近些年来，国家大力推行建筑的节能减排，热泵系统已经大面积的应用在各类建筑中。热泵热水系统作为热泵系统应用的一个分支，也得到了较为普遍的应用。热泵热水系统是指由热泵来提供建筑所需的生活热水的系统形式，热泵可以是空气源热泵、地源热泵、水源热泵等。

住宅建筑全年的空调冷热负荷主要是利用地源或水源热泵来承担，同时设置高温热泵为住宅提供生活热水。这一系统尤其适用于全年累计空调冷负荷远大于累计热负荷的地区（夏热冬冷地区）。夏季时，建筑的冷负荷可以作为生活热水热泵系统的热源，向建筑提供生活热水；反过来看，建筑对生活热水的需求相当于空调系统的辅助冷源，可以有效的减轻地源或水源侧的冷热不平衡，保证系统正常、有效的运行。冬季时，高温热泵以地源或水源为热源为建筑提供生活热水。

《热泵热水系统选用与安装图集》（06SS127)^[1]（以下简称《图集》）中给出热水热泵和热水罐的设计选型方法，随着实际建筑中入住率的不断增高，很多业主投诉集中生活热水温度低，影响正常的使用。经过现场调研，发现热水供水温度低，热水量不足的情况基本上发生在用水高峰时段。

本文以某住宅小区的热泵热水系统为例，以《图集》中方法计算得到的参数为基础，利用模块化的动态仿真软件TRNSYS进行模拟，寻求有效的方法来提高热泵热水系统的供生活热水能力。

江苏省某住宅小区内共有4栋住宅楼，地上7层，每栋楼4个单元，每单元2户，小区总户数为224户。每户按照3.5人计算，总人数m=784人。按照《全国民用建筑工程设计技术措施———给水排水》^[2]（以下简称《措施》）选取生活热水的相关设计参数。

热水供水温度设计值t_r=55℃，冷水温度t_L=4℃；热水用水定额q_r取为供水温度55℃时77L/（人·d）[（相当于60℃时70L/（人·d)];784人的用热水量是分布在全天的，而不是集中在1h内，一天中各个小时所需的热水量也是不平均的，所以热水小时变化系数是存在的。热水小时变化系数K_h按插值法计算取为4.56；水的比热c=4.2 kJ/（kg·℃），热水密度ρ_r=1kg/L。

计算得到最高日平均秒耗热量Q_d=m·q_r·c·ρ_r·（t_r-t_L)=150(kW）；设计小时热水量Q_rh=m·q_r·K_h/24=11.4(m³/h）；设计小时平均秒耗热量Q_h=K_h·Q_d=684(kW）。

《图集》中的设计方法的核心是在设计小时耗热量持续时间内，由热水罐内储存的热量和热水热泵机组的制热量共同来承担生活热水负荷。按照《图集》中给出的公式，选取热泵热水系统的相关设计参数。

热泵机组设计工作时间T1取为16h（《图集》中建议为12～20h）；设计小时耗热量持续时间T取为2.5h（《图集》中建议为2～4h）；采用立式热水罐，有效贮热容积系数取0.9。

计算得到热泵机组制热量Q_g=24×1.1×Q_d/T₁=247(kW）；立式贮热罐总容积V_r≥（Q_h-Q_g）·T/[0.9·（t_r-t_L）·c·ρ_r]=20.4(m³），取为容积为12m³的立式热水罐2个，水罐高度为4m。

利用TRNSYS软件建立热泵热水系统供生活热水的模型，来验证计算选型结果是否能满足系统的水温、水量要求。

随着热水罐供出生活热水，系统需要补充冷水，而补充的冷水和热水罐中的热水混合，使得热水水温下降，逐渐影响生活热水供水温度。在总耗热量不变的情况下，供水温度减小时，可以增大供水量来满足用户要求。《措施》中规定有集中热水供应系统的住宅，配水点的水温不应低于45℃。考虑到热水罐及输配管网有一定的热损失，本文以供生活热水温度不小于48℃作为校核标准。即如果在设计小时耗热量持续时间内，系统的供水温度48℃以上，则认为系统可以满足生活热水系统的使用要求。

将计算的得到的热泵机组制热量、水罐容量、温度、流量等参数输入模型，并利用计算模块完成各个参数之间的关联及转换。建立的TRNSYS模型见图1。

采用TRNSYS中的TYPE60模块作为热水罐的模型，该模块在无辅助内部加热器时仅考虑水罐中液体的传质，并认为每一计算层内液体充分混合，该层内温度分布是均匀的。TRNSYS软件及TYPE60模块已经广泛的应用于太阳能热水、水蓄能中的系统及热水罐的模拟。热水罐模型内热水的比热容取为4.19kJ/（kg·K），密度1 000kg/m³。

模型中有2个热水罐，高度均为4 m，容量为12m³，总容量24m³，串联运行。热水罐垂直分层数设置为8，即相当于0.5m的高度为一个温度计算单元，进出水在最底层或最顶层。经模拟计算，增加热水罐分层数对模拟结果的影响可忽略。热水罐1为两进两出，一路进出为热泵供回水，底出顶进；一路进出为向生活热水系统的供水和从热水罐2来的回水，底进顶出。热水罐2为一进一出，进水为生活热水系统补水，出水为向热水罐1供水，底进顶出。热水罐内水初始温度设置为55℃。模型中有2个计算模块。热泵温差计算模块计算得到热泵供水温度，逻辑表达式为：热泵供水温度=取其较小值（热泵回水温度+5℃，55℃）。即在定流量的情况下，不仅能保证热泵机组最大制热能力Q_g不超过设计值247kW(5℃温差时），同时也能保证供水温度不大于55℃（热泵机组出水能力限值）。

供热水水量计算模块根据水罐1的供水温度来计算生活热水系统所需的热水量（总设计小时耗热量684kW不变），并反馈给热水罐2，作为生活热水的补水水量。

图2为上述模型条件下，补水温度为冷水温度4℃时的热水罐内水温随运行时间的变化情况。各曲线为热水罐的顶部、中间、底部水温。可以看出热水罐2内水温下降迅速，冷热水混合作用很大。而热水罐1内由于有热泵的循环加热作用，温度分层不明显，水温下降较为缓慢。

系统供热水温度（热水罐1顶部温度）随着系统的运行不断降低。当运行约1.5h，供水水温就降低到48℃，与设计小时耗热量持续时间（2.5h）相差甚远，仅为设计值的60%(1.5/2.5）。

由于热水热泵提升热水温度的能力仅为5℃，实际工程中为保证水罐1向生活热水系统的供水温度较高，系统设计为抽取水罐1下部的温水进热泵，这样运行初期会出现热泵的加热能力无法完全发挥的现象。图3为模拟过程中热泵供回水温差的变化曲线。刚开始运行时，由于热水罐内水温较高，热泵机组的制热量并没有达到设计值。系统运行约0.9h后，热泵供回水温差才达到设计温差5℃。采用插值法估算这部分没有利用上的热泵制热量约占设计小时耗热时间内热泵所需出力值的（0+0.9）/2/2.5=18%。

在原有选型的基础上增加1个12m³的热水罐，与原来的两个热水罐串联运行，总容量为36m³，其他参数条件不变。模拟结果为48℃以上的供水运行时间为1.75h，仅比原来的情况多了0.25h。

刚开始运行时，由于热水罐内温度较高，热泵机组的制热能力没有充分利用，理论上来说这部分热量可以用于补水的预热。在模型中加入此预热算法，模拟结果为48℃以上的供水运行时间为1.8h，仅比原来的情况多了0.4h。

对4℃的冷水进行电预热，得到不同的预热温度下的满足供水温度要求（不小于48℃）的有效持续供热水时间。当预热温度分别为4℃、15℃、20℃、25℃、27℃、29℃、30℃时，持续时间分别为1.5h、1.7h、2.2h、2.4h、2.8h、3.2h。

当预热温度达到29℃时，才能较好的达到设计的耗热量持续运行时间。经计算，此时需要的电加热器容量为385kW。

采用增加电加热预热的方法虽然简单方便，但是需要的加热量相对较大。对于本文实例来说需要385kW的电加热器，而所选热水热泵的制热量仅为247kW。对于已建的工程，生活热水系统热水量不足现象较为严重，其他优化途径不可行时可以考虑采用此种方法。

增大热水热泵制热量，并利用初始阶段剩余的热泵制热量对4℃的冷水进行预热。模拟结果见表1。

热泵制热量为原设计值的1.5倍时，才能达到设计耗热量持续运行时间2.5h。考虑到系统在热量的传递和交换过程中存在热损失，建议热泵容量为原设计值的2倍，选成2台热泵热水机组，平时1用1备，热水需求集中且持续时间长的高峰时段同时开启。

《图集》的计算方法仅在理论上满足了生活热水系统的需求，没有充分考虑实际运行过程中用水高峰时段冷热水的混合作用会迅速降低热水罐内的水温，特别是串联的热水罐中靠近冷水一侧的水罐内的水温。水温降低后，就无法满足生活热水系统的要求。

本文针对的住宅小区，模拟得出按照《图集》进行选型的系统实际仅能维持设计小时耗热量持续时间的一半左右。而采用原有热泵进行自预热，以及单纯的增大热水罐容积的办法，作用都很小。当采用电加热器或其他手段将冷水水温由4℃提升到29℃时，可以达到设计的持续时间。此方法操作简单，方便设计和改造。但需要的电加热器容量较大，节能性较差，适用于无法进行其他改造途径的已建工程。

增加热水热泵的制热量，并利用初始阶段剩余的制热量来预热冷水的方法，可以有效的延长持续运行时间。考虑到系统在热量的传递和交换过程中存在热损失，建议热泵制热量为原设计的2倍，选成2台热泵热水机组，平时一用一备，热水需求集中且持续时间长的高峰时段同时开启。由于空调系统和热水系统的负荷高峰期不在同一时段，热源侧（热水热泵蒸发器侧）的设计（地埋孔、地热井等）可以根据实际工程的具体情况，不做或适当调整。