生活热水系统按其供应范围大小主要分为局部热水系统和集中热水系统。常见的居住建筑集中生活热水系统主要包括带全热回收或部分热回收的地源热泵机组制取生活热水、太阳能加辅助热源制取生活热水、燃气燃煤锅炉房制取生活热水等多种形式^[1,2,3,4]。

　　 随着经济的快速发展和人民生活水平的提高, 居民对于生活热水的要求越来越高, 加速了集中式生活热水系统的发展。但集中式生活热水系统仍存在很多问题, 比如住宅小区人均热水用量为45~50L/ (人·d) , 低于设计规范中的60~100L/ (人·d) , 导致有效热利用率低^[5];热水管网热损失量较大, 约为总耗热量的30%^[6];集中热水系统运行能耗高于局部热水系统, 集中系统成本为局部系统的3.1~6.4倍^[7]。

　　 江苏省地源热泵技术发展迅速, 现已推广至多种技术形式, 包括土壤源、江湖水源、污水源等^[8]。截止2014年, 江苏省的地源热泵系统应用面积达2 000多万m², 其中地源热泵集中生活热水系统用于居住建筑的比例也在逐年提升。

　　 研究者对地源热泵集中生活热水系统进行了实测研究, 王成勇等研究了广州地区地埋管地源热泵热水系统的运行特性, 得到连续和间歇运行工况下COP的平均值分别为3.47和3.56^[9];林俊等对某医院地源热泵热水系统性能进行了测试研究, 得到机组COP达4.0, 系统COP达3.7以上^[10];陈迪对一学生公寓的土壤源热泵热水系统进行测试, 夏季机组COP平均值为4.13, 过渡季为4.23, 冬季为3.94^[11]。

　　 本文对江苏省4个采用地源热泵集中生活热水系统的住宅小区进行了实测, 对测试期间机组运行情况和机组性能进行了分析。

　　 测试的4个项目分布在江苏省扬州和南通两地, 项目基本信息如表1所示。

　　 由表1可知, 居住建筑地源热泵集中生活热水系统主要采用全热回收热泵机组, 其系统原理如图1a所示;也有部分系统采用部分热回收配合全热回收热泵机组, 其系统原理如图1b所示。

　　 全热回收热泵机组其全热回收器与冷凝器并联, 回收热量大;部分热回收热泵机组其部分热回收器与冷凝器串联, 回收热量小。部分热回收机组在过渡季节无法获得热量, 对于全年有大量生活热水需求的系统不适用。全热回收机组, 夏季制冷运行, 可完全回收冷凝热制取生活热水;过渡季和冬季热泵运行, 蒸发器从地源侧提取热量, 热回收器作为冷凝器进行生活热水的制备, 保证全年热水供应^[12]。

　　 测试的4个项目A、B、C、D生活热水一次泵选型及实测情况汇总如表2所示, 其中水泵所在位置见图1。

　　 项目A采用部分热回收配合全热回收热泵机组, 项目B、C、D采用全热回收热泵机组。对以上4个项目的设计运行策略与实际运行情况进行调研, 结果如表3所示。

　　 对测试期间的4个项目生活热水机组启停状况进行统计, 如图2所示, 项目A、D生活热水机组启停时间相对集中, 项目B、C机组启停相对频繁。实际运行中, 项目B、C均采用自控系统, 以项目C为例分析, 机组平均每隔20 min启动一次, 每次工作约4min, 当系统检测到冷凝器出口温度低于45℃时, 机组启动进行热水制备, 当温度高于50℃时, 停止工作, 从而保证全天提供45℃以上的生活热水。项目A、D采用手动操作, 机组的启停状态主要由运行人员决定, 当居民没有热水需求时, 不开启热水机组, 启动时间相对集中在上午和晚上, 属于居民用水高峰时段。测试期间, 项目A热水机组累计启动时间为4h, 项目B为4h, 项目C为5h, 项目D为6h, 平均每天热水机组启动累计时间为5h左右。

　　 经过实际测试与调研, 2015年共收集4个项目的实测数据和2个项目的机房记录数据, 如表4所示。

　　 由表1可知, A-3机组全热回收, 主要负责生活热水的制备, 同时A-1、A-2机组部分热回收, 主要负责供冷, 有时也用于生活热水的制备。根据测试结果, 选取A-2机组制备生活热水时的典型工况进行计算分析, 如表5所示。

　　 根据式 (1) 对换热量进行能量平衡校验:

　　 式中X———不平衡率;

　　 Q_e———机组制热量, kW;

　　 Q_h———机组热回收量, kW;

　　 Q₀———机组制冷量, kW;

　　 P₀———主机功率kW。

　　 不平衡率X≤15.0%时, 认为测试能量达到平衡, 上述典型工况的不平衡率为5.9%。

　　 2015年7月31日12:00测试的典型工况下A-2机组的系统EER为4.4, 用于制取生活热水的部分热回收量Q_h为144.2 kW, 部分热回收比例为16.0%。

　　 对测试期间20h内A-2机组和水泵的开启情况进行统计, 主机及对应冷冻水、冷却水水泵开启时间为3h, 生活热水循环泵开启时间为20h。对主机及水泵能耗进行统计, 结果如图3所示, 主机能耗占61.6%, 水泵能耗占38.4%, 其中生活热水循环泵功耗占12.3%。计算各水泵输配系数, 冷冻水水泵为23.1, 冷却水水泵为46.6, 生活热水循环泵为7.1。

　　 对项目A获得的长期数据进行分析, 图4是2015年5月~2016年1月A-3机组蒸发器进出口水温, 生活热水供、回水温度和热水水箱水温变化情况。供冷季中, A-3机组蒸发侧为冷冻水循环水, 进出口水温保持在10~13℃;过渡季和供暖季中, 蒸发侧为地源水循环水, 过渡季约为15℃, 供暖季约为12℃。A-3机组生活热水供水水温保持在47℃左右, 回水水温保持在43℃左右, 水箱水温保持在45℃左右。

　　 由表1可知, C-1机组用于生活热水的制备, 对机组COP进行分析计算。C-1机组启停周期约为20min, 每次启动时间约为4min, 选取单次启动的典型工况, 对蒸发器冷凝器进出口水温进行记录, 时间间隔为15s, 得到其温度变化曲线如图5所示, 4min内, 冷凝器出口水温由45.2℃升高至51.1℃。

　　 对上述4min内C-1机组加热过程进行冷热量计算分析, 计算结果如图6所示, 对启动时间内的功率、制冷量、制热量取平均, 进行不平衡率X和COP的计算, 得到不平衡率X为10.0%, 制热COP为3.2。

　　 由表1可知, D-1、D-2机组负责生活热水的制备。当热水负荷需求不大时, D-1、D-2两机组交替运行, 当热水负荷需求较大时, 同时开启D-1、D-2机组制备生活热水。测试期间共测到两个典型工况下D-1机组的制热COP, 工况1:2015年8月17日20:45, 一台主机制冷, D-1、D-2两台机组制备生活热水;工况2:2015年8月18日9:35, 一台主机制冷, D-1机组制备生活热水。计算结果如表6所示。

　　 计算发现该系统中生活热水机组D-1的效率较低, 热力完善度也很低, 说明机组效率低的原因是机组本身的问题。结合测试期间不同负荷变工况下的冷站能效进行分析, 结果如图7所示, 启动热水机组制备生活热水时, 系统能效比不制备生活热水时要低很多, 这是由于热水机组自身效率较低。

　　 对项目D获得的长期数据进行分析, 图8是D-1机组2013年6月~2014年12月制备生活热水时蒸发器、冷凝器进出口水温和热水水箱水温变化情况。在2013、2014年两个供冷季中, D-1机组蒸发侧为冷冻水循环水, 为系统提供部分冷量, 水温保持在13℃左右;在过渡季和供暖季中, 蒸发侧为污水循环水, 水温随室外温度的变化而变化, 冬季约为15℃, 夏季约为25℃;冷凝侧制备生活热水, 保持在50℃以上, 且热水水箱温度基本保持恒定, 约为54℃, 说明该系统生活热水水温满足居民使用需求。

　　 在测试的4个住宅小区项目中, 调研发现, 采用全热回收热泵机组制取生活热水的系统普遍存在着旁通混水的现象, 因其全年都有制备生活热水的需要, 所以会保证全热回收热泵机组的冷冻水管路阀门始终开启, 使得不制备生活热水时, 存在着冷机冷冻水旁通的现象。同时, 若采用多台机组制备生活热水时, 当只有一台机组工作, 其他机组因热水管路阀门始终开启, 存在生活热水旁通的现象。此类问题在测试的几个住宅小区系统中都很明显。

　　 冷冻水旁通的现象在测试的4个项目中均有出现, 以项目D为例进行分析, 如图9a所示, 当热回收机组不制备生活热水时, 前后的阀门未关闭, 导致冷冻水存在75m³/h的旁通流量, 从而将制冷机组产生的7.2℃的冷冻水提高为8.0℃。

　　 项目A中存在生活热水旁通的现象, 如图9b所示, 热水混水流量为45m³/h, 但实际测得的热回收机组热水出水流量为27 m³/h, 因部分热回收机组热水管路阀门未关闭, 存在18m³/h的旁通流量, 使得生活热水总供水温度从52.1℃下降至49.7℃。

　　 本文通过对江苏省扬州、南通两地4个住宅地源热泵集中生活热水系统实际运行情况的测试与分析, 主要得到以下结论:

　　 (1) 机组的设计开启策略为温度控制结合水箱水位控制。实际运行情况分为两类:机组开启由系统自动控制, 与设计开启策略相符, 实际运行表现为主机启停频繁, 启停周期分别为30min和20min;机组开启由运行人员手动控制, 机组启动时间集中在用水高峰时段。测试期间, 平均每天热水机组启动累计时间约为5h。

　　 (2) 测试项目机组的实际运行制热效率偏低, A-2部分热回收机组的热回收比例为16.0%, C-1机组的制热COP为3.2, D-1机组的制热COP为2.4。对A-2机组测试期间的能耗进行拆分, 生活热水循环泵功耗占12.3%, 输配系数为7.1。

　　 (3) 热回收机组制取生活热水时, 供冷季中, 蒸发侧为冷冻水循环水, 为系统提供部分冷量, 过渡季和供暖季中, 蒸发侧为地源水循环水, 水温随室外温度变化而变化;而冷凝侧制备生活热水, 水温能达到50℃左右, 四季都能满足居民使用要求。

　　 (4) 实际运行中, 采用热回收热泵机组制取生活热水的系统普遍存在冷冻水旁通和生活热水旁通现象, 项目D冷冻水旁通造成冷冻水总供水温度升高0.8℃, 项目A生活热水旁通造成生活热水总供水温度降低2.4℃。