用于提高带热水循环的中央热泵热水器系统性能的负荷分离方法

《ENERGY AND BUILDINGS》：Load separation method for Enhancing performance of central heat pump water heater system with hot water recirculation

　　李相民 | 林贤宇 | 李京在 | 乔恩·赫勒 | 斯科特·斯皮尔曼
韩国首尔建国大学研究生院建筑系

**摘要**
在多户住宅建筑中，生活热水（DHW）通常由单独的燃气锅炉供应。然而，这种方法与全球电气化趋势相悖，并且能源效率较低。作为替代方案，具有高性能系数（COP）的热泵热水器（HPWH）受到了关注。尽管如此，由于初始成本高以及家庭层面安装时热水需求不足和波动，其广泛采用受到阻碍。为了克服这些挑战，一种集成了多个单元热水需求的中央热泵热水器（CHPWH）系统提供了更实用的解决方案。然而，维持此类系统的稳定供水温度需要热水循环。当回流水重新引入储水罐时，会导致热分层破坏，从而降低系统性能。尽管这个问题很重要，但基于定量仿真的研究仍然很少。本研究提出了一种使用摆动罐在重新加热前分离回流水的策略。TRNSYS仿真表明，与传统配置相比，能耗中位数降低了约22%。包括摆动罐在内的系统COP平均提高了约14%，最低时提高了24%，HPWH的最低COP达到了3.94，比基线提高了约74%。后续的现场测量显示平均COP为2.64，证实了该方法的可行性。这些发现表明，所提出的负载分离方法有效缓解了CHPWH系统中回流水引起的性能下降问题，并为未来的CHPWH安装提供了指导。

**引言**
生活热水（DHW）约占建筑物总能源需求的15-40%；因此，减少DHW的能源使用是降低整体消耗的关键[1]。在多户住宅建筑中，由于许多家庭具有相似的居住模式和共用系统，DHW需求相对较高[2][3]，相应的节能潜力也更为显著。在韩国，多户住宅（公寓、联排别墅和多层单元）占住宅总量的约80%，在西班牙（65%）、新加坡（77%）和德国（61%）等国家这一比例也超过60%，这突显了DHW效率的重要性[4][5][6]。
全球范围内，从化石燃料能源向电力能源的转型正在迅速推进；然而，根据韩国统计信息服务局（KOSIS）的数据，燃气锅炉仍占韩国空间供暖和DHW需求的约60%[7]。同样，最近的报告显示其他国家也严重依赖天然气：英国约63%的住宅、荷兰85%、意大利68%以及美国72%的DHW需求依赖天然气[8][9][10]。这些统计数据显示，尽管有推动电气化的趋势，主要国家的DHW行业仍高度依赖燃气锅炉。
传统系统（如燃气锅炉）的最大性能系数（COP）不超过1，因此无法提供超过输入能量的热量。因此，使用热泵作为热源的热泵热水器（HPWH）系统因更高的能源效率而受到越来越多的关注。HPWH通过利用制冷剂放热或冷凝热来提供高温生活热水。其性能取决于热源，COP通常在1.8到5.0之间[11]。然而，HPWH的初始安装成本较高，在家庭层面，由于DHW需求小，会导致频繁的启停循环，从而降低运行稳定性和效率。因此，在中央工厂汇总DHW需求以实现连续运行并确保经济可行性被认为是一个更实用的替代方案。在这种配置下，CHPWH系统不仅提供热水，还提高了系统效率。
Banks等人[12]在美国太平洋西北部的低层多户住宅建筑中改造了CHPWH系统，并进行了为期一年的监测，报告平均COP为3.3，证实了其高性能。Heinz等人[13]同样证明，在采用带有过热器的CHPWH系统的多户住宅建筑中，能源使用量减少了5%。Guo和Goumba[14]表明，中央DHW系统有助于防止热泵和储水罐的过度设计；他们的仿真表明，用HPWH替换传统燃气锅炉可减少86%的温室气体排放。
以往的研究主要集中在空气源HPWH上；然而，也研究了使用不同热源的CHPWH系统。Niemel?等人[15]在现有公寓楼中提出了中央地源热泵DHW方案，其中水逐步加热至目标温度，而不是一次性加热到设定值。这种策略使季节性能系数提高了约50%，并将热泵启动频率降低了约40%，证实了性能和效率的提升。Brum等人[16]通过仿真评估了中央地源HPWH的技术经济性能，并将其与使用燃气或电锅炉的单独DHW系统进行了比较。在能源使用方面，中央地源HPWH相对于锅炉热源减少了约53%的电力消耗；从经济角度来看，由于地源HPWH的前期成本较高，传统选项表现更好，尽管随着住宅规模的扩大，中央DHW系统的效率优势逐渐显现。总体而言，这些研究表明，基于多种热源的CHPWH系统可以在多户住宅建筑中提供可靠的性能提升。
除了多户住宅建筑外，CHPWH系统的应用也有报道。Sebarchievici等人[17]在大学实验室实施了CHPWH系统，将一次能源效率提高了23.6%。Wu等人[18]将CHPWH系统应用于5,000平方米的医院，观察到COP提高了8%，电力使用量相对于现有系统减少了3%。这些案例表明，CHPWH系统可以提升各种类型建筑的能源性能，包括教育和医疗设施。
在中央DHW系统中，由于热水管道较长，热水输送到使用点存在延迟[19]。这种延迟会导致用户等待时浪费水资源并增加不满[20]。为了解决这个问题，采用了热水循环（HWR）系统[19][21]。在该系统中，热水持续循环以立即供应，未使用的回流水沿DHW回路返回热源。由于已经加热的回流水不断循环并维持整个回路的温度，等待期间浪费的水量减少了[22][23]。因此，回流水的使用已成为中央DHW系统的重要组成部分[24]。
然而，当将热水循环应用于现有的CHPWH系统时，回流水可能会进入热泵（热源设备），从而降低COP。根据ASHRAE手册[25]，热泵在较低入口温度下运行更高效。由于回流水的温度通常较高（45-50°C），这会提高入口温度并降低效率[26]。实际上，Hoeschele和Weitzel在一个学生公寓社区应用了CHPWH系统，其中回流水在热泵入口处与冷水混合[27]。因此，入口温度相对于仅使用冷水的情况有所提高，达到约37°C，系统的年平均COP为2.12。这低于该研究中报告的天然气锅炉的盈亏平衡COP 2.50，表明与燃气锅炉相比经济竞争力有限。此外，Kropp等人[28]指出，较低的回流水温度有利于HPWH的性能，但在中央DHW系统中，热水循环可能会破坏储水罐中的热分层或需要更大的换热器面积；如果不考虑这些因素，将热泵应用于中央DHW系统可能不合适。
如上所述，以往的研究主要集中在CHPWH系统的适用性和节能效果的定量评估上[12][13][14][15][16][17][18]，而考虑回流水和由分层破坏引起的性能下降的系统设计方面的基于仿真的定量研究仍然有限[27][28]。
在本研究中，我们提出了一种CHPWH系统的负载分离方法，将总DHW需求分为主要热水加热负荷和温度维持负荷，以解决回流水引起的性能下降问题。我们通过TRNSYS建模量化了其效果，并比较了使用该方法与否的系统性能。我们还在实际现场实施了该方法并进行监测，以验证仿真结果并提供实证证据。这项工作为在CHPWH系统中融入回流水而不损失性能建立了基准案例，并为高效设计和运行提供了实用指导。

**方法论**
研究的整体工作流程如图1所示。我们通过两个案例的仿真验证了负载分离方法的有效性。案例1不采用负载分离，仅由HPWH满足全部DHW需求。在案例2中，应用了负载分离方法，将总DHW需求分为主要热水加热负荷和温度维持负荷，分别由HPWH和一个作为独立储水罐及辅助热源的摆动罐处理。

**分层比较**
为了评估负载分离方法的有效性，我们对每个案例进行了仿真。分析了储水罐（ST）中的分层情况，以验证引入回流水是否会导致HPWH入口温度升高。为此，我们使用了在旁路回流水流率达到最大值时储水罐平均温度最高的节点温度，以确定储水罐内的垂直温度分布。

**结论**
本研究提出了一种CHPWH系统的负载分离方法，引入了摆动罐将总DHW需求分为主要热水加热负荷和温度维持负荷。该方法旨在解决使用热水循环时回流水引起的性能损失。该方法在TRNSYS中进行了建模，并进行了使用该方法与否的仿真比较。结果表明，当应用负载分离方法时，系统性能得到了稳定提升。

**作者贡献声明**
李相民：撰写——原始草稿、验证、软件、方法论。
林贤宇：撰写——审阅与编辑、监督、概念化。
李京在：资源、调查。
乔恩·赫勒：方法论、调查、概念化。
斯科特·斯皮尔曼：方法论、调查、概念化。

**利益冲突声明**
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

**致谢**
我们希望感谢以下组织的支持，没有他们的努力，本文无法完成：Bonneville Power Administration的E3T项目对热泵热水器研究提供了超过12年的支持；Seattle Housing Authority在高效热泵热水器系统方面处于领先地位；Seattle City Light在开发该技术的负荷转移能力方面提供了支持。我们还要感谢以下制造合作伙伴：