使是对于性能合格、质量可靠的空气源热泵热水机产品，其工作系统的实际能耗也不是那么简单。机组工作模式、水泵能耗、水箱散热、热水管道散热等因素直接影响到了系统的实际能耗，有必要进一步加以分析。 一、 影响热泵制热量的因素 1、实际热水系统的运行模式 如本系列之三“为什么循环热泵系统的水温不稳定”中所言，如果采取定温补水、循环加热的系统模式来制热水，由于系统中热泵机组总是在中高水温状态下工作，热泵实际性能系数将会比由冷水加热至热水的直热系统的理论性能系数下降20%以上。这是个很直接的损失，但直到今天，还是常常由于设计师的无知或者直热控制技术的缺乏，许多热水系统的节能效果因此而被确确实实地打了个折扣。 2、系统中循环水流量和水垢 本文以循环式商用机为分析对象，《商业或工业用及类似用途的热泵热水机》“GB21362-2008”（以下简称商用机国标）中明确：对于不提供水泵的热水机，实验室为其选配水泵，使循环水在机组名义制热量条件下，换热端温升5°。由于实际工程设计中管道阻力损失大小不一，在有的工程系统中循环水流量较小，换热端温升超过5°，换热量下降，从而使得机组的制热能力也会下降。 管道和换热器中水垢的增加会影响水流量，更会直接增加换热器热阻，减少机组制热量。所以在工作一定年限后热泵机组的制热能力会有所下降。水质越差的地方制热量的下降速度往往会越快。 3、不同地区气候的差异 如本系列“概述”中所言，同样一个产品选择提高5℃的环境温度工作，产品制热量可以增加5%-20%以上，尤其是冬季，制热量随气温的变化相当明显。有些设计方案中，简单的将空气源热泵名义工况下的制热量和性能系数作为热泵 热水器产品全年的平均数值，并以此来与电热水器、燃气热水器等产品来比较经济性，这样的近似处理方法计算简单，数据很好看，但这种近似存在着很大的偏差，地理位置越接近北边，这种近似的偏差越大，在长江流域以北地域，热泵全年实际能效与名义工况能效的偏差可能会超过20%以上。 二、 增加热水系统能耗的因素 有些因素，不是降低了热泵热水机的制热量，而是在热泵制热、满足设定温度热水使用量过程中需要增加额外的能耗。这些能耗增加了系统耗电量或者是延长了热泵工作时间，降低了热泵设备节能的效果。 1、热水循环泵能耗 许多厂家给出的名义工况性能系数往往是不带水泵功耗的“裸机”的性能系数。这是商用机国标允许的一种做法，因为商用机国标主要是建立一个统一的测试条件，检测热泵热水机这一设备的的制热性能，而热水系统中的其他因素，不是这个商用机国标所关心或者所能解决的。 但是，用户不关心“裸机”的节能率，他们需要的是系统整体的节能率。对于5匹～10匹的机组而言，增加热水循环泵后的总能耗比“裸机”总能耗增长了10%左右，也就是说，如果算及热水循环泵，5匹-10匹的热泵热水系统的性能系数往往会下降10%左右。但值得庆幸的是，在机组增大增多之后，热水循环泵能耗在系统中所占的比例一般会逐渐降低。 2、制热循环管道散热 实际系统性能系数测试值可能永远无法达到国标实验的测试值。这不仅因为实际系统中需要计及水泵功耗，而且因为国标实验中为了还原真实的热水机组产热的能力，还考虑到水箱和循环管道散失的热能，标定制热量是测试值基础上加上水箱散热和循环管道散热的结果。所以，从某种意义上讲，国标所定义的性能系数在很大程度上是个技术层次上热水机组制热量的理论值，而不是可以直接来套用的实际值。 进行有效的管道保温是热水工程中必须要做、也很值得做的一个工作。在实验室状态下，5匹～10匹的热水机系统中，这些添加的额外散热大约占到实测制热量的3%左右，在工程应用中，特别是在管道保温不理想的中小热水工程中，循环管道的散热量可能会超过3%，气温越低，循环管道的散热越大。同样，值得庆幸的是，制热循环管道的散热量只是与散热面积和保温层等因素相关，不是与水流量成比例增长，所以，当水流量增大、管道加粗后，制热循环管道散热在总体能耗中所占的比例会有所降低。 3、水箱散热 水箱的保温作用都是相对有效的，没有在一定温差情况下绝对不散热的水箱。并且一般情况下，水箱内水温和周围环境相差越大，水箱的散热越多。商用 热泵热水机国标“GB21362-2008”中规定，水箱中热水放置13小时后水温下降不超过5度。即使是一个保温效果优良的水箱，按照24小时散热5度来计算，这水箱所散失的热能，在整个制热量比重中占到10%以上，不是个可以忽略的小数值。 但保温水箱的散热并不是随着水箱容积的增大而成比例增加的。因为水箱的散热和外表面积呈正比，而外表面积并不是随着容积的增大而成比例增加。因为保温水箱散热的数量不可忽略，所以，注重品质的保温水箱厂家会考虑如何有效减少热桥、如何在最小的表面积下达到同样的蓄热水容积，如何保证箱体不遭受雨水渗漏，如何减少溢流孔和维修孔的热流失，等等。 4、热水增压泵能耗 热水增压产生的能耗往往并不是热源设备需要考虑的能耗，但在实际工程中用户却往往不会把热水增压的能耗撇在热水系统的能耗之外，而且，因为水泵扬程越大，水泵功率越大，在一些中小型热水系统中，热水增压泵的能耗所占的比例已经不可小觑。 热水供水管道的设计和热水增压泵的选择是热水增压泵产生能耗多少的两大关键因素。许多没有专业设计人员的热水工程商对热水增压泵的选型有很多随意性，常常有人喜欢选择扬程较高的热水增压泵来供水，无论是要将热水往楼上压，还是将热水往楼下送，均选用高扬程的增压泵，因为“扬程高、压力大，效果好”。没有有效实施恒压控制的供热水系统，热水增压泵能耗得不到有效控制，不该运转的时候增压泵持续运行，会增加三分之一的能耗。 5、热水供应管道散热 在所有与能耗有关的因素中，热水供应管道的散热往往是最不可控的。因为热水工程主要涉及屋顶或室外的热源部分，室内管道往往由水暖装修人员负责。在没有节能意识、片面降低成本的装修公司眼中，热水管道是否加保温差别不大，许多时候，即使做保温也是敷衍了事，结果热水供应管道的热损耗是大的惊人。 以一个实际经历的热水工程为例。某宾馆有40个标准间，为了保证一开就有热水，该客户设计有热水回水循环，将热水供应管道内冷却的热水带回到供热水箱。因为其内部热水管道没有保温，结果该客户冬季每天能耗达到了300-400度电。这样的能耗是什么概念？如果纯粹是制热水，即使是使用电加热设备，这么多电能也可以把5、6吨水温升50度以上，而该用户实际每天只用2-3吨热水。后对热水管道回水循环进行改造，设定三个时段共11个小时管道循环，其余时间不进行管道回水循环，结果该宾馆每天能耗立刻降到200度电。 三、 热泵热水系统实际性能系数 热水系统的节能效果与热泵单位制热量有关，同等机组能耗条件下，热泵单位制热量越大，热泵节能效果越好；同时，节能效果还与热水系统的各种能耗有 关，额外的能耗越小，热水设备的工作时间越少，节能效果自然越好。 本文结合上述内容，给出下面的实际热水系统性能系数公式： COP实际=Q0/【（T1+T2）×（W1+ W循环泵）+ T3× W增压泵】 （1） T1=Q0/（q0×λ1×λ2×λ3） （2） T2=（Q1+Q2+Q3）/（q0×λ1×λ2×λ3） （3） 其中 Q0为将水由低温加热到设定温度所需消耗的理论热能。 Q1为制热循环管道所散失的热能，不需要管道循环、闷热式系统没有此项。 Q2为保温水箱所散失的热能。 Q3为热水供应管道所散失的热能，没有热水回水循环的系统可以忽略。 q0为热泵名义工况单位制热量。 λ1为热水系统模式影响因子，在单水箱热水系统中影响因子为0.7～0.8，采用双水箱、热泵出水端补水的热水系统影响因子为1.1左右。 λ2为环境温度变化对应的制热量修正系数，一般环境温度高于名义工况时，修正系数大于1，低于名义工况时，修正系数小于1。 λ3为换热器有效系数，换热器有效系数小于等于1，水垢越多，有效系数越低。 W1为热泵机组的单位时间平均耗电量。 W循环泵为热水循环泵单位时间耗电量，不需要管道循环泵的闷热式系统没有此项。 W增压泵为热水增压泵单位时间耗电量，不需要热水增压泵的系统没有此项。 特别说明的是，不需要管道循环泵的闷热式热泵热水系统虽然没有Q1制热循环管道所散失的热能和W1热水循环泵所消耗的电量，但因为闷热式的热水系统能效比较低，对应的W0数值较大，所以实际其性能系数并不高。 由上面的计算公式不能直接看出节能率的降低。假设一个小型的热泵热水系统，采用单水箱定温补水方式循环制热，λ1=0.8，λ2=1，λ2=0.95，T2=0.1T1，W循环泵= 0.1W1，W增压泵=0，COP理论=q0/W0，为了便于计算，认为W0=W1，则带入公式（1）（2）有 COP理论=0.63COP理论 如果原来的理论“能效比”为3.7，则此时实际的“能效比”只有2.33。 如果气温降低，制热量修正系数λ2=0.5，则实际的能效比会变为1.16！ 由此我们可以看出热泵热水系统实际性能系数与理论数值的差异可能有多大了。如果每次均能够直接将冷水加热成热水后进入供热水箱，减少了λ1=0.8的损耗，则上述两个数值分别变为2.90和1.46，节能效果提高四分之一。