空氣源熱泵制冷熱回收機(jī)組的技術(shù)可行性

1、第27卷第6期2006年12月Vol. 27 No. 6Dec. 2006能源技術(shù)ENERGY TECHNOLO GY2641994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第27卷第6期2006年12月Vol. 27 No. 6Dec. 20062641994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第27卷第6期2006年12月Vol. 27 No. 6Dec.

2、 2006建筑節(jié)能與空調(diào)2641994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第27卷第6期2006年12月Vol. 27 No. 6Dec. 20062641994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第27卷第6期2006年12月Vol. 27 No. 6Dec. 2006空氣源熱泵制冷熱回收機(jī)組的技術(shù)可行性蔡龍俊，沈莉麗(同濟(jì)大學(xué),上海200092)摘

3、要：通過對(duì)一臺(tái)普通的空氣源熱泵進(jìn)行熱回收改造，利用回收的熱量加熱生活熱水。改造后的機(jī)組在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行了全年運(yùn)行工況測試，通過對(duì)機(jī)組改造前后運(yùn)行工況的分析對(duì)比，提出了帶熱回收裝置的熱泵是一種節(jié)能的空調(diào)熱水機(jī)組，并對(duì)機(jī)組在冬季的運(yùn)行過程中可能出現(xiàn)的問題作了說明。關(guān)鍵詞：冷凝熱回收；空氣源熱泵；熱回收供熱量；性能系數(shù)COP中圖分類號(hào)：TU831. 3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào)：100527439 ( 2006 ) 0620264 204The Technical Feasibility of Air - Source Heat PumpHeat Recovery Un itCAI Long2jun ,

4、SHEN Li 2li(Tongji University , Shanghai 200092 , China)Abstract : A common air - source heat pump is reconstructed with a heat - recovery device installed into it to heat up living - water with the recovered heat. The performance of the reconstructed heat pump is examined , on a yearly basis , in t

5、he following experiments presented in this paper. This paper also presents the comparison of the performance of the heat pump before and after the reconstruction , comes to the conclusion that the heat pump , equipped with a heat recovery device , is an energy - saving unit capable of both air - con

6、ditioning and living - water heating , and gives an account of the performing problem that may occur in winter.Keywords : condensing - heat recovery ; air - source heat pump ; recovered heat; coefficient of performance2641994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserv

7、ed. 第27卷第6期2006年12月Vol. 27 No. 6Dec. 20062641994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第27卷第6期2006年12月Vol. 27 No. 6Dec. 2006空調(diào)熱泵在制冷時(shí)，冷凝器會(huì)向室外環(huán)境釋放 大量冷凝熱，從而給環(huán)境造成熱污染，并使冷凝器周 圍的溫度升高、冷凝器自身的散熱受阻、冷凝溫度升 高,導(dǎo)致制冷機(jī)的制冷量下降、壓縮機(jī)耗功增大、運(yùn) 行經(jīng)濟(jì)性下降1。熱泵冷凝熱回收技術(shù)就是在制冷工況下利用冷 凝器排放的熱量直接加熱生活熱

8、水，這樣既可減少熱污染，又合理利用了能量，還可提高機(jī)組本身的運(yùn) 行性能2。在制熱工況下，降低冷凝溫度不利于熱 泵運(yùn)行，但是作為熱泵熱水機(jī)組，熱效率將高于電熱 水器。本文準(zhǔn)備采用實(shí)驗(yàn)的方法將帶有熱回收裝置 的空氣源熱泵在制冷、制熱及過渡季工況下的運(yùn)行 情況分別進(jìn)行考察和分析34。1冷凝熱回收實(shí)驗(yàn)的基本方案1. 1熱泵空調(diào)的改造常見的冷凝熱回收技術(shù)一般都采用二級(jí)冷凝的 方法，即在冷媒管路中，增加一級(jí)冷凝器，如圖1。熱 泵運(yùn)行時(shí)，壓縮機(jī)排出的高溫高壓制冷劑氣體先經(jīng) 過板式換熱器，將部分熱量傳給生活熱水，然后再進(jìn) 入冷凝器；這樣，制冷劑溫度大大降低，冷凝溫度也 相應(yīng)降低，從而提高了機(jī)組的運(yùn)行系數(shù)。另外

9、，由于冷凝器的放熱量是隨空調(diào)冷負(fù)荷變化的，而空調(diào)冷負(fù)荷和生活熱水負(fù)荷變化卻不是同步的 ，因此，通常 還需要安裝熱水貯水裝置。為了確定加裝熱泵熱回收機(jī)組的節(jié)能效果 ，本2641994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 蔡龍俊等：空氣源熱泵制冷熱回收機(jī)組的技術(shù)可行性1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 蔡龍俊等：空氣源熱泵制冷熱回收機(jī)組的技術(shù)可行性圖I

10、制衿熱回收原理文對(duì)一臺(tái)空氣源熱泵進(jìn)行了技術(shù)改造，被改造的空氣源熱泵機(jī)組的基本情況見表1和表2。在油分離器和四通換向閥之間（即壓縮機(jī)出口到冷凝器進(jìn)口 之間）尋找適當(dāng)位置截?cái)喙艿溃瑢迨綋Q熱器的冷媒 端接入截?cái)嗟某鋈肟?。將室?nèi)機(jī)與室外機(jī)分別安裝至兩個(gè)焓差試驗(yàn)室，通過在焓差室中溫度和濕度的 控制，分別模擬室內(nèi)環(huán)境和室外環(huán)境。實(shí)驗(yàn)中熱回收水流量的大小為恒定值250 kg/ h。表1空氣源熱泵機(jī)組銘牌額定輸出/ kW額定功率/ W額定電流/ A制冷 制熱 制冷 制熱 制冷 制熱17186530631017. 7617. 74后機(jī)組的制冷/熱性能系數(shù)（C0P7 COPh值）、整機(jī) 性能系數(shù)（COP值）、熱

11、回收效率和熱水制熱溫度 。（2）過渡季工況。采用開啟熱回收裝置的制冷 模式和采用開啟熱回收裝置的供熱模式，目的是考察過渡季情況下熱回收機(jī)組的制冷、供熱工況，比較 其經(jīng)濟(jì)性能。2實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析2. 1夏季制冷工況實(shí)驗(yàn)條件：室內(nèi)控制干球溫度為 27 ±1 C，相 對(duì)濕度55 % ±10 %;室外控制干球溫度 35 C; 熱回收裝置開啟時(shí)，測試過程中熱水供應(yīng)的水流 量保持不變,主要調(diào)節(jié)熱水供應(yīng)的進(jìn)水溫度。R1 -R5為5個(gè)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)，分別表示進(jìn)水溫度 2 6 C ,30 C , 34 C，40 C和45 C5種變化工況。改造后的機(jī)組未開啟熱回收裝置時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)制冷工況與改造前機(jī)組額定制冷工

12、況的對(duì)比如圖2?？谖鹤愎r實(shí)驗(yàn)杯椎制冷 工況48 6 4 O 8 61 s dl i n輸入功率W制冷儘8圖2 制冷工況下.改造前后機(jī)組性能對(duì)比丄況干球溫度濕球溫度干球溫度濕球溫度標(biāo)準(zhǔn)制冷工況35282715標(biāo)準(zhǔn)供熱工況7618過渡季工況20162016表2 空氣源熱泵標(biāo)準(zhǔn)工況/ C室外機(jī)環(huán)境室內(nèi)機(jī)環(huán)境1.2實(shí)驗(yàn)方案為了對(duì)熱回收裝置開啟與不開啟的耗能進(jìn)行全面對(duì)比，實(shí)驗(yàn)采用三個(gè)運(yùn)行工況模式（見圖1）:夏季制冷工況開啟閥門2和3 ,關(guān)閉閥門1 ,4和5;冬季制熱工況開啟閥門1 ,4和5 ,關(guān)閉閥門2和3;過渡季節(jié)分別按夏季制冷模式和冬季制熱模式 兩種情況進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。1. 3試驗(yàn)步驟（1）標(biāo)準(zhǔn)制冷/熱

13、工況。不開啟熱回收裝置，目 的是考察改造后機(jī)組原來的制冷/熱性能是否受影響;開啟熱回收裝置，目的是考察開啟熱回收裝置在供冷工況未開啟熱回收裝置時(shí)，制冷量比額定工況下降8. 22 %，輸入功率增加 5. 32 %。制冷 性能系數(shù)COP值由額定工況下的 2. 60降至2. 27， 下降了 8.85 %。主要原因是機(jī)組的整體性被破壞，板式換熱器增加了制冷壓縮機(jī)出口管路的阻力，使制冷循環(huán)效率有所降低 。啟動(dòng)熱回收裝置，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖3 -圖5。由圖3可見，熱水的溫升量隨進(jìn)水溫度的升高而下降，進(jìn)水溫度在26 C45 C范圍內(nèi)時(shí)，對(duì)應(yīng)的出水溫度為58 C64 C；由圖4可見，熱回收量隨進(jìn)水溫度的升 高而減少

14、，而制冷量幾乎不隨熱回收量變化；空調(diào)熱 泵的熱效率有所提高?？傂阅芟禂?shù)COP制冷量 +熱回收量整機(jī)輸入功率熱回收率COPc +整機(jī)輸入功率結(jié)合圖4和圖5可見，熱回收量越大，總性能系數(shù)COP值越大，本實(shí)驗(yàn)中最高可達(dá) 4.15;還可看到2651994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 蔡龍俊等：空氣源熱泵制冷熱回收機(jī)組的技術(shù)可行性1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights re

15、served. 蔡龍俊等：空氣源熱泵制冷熱回收機(jī)組的技術(shù)可行性ti熱回收培水 溫度U7-熱回收出忒 溫度t*圖6制冷工況下、熱回收效率變化圖回率水度R3R5圖3制攙工呪下*熱水供應(yīng) 進(jìn)、出水溫變化亠制禰 熱回收供 熱量6, % ，: - - : - >1圖4制傳:L況下，制常煮、熱回收妞、輔人功率變化圖R- 6 4 2 O 8 6 4 2 O 呂s'ri挨12?100額定工況602016實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn) 供熱工況® 1制熱工況下+改造前后機(jī)組性能對(duì)比1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All

16、 rights reserved. 蔡龍俊等：空氣源熱泵制冷熱回收機(jī)組的技術(shù)可行性制冷性能 系熱叩* 總性能 系ST叩制冷性能系數(shù) CO住值也隨熱回收量的增大而增 大,最高可達(dá)2. 60比未開啟熱回收裝置時(shí)的制冷性 能系數(shù)2.27提高10.13%;這是因?yàn)殡S著熱回收量 的提高冷凝熱逐漸減少，從而減輕了風(fēng)冷式冷凝器 的負(fù)擔(dān)，降低了機(jī)組的輸入功率，從而提高了機(jī)組的 制冷性能系數(shù)。定義熱回收效率n為熱回收熱量與冷凝器排熱量的比值5，熱回收效率變化如圖 6所示。由圖6可見，熱回收效率隨進(jìn)水溫度的升高而 減少。冷凝器排熱量為制冷量與壓縮機(jī)輸入功率之和，即冷凝熱量為制冷量的(1 + 1/COR)倍3。本實(shí)

17、驗(yàn)中，由計(jì)算可得熱回收量占冷凝熱的比例為25 %45 %，而且該比例隨進(jìn)水溫度的升高而降低c? 266 ?2. 2冬季供熱工況實(shí)驗(yàn)條件：室內(nèi)控制干球溫度為18 ±1 C;室外控制干球溫度 7 C；測試過程中熱水供應(yīng)的 水流量同樣保持不變，R1 - R7為7個(gè)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)，分別 表示進(jìn)水溫度 7 C,10 C,13 C,7 C ,11 C ,14 C 和8 C 7種變化工況。改造后的機(jī)組未開啟熱回收裝置時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)制熱 工況與改造前機(jī)組額定制熱工況的對(duì)比如圖 7。在供熱工況下未開啟熱回收裝置時(shí) ，制熱量比 額定工況下降了 11.5%，輸入功率下降了 4. 36 % , 供熱性能系數(shù) CO Ph由

18、2. 85下降至2. 64 ,降低了 7. 37 %。其原因分析與夏季供冷工況一致。由于試驗(yàn)采用的機(jī)組供熱量較低,當(dāng)開啟熱回收裝置后導(dǎo)致機(jī)組的熱負(fù)荷就會(huì)過大，造室外機(jī)結(jié)霜。結(jié)霜后的室外機(jī)很快進(jìn)入除霜狀態(tài)，同時(shí)室內(nèi)機(jī)停機(jī)，供熱系統(tǒng)停止運(yùn)行；除霜結(jié)束后室內(nèi)機(jī)再次 開啟，但很快又進(jìn)入結(jié)霜-除霜-停機(jī)-開機(jī)-結(jié) 霜的循環(huán)。說明此空氣源熱泵進(jìn)行改造后，無法在供熱狀態(tài)下同時(shí)進(jìn)行空調(diào)供熱與生活熱水供熱。室內(nèi)機(jī)停機(jī)后，空氣源熱泵熱回收裝置的運(yùn)行 情況如下圖8-圖10 所示。(此時(shí)的COP值是熱 回收供熱量與輸入功率的比值)。由圖表可見，前3次熱回收的狀態(tài)是相對(duì)穩(wěn)定 的，此3點(diǎn)為機(jī)組在穩(wěn)態(tài)結(jié)霜情況下的工作點(diǎn)，其

19、余1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 蔡龍俊等：空氣源熱泵制冷熱回收機(jī)組的技術(shù)可行性1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 蔡龍俊等：空氣源熱泵制冷熱回收機(jī)組的技術(shù)可行性2671994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 蔡

20、龍俊等：空氣源熱泵制冷熱回收機(jī)組的技術(shù)可行性熱回收琲忒熱網(wǎng)收出水 溫度t.641086斗n過渡季制 席冷熱回收過渡季供 熱熱回收輸入功率 制冷f熱蜃 熱回收供熱鈕 W7W QJQh)/W Qr/W圖11過就季冷、熱星、輸人功率變化圖團(tuán)8制熱工況下，熱水供應(yīng)進(jìn)、出水溫度變化用14n0g 6 4 2 0熱回收性能系數(shù)6 5 4 3 2 I總性隧累數(shù)過渡手制 冷熱回收過渡季供 熱劉回收R圖9制熱工況V熱回收址與輸入功率變化圖10制鶴工況下懇性能系數(shù)變化圉為非穩(wěn)態(tài)結(jié)霜狀態(tài)。2.3過渡期非空調(diào)工況過渡季工況實(shí)驗(yàn)條件：室內(nèi)控制干球溫度為20 ±1 C ,室內(nèi)相對(duì)濕度相對(duì)濕度65 % ±

21、10 %;室外控制干球溫度20 C。在過渡期用戶一般不需要 制冷或供熱空調(diào)，但卻需熱水供應(yīng)，空氣源熱泵熱回 收機(jī)組可以作為一臺(tái)熱水機(jī)組使用，附帶產(chǎn)生的冷量 和熱量，可配置散熱裝置排至室外。 定義熱回收量與 機(jī)組輸入功率的比值為熱回收能效比CO Pr。圖11和圖12是過渡季節(jié)熱泵采用制冷工況生 產(chǎn)熱水和采用供熱工況生產(chǎn)熱水的性能比較 。由于 這兩種工況都會(huì)同時(shí)產(chǎn)生附加冷量和熱量，當(dāng)無法將冷量和熱量消耗的時(shí)候，可以考慮采用COP值較高的制冷模式來實(shí)現(xiàn)過渡季的生活熱水供應(yīng)。圖空過渡季熱回收性能系數(shù)總性能系數(shù)3總結(jié)(1) 空氣源熱泵制冷熱回收機(jī)組是一種節(jié)能的 空調(diào)與熱水機(jī)組，通過熱回收裝置可以獲得生活熱 水而不消耗更多的電能，其整機(jī)性能系數(shù)遠(yuǎn)高于普 通空氣源熱泵機(jī)組。(2) 改造型的空氣源熱泵制冷回收機(jī)組的整體性受到影響，不開啟熱回收裝置時(shí)的COP值比原機(jī)組下降。(3)