提高空氣源熱泵熱水器低溫環(huán)境性能理論分析

1、0引言熱泵熱水器產品在中國推出以來,已有一段時間,并被一部分消費者所認識。普通的空氣源熱泵熱水系統(tǒng)已經在我國華南及西南等地區(qū)得到較好的應用。尤其是在一些商業(yè)應用領域,出現(xiàn)了很多相關工程。但是,在北方寒冷地區(qū),或者是冬季空氣濕度比較大的濕冷地區(qū),如長江中下游地區(qū),隨著冬季氣溫的下降,蒸發(fā)溫度隨之下降,而熱水器則必須要求制取較高溫度的生活熱水,這就產生諸多問題,以致影響到熱泵熱水機組的運行性能,因而對于機組低溫環(huán)境下的運行性能研究相當重要,提出相應的解決方案也是保證機組在長江以北地區(qū)應用的重要前提。1空氣源熱泵熱水器低溫環(huán)境運行問題1.1吸氣比容增大機組在低溫環(huán)境下運行時,系統(tǒng)蒸發(fā)溫度降低,壓縮機

2、的吸氣比容增大,而壓縮機的理論輸氣量卻是不變的,這樣進入壓縮機制冷劑的體積流量減少,相應的單位制冷劑制熱量減少,系統(tǒng)制熱性能系數(shù)下降,經濟性降低。1.2輸氣系數(shù)降低由于冷凝溫度與所要制取的生活熱水溫度有關,與夏季相比,為了取得同樣溫度的熱水,冷凝溫度及冷凝壓力幾乎不變,而系統(tǒng)蒸發(fā)溫度降低,此時壓縮機壓比增大,導致輸氣系數(shù)下降,壓縮機制冷劑的循環(huán)流量減少,壓縮機的耗功增大,制熱量降低,性能系數(shù)降低。提高空氣源熱泵熱水器低溫環(huán)境性能理論分析南京師范大學動力工程學院孟登居*黃虎南京新江南冷暖設備安裝工程公司陸春林南京工業(yè)大學機械與動力工程學院董振宇摘要空氣源熱泵熱水器的低溫適應性是保證機組整體性能的

3、重要前提。本文分析了機組在低溫工況下的常見問題,簡述了國內外對機組低溫工況所作的研究。并以補氣增焓法為例,指出這種方法能夠有效地提高系統(tǒng)低溫工況下的制熱量,防止壓縮機排氣溫度過高,保證機組低溫工況的運行穩(wěn)定性。關鍵詞空氣源熱泵熱水器低溫工況補氣增焓法理論分析Theory Analysis on Improving Performance of Air Source Heat Pump Water Heater at Low TemperatureBy Meng Dengju*,Huang hu,Lu Chunlin and Dong ZhenyuAbstract The adaptabilit

4、y of air source heat pump water at low temperature is a key factor ensuring the quality of unit.This paper analyzes the ordinary problems of unit and briefly presents researches on heat pump water heater at low temperature.Vapor-injected method can effectively improve heat capacity,prevent higher di

5、scharge temperature of compressor and guarantee operating stability of unit at low temperature.Key words Air source heat pump water heater,Low temperature working condition,Vapor-injected method,Theory analysis !School of Power Engineering,Nanjing Normal UniversityNanjing Xin Jiang Nan Equipment Ins

6、tallation Engineering CoSchool of Mechanical and Power Engineering,Nanjing University of Technology*孟登居,1983年10月生,大學本科地址:江蘇省南京市板倉街78號南京師范大學紫金校區(qū)動院研究生班 1.3排氣溫度過高當環(huán)境溫度降至0以下甚至更低溫度時,蒸發(fā)溫度過低,為生產較高溫度熱水,壓縮機高低壓差繼續(xù)增大,這必然引起排氣溫度過高,甚至超出壓縮機本身允許的工作溫度范圍,導致壓縮機頻繁起停,系統(tǒng)無法正常工作,嚴重時會燒毀電動機。1.4產熱量與用熱量的矛盾由于環(huán)境空氣溫度隨地區(qū)和季節(jié)不同變化較大,

7、而我國幅員遼闊,氣候特征多異,空氣源熱泵熱水器的制熱量和制熱效率,隨著環(huán)境溫度的降低而不斷降低,冬季用戶仍然需要較高溫度的熱水,而這時候的產熱量卻遠遠不及春夏季,造成了產熱量與用熱量之間的矛盾。這樣對于熱泵熱水器來說,選型過大則造成初投資太大,選型過小則難以滿足低溫環(huán)境下熱水供應要求。2熱泵熱水系統(tǒng)低溫適應性研究現(xiàn)狀針對上述提到的空氣源熱泵熱水系統(tǒng)在應用中出現(xiàn)的問題,科研人員對此進行了諸多研究,以解決空氣源熱泵在低溫工況下的運行穩(wěn)定性問題,提高機組的工作性能。主要的工作包括以下幾個方面:2.1提高風側換熱器空氣流量汪厚泰1提出在室外換熱器風機中采用變速風機,對室外風機設置兩檔轉速,在低溫工況下

8、使用高速檔,在正常工況下使用低速檔。當環(huán)境溫度較低的時候,風機高速運轉,提高空氣流速,增大蒸發(fā)器換熱量,可以提高蒸發(fā)溫度和蒸發(fā)壓力,從而提高壓縮機的功率,增加制熱量。但是這種方法也只能在環(huán)境溫度不是特別低的時候使用,系統(tǒng)制熱量變化并不大。2.2輔助加熱裝置在工程應用中,通常采用輔助熱源的方法來改善熱泵熱水系統(tǒng)在低溫工況下仍需要達到較高溫度的供熱要求。通常情況下,熱泵熱水系統(tǒng)都是直接采用電加熱方式進行輔助加熱,將沒有達到所需溫度的熱水繼續(xù)進行加熱。也有一些系統(tǒng)采用燃油和燃煤鍋爐作輔助熱源,不過輔助熱源需要2套加熱裝置,增加了系統(tǒng)的復雜程度,投資加大,而且直接用電輔助加熱方式的能源利用率低,不符合

9、目前的節(jié)能要求。2.3采用新型工質李曉燕2等對混合工質R417A進行了灌注式替代R22的循環(huán)性能對比試驗研究。實驗結果表明,當冷凝溫度為50固定不變時,當蒸發(fā)溫度變化到-5時,R417A系統(tǒng)的壓縮機排氣溫度比R22系統(tǒng)低12.3%,壓縮機消耗功率比R22低10.58%。排氣溫度低對潤滑油的粘度影響降低,可以防止?jié)櫥头纸庾冑|,改善系統(tǒng)的工作條件,提高壓縮機的使用壽命。2.4雙級壓縮系統(tǒng)田長青3等提出在熱泵熱水系統(tǒng)中的低壓級采用變頻壓縮機雙級熱泵熱水機組。系統(tǒng)在蒸發(fā)溫度為-25/冷凝溫度為50時,制熱性能系數(shù)高于2.0,高壓級壓縮機排氣溫度不會超過120。但是變頻系統(tǒng)的制熱量調節(jié)范圍有限,并且隨

10、著壓縮機頻率的變化,在其偏離最優(yōu)效率的情況下,制熱效率下降很快,且要配備2臺壓縮機,增加了系統(tǒng)的復雜性。2.5復疊式循環(huán)系統(tǒng)馬最良4、余銀平5等提出了雙級耦合熱泵,采用了通常的復疊式循環(huán)系統(tǒng)?？諝?水熱泵從大氣中吸取熱量,提供10 20的水,以此作為水源熱泵的低位中溫熱源,水-水熱泵再從1020的水中吸取熱量,來制取所需的高溫水。但是系統(tǒng)較為復雜,投資成本高。M Hulte n和T Be rnts s on6發(fā)明了吸收式-壓縮式耦合熱泵,該系統(tǒng)把供熱廢熱作為吸收式熱泵的熱源,制取溫度高于環(huán)境溫度的空氣,高溫端壓縮式熱泵以制取的空氣為熱源,來制取合適溫度的熱水。該系統(tǒng)在低溫工況下具有較高的制熱系

11、數(shù),但是系統(tǒng)比較復雜,而且必須要有合適的廢熱源,應用受到限制。王林7等提出了一種在低溫環(huán)境下能擴大制熱能力空氣源熱泵裝置,該系統(tǒng)由高溫環(huán)路和低溫環(huán)路組成。按復疊循環(huán)運行時冷凝溫度高的環(huán)路定義為高溫環(huán)路,冷凝溫度低的定義為低溫環(huán)路。該系統(tǒng)既可按傳統(tǒng)單級空氣源熱泵方式運行,又可按復疊循環(huán)方式運行。在制熱模式下,當室外氣溫相對較高時,僅僅通過高溫環(huán)路就能提供用戶所需熱負荷,隨著環(huán)境溫度繼續(xù)降低,系統(tǒng)由單級循環(huán)轉向復疊循環(huán)運行。通過在低溫環(huán)境下對兩種空氣源熱泵循環(huán)特性進行模擬比較,結果表明,在環(huán)境溫度很低條件下,按復疊式方式運行該熱泵仍可獲得較大制熱量和較高COP值,并具有較小壓縮比和較低壓縮機排氣溫

12、度。3補氣增焓熱泵熱水器系統(tǒng)隨著壓縮機制造技術的飛速發(fā)展,壓縮機廠家推出了一種中間補氣的渦旋壓縮機。補氣增焓渦旋壓縮機加經濟器系統(tǒng)可以在低溫環(huán)境下正常使用,其系統(tǒng)流程見圖1,從冷凝器出來的液體分為2路:主路為制冷回路,輔路為補氣回路。主路的制冷劑液體直接進入經濟器;輔路的制冷劑液體經膨脹閥B節(jié)流降壓后也進入經濟器。這兩部分制冷劑在經濟器中產生熱交換后,輔路的制冷劑變?yōu)闅怏w后被壓縮機的輔助進氣口吸入,主路的制冷劑變?yōu)檫^冷液體經膨脹閥A降壓后進入蒸發(fā)器,在蒸發(fā)器中汽化后被壓縮機吸氣口吸入。主路和輔路的制冷劑在壓縮機工作腔內混合,再進一步壓縮后排出壓縮機外,進入冷凝器,從而構成了封閉的工作循環(huán)。采用

13、補氣增焓渦旋壓縮機加經濟器系統(tǒng)不僅使系統(tǒng)較兩級壓縮系統(tǒng)有所簡化而且可以明顯改善熱泵熱水器的低溫性能,降低壓縮機的排氣溫度。4補氣增焓系統(tǒng)低溫性能理論分析圖2、圖3分別為普通單級壓縮熱泵熱水器系統(tǒng)壓焓圖和采用補氣增焓壓縮機加經濟器熱泵熱水器系統(tǒng)壓焓圖。從圖3可以看出通過采用補氣增焓壓縮機加經濟器系統(tǒng)后,機組排氣溫度從原來的3點減小到3點,而且通過經濟器利用冷凝器輔助之路節(jié)流之后的制冷劑將主支路中的制冷劑進一步冷卻,增大了膨脹閥前制冷劑的過冷度,膨脹閥前制冷劑溫度從4點進一步過冷到5點,這樣提高了系統(tǒng)的中蒸發(fā)器的換熱量,從而也提高了熱泵熱水器的制熱量。對于中間補氣系統(tǒng),中間壓力的確定相當重要,馬國

14、遠8等通過實驗提出當相對中間壓力(即中間壓力與吸、排氣壓力的幾何平均值之間的比值為1.11.3時,制熱量接近最大,中間壓力再繼續(xù)升高,制熱量增加十分緩慢。由于中間補氣時間很短,壓縮腔壓力和補氣前后制冷劑的循環(huán)流量將瞬間變化,因此中間補氣過程可近似認為是絕熱過程,則圖3中2點位置處焓值為h2'=(G a-G bh6+G b h2/G a式中:G a補氣后制冷劑質量流量,kg/s;G b補氣前制冷劑質量流量,kg/s。壓縮機理論耗功W=G a(h3-h2'+G b(h2-h1系統(tǒng)制熱量Q=G a(h3-h4如圖3,使用經濟器后,主支路中的制冷劑與輔助支路中的制冷劑在經濟器中完成熱交

15、換,使得主支路中的制冷劑從4點壓縮機蒸發(fā)器冷凝器膨脹閥A經濟器膨脹閥B圖1補氣增焓壓縮機+經濟器系統(tǒng)流程圖圖2普通單級壓縮熱泵熱水器壓焓圖lgPPch3213PelgPh5544332261PcPmPe圖3采用補氣增焓壓縮機+經濟器熱泵熱水器壓焓圖進一步過冷到5點。5點位置處焓值為:h5=(G a-G b(h6-h4'/G b通過使主支路進一步過冷,增加了蒸發(fā)器中的熱交換量,從而提高了系統(tǒng)的性能系數(shù),系統(tǒng)的能效比可以由下面公式求得: EER=Q/W而根據(jù)圖2,不帶經濟器的渦旋壓縮機工作過程參數(shù)的理論計算公式如下:壓縮機理論耗功:W'=G a(h2-h1系統(tǒng)制熱量:Q'=

16、G a(h2-h3系統(tǒng)制熱效率:EER'=Q/W=h2-h3 h2-h1現(xiàn)對補氣增焓系統(tǒng)與普通熱泵熱水系統(tǒng)進行理論對比計算。以R22制冷劑為例,冷凝溫度固定為56,理論計算出了2種循環(huán)系統(tǒng)在不同蒸發(fā)溫度下運行特性參數(shù),包括系統(tǒng)的容積制熱量、能效比、排氣溫度、吸氣比容等(見表1。從計算結果可以看出在環(huán)境溫度不是很低如蒸發(fā)溫度為-5時,采用補氣增焓的方法對系統(tǒng)排氣溫度的改善作用并不明顯,從表1可以看出排氣溫度只降低了2左右,由于壓縮機在補氣后的吸氣比容有明顯減小,提高了壓縮機中制冷劑的理論循環(huán)流量,系統(tǒng)容積制熱量有了很大提高,提升了系統(tǒng)的制熱效率;當蒸發(fā)溫度低至-30時,采用補氣增焓的方法大大改善了系統(tǒng)的排氣溫度,從表1可以看出使用補氣增焓方法后系統(tǒng)排氣溫度較普通系統(tǒng)降低了28,從而大大增強了機組在低溫工況下的運行穩(wěn)定性,同樣也增加了系統(tǒng)的容積制熱量,提高了系統(tǒng)低溫工況下的能效比。4結語提高空氣源熱泵熱水器低溫環(huán)境下的制熱能力,已成為近年來國內外研究人員非常重視的研究課題。經過理論分析,采用補氣增焓法可以很好地解決低溫環(huán)境下運行穩(wěn)定性和熱泵制熱能力問題,從而擴大熱泵熱水產品的使用區(qū)域,以提高產品的市場競爭力,滿足人們的廣泛需求。(責編:羅增潤參考文獻6Hulten M,Berntsson T.The compression/absorption heat pump