空氣源熱回收型熱泵機(jī)組 冬季運(yùn)行特性

空氣源熱回收型熱泵機(jī)組冬季運(yùn)行特性研究摘要：本文是對空氣源熱回收型熱泵機(jī)組研究工作的總結(jié)，介紹了這種空氣源熱回收型熱泵機(jī)組的工作原理，分析了該類型機(jī)組的冬季運(yùn)行特性，針對在制熱工況下需要考慮的主要問題，提出了解決方案，并根據(jù)此類熱泵系統(tǒng)的特點(diǎn)結(jié)合實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果提出了合理的機(jī)組運(yùn)行模式。關(guān)鍵詞：熱泵，熱回收，系統(tǒng)特性，冬季運(yùn)行模式1. 前言常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)需要消耗電能而同時(shí)又將大量的冷凝熱量排放到大氣中，造成了大氣的熱污染，加劇了城市熱島效應(yīng)；對于需要生活熱水的場所，熱水的制備需要消耗一次能源。如何將這兩者很好地結(jié)合，既可減少冷凝熱的排放，又能減小生活用熱水生產(chǎn)過程的能源消耗；人們開始著力于研究利用熱回收技術(shù)，將原本排放的冷凝熱進(jìn)行回收以制備衛(wèi)生熱水，并應(yīng)用于工程實(shí)踐，取得了良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益[1]-[3]。國外對于大型空調(diào)制冷機(jī)冷凝熱回收的研究己經(jīng)比較完善，發(fā)達(dá)國家目前已有相關(guān)產(chǎn)品的應(yīng)用。新加坡南洋理工大學(xué)對于小型家用空調(diào)冷凝熱的回收技術(shù)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究[4]。中國科技大學(xué)提出空調(diào)-熱水器一體機(jī)，可實(shí)現(xiàn)單獨(dú)制熱水模式、制冷兼熱水模式、供暖模式等三種運(yùn)行模式[5]。哈爾濱工業(yè)大學(xué)對帶熱水供應(yīng)的節(jié)能型空調(diào)器開展了實(shí)驗(yàn)研究[6]。目前國內(nèi)的研究主要集中于家用小型空調(diào)機(jī)組的改造，對于大型機(jī)組的冷凝熱回收往往多涉及冷水機(jī)組的改造，對大型空氣源熱泵機(jī)組冷凝熱回收技術(shù)的研究，尤其是實(shí)驗(yàn)研究很少[5]-[7]。本文借鑒國內(nèi)對于小型家用多功能熱泵空調(diào)熱水器理論和實(shí)驗(yàn)研究的成果，對大型熱回收型空氣源熱泵機(jī)組系統(tǒng)原理、運(yùn)行模式進(jìn)行研究，并對開發(fā)的樣機(jī)進(jìn)行了性能特性的實(shí)驗(yàn)研究。2. 系統(tǒng)原理及運(yùn)行模式本文在綜合熱泵技術(shù)和冷凝熱回收技術(shù)的基礎(chǔ)上[8]-[10]，對常規(guī)空調(diào)用空氣源熱泵機(jī)組加以改進(jìn)，采用風(fēng)冷+水冷的復(fù)合冷凝技術(shù)，取代傳統(tǒng)空氣源熱泵單一風(fēng)冷的冷凝方式，使其同時(shí)具有空調(diào)熱泵和熱泵熱水器的功能，并通過合理的匹配，使空調(diào)和熱水器功能協(xié)調(diào)運(yùn)行，得到集空調(diào)和熱水器于一體的多功能熱泵系統(tǒng)。原理見圖1。圖1熱回收型熱泵機(jī)組原理圖此類熱回收型熱泵機(jī)組循環(huán)過程可以在壓焓圖上表示，見圖2。圖2熱回收型熱泵系統(tǒng)理論循環(huán)熱力圖對于理論循環(huán)，離開蒸發(fā)器的制冷劑蒸氣是處于蒸發(fā)壓力下的飽和蒸氣；離開冷凝盤管的液體是處于冷凝壓力下的飽和液體；壓縮機(jī)的壓縮過程是等熵壓縮；制冷劑通過膨脹閥，其前后焓值相等；制冷劑在蒸發(fā)和冷凝過程中壓力不變，在各設(shè)備連接管道中，制冷劑不發(fā)生狀態(tài)變化；制冷劑的冷凝溫度等于環(huán)境溫度，蒸發(fā)溫度等于作為載冷劑的空調(diào)水的溫度。此類熱泵機(jī)組具有多功能和全年運(yùn)行的特點(diǎn)，通過控制元件的切換可以實(shí)現(xiàn)三種運(yùn)行模式：夏季空調(diào)制冷兼制生活熱水運(yùn)行模式；冬季空調(diào)供熱兼制備生活熱水運(yùn)行模式；過渡季節(jié)空調(diào)制冷（或供熱）兼制備生活熱水運(yùn)行模式。本文主要研究熱回收熱泵在冬季空調(diào)供熱兼制備生活熱水運(yùn)行模式。3. 熱回收型熱泵在冬季空調(diào)供熱兼制備生活熱水運(yùn)行模式冬季，該熱泵系統(tǒng)既要滿足空調(diào)制熱，同時(shí)通過板式熱交換器制備生活熱水。機(jī)組中的四通換向閥為制熱狀態(tài)，空調(diào)制熱兼制生活熱水模式運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)運(yùn)行原理見圖3，制冷劑流向如圖3中箭頭所示。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，低壓工質(zhì)蒸氣經(jīng)過壓縮機(jī)增壓后，成為高壓高溫氣體，首先進(jìn)入板式熱交換器，其中冷凝散熱，同時(shí)加熱生活熱水。隨后進(jìn)入殼管式冷凝器（夏季運(yùn)行時(shí)為蒸發(fā)器），進(jìn)一步吸收冷凝熱，加熱空調(diào)熱水。隨后經(jīng)過膨脹閥，進(jìn)入室外蒸發(fā)器（夏季運(yùn)行時(shí)為冷凝器），從環(huán)境大氣中吸收熱量，蒸發(fā)為低壓氣體，然后再進(jìn)入壓縮機(jī)，完成循環(huán)。圖3熱回收型熱泵機(jī)組冬季運(yùn)行原理圖由于加熱空調(diào)熱水的冷凝器串聯(lián)于板式熱交換器之后，所以板式熱交換器消耗部分冷凝熱用于加熱熱水，實(shí)際上是以犧牲室內(nèi)供暖熱量為代價(jià)來換取生活熱水的加熱需求。在冬季室外環(huán)境溫度較低時(shí)，室內(nèi)的熱負(fù)荷較大，將會(huì)造成系統(tǒng)空調(diào)供暖量不足，從而影響室內(nèi)的供暖效果。為確保采暖效果，首先應(yīng)保證冷凝溫度高于空調(diào)采暖用熱水的設(shè)計(jì)溫度（45℃）。因此必須控制生活熱水制備過程中對于冷凝熱的吸收量，以及生活熱水的進(jìn)水溫度。由理論熱力循環(huán)圖4可知，冷凝熱量由兩部分熱量組成：過熱區(qū)熱量和兩相區(qū)熱量。圖4冷凝溫度變化熱力循環(huán)性能分析圖當(dāng)冷凝溫度從tk增加到tk’時(shí)，總冷凝熱從h2-h3變成h2’-h3’。其中兩相區(qū)熱量h5’-h3’與h5-h3相比明顯減少，而過熱區(qū)熱量h2’-h5’與h2-h5相比增加了。這主要是由于過熱區(qū)進(jìn)行的是顯熱交換，受溫差影響很大。隨著冷凝溫度的升高，壓縮機(jī)的排氣溫度急劇上升，過熱區(qū)制冷劑的進(jìn)出口溫差增加，使得過熱區(qū)熱量相應(yīng)增加。以R22為例，計(jì)算蒸發(fā)溫度為0℃時(shí)，冷凝溫度分別為50℃、55℃、60℃的情況下的冷凝熱量，計(jì)算結(jié)果見表1。表1不同冷凝溫度下冷凝熱量變化冷凝溫度（℃℃）50.055.060.0總冷凝熱（kkW）60.358.957.6過熱區(qū)冷凝熱熱（kW）15.918.020.3兩相區(qū)冷凝熱熱（kW）44.440.937.3注：蒸發(fā)溫度0℃冬季工況下，空調(diào)采暖和生活熱水的制備都是對冷凝熱的利用。由于生活熱水加熱吸收了部分冷凝熱，所以空調(diào)側(cè)的采暖供熱量勢必有所損失。特別是當(dāng)生活熱水溫度低于空調(diào)采暖用水設(shè)計(jì)溫度（45℃）時(shí)，可能導(dǎo)致機(jī)組冷凝溫度降低，從而引起空調(diào)采暖用水溫度降低，無法達(dá)到空調(diào)設(shè)計(jì)溫度。因此為了保證空調(diào)采暖要求，生活熱水的進(jìn)水溫度不應(yīng)低于空調(diào)采暖用水的設(shè)計(jì)溫度。此時(shí)在不改變機(jī)組冷凝溫度（一般由空調(diào)采暖供水溫度確定）的情況下，用于加熱生活熱水的板式熱交換器只能吸收過熱區(qū)冷凝熱，同時(shí)空調(diào)采暖用換熱器吸收兩相區(qū)冷凝熱。根據(jù)表2的計(jì)算結(jié)果，隨著冷凝溫度的變化，可知在冬季工況下，空調(diào)側(cè)供熱量與生活熱水側(cè)熱量的比值，詳見表2。表2空調(diào)側(cè)供熱量與生活熱水側(cè)得熱量比值冷凝溫度（℃℃）50.055.060.0空調(diào)采暖熱量量/生活熱水水熱量2.792.271.84由于上面的分析可知，此時(shí)生活熱水只限于獲得過熱區(qū)冷凝熱。由于過熱區(qū)冷凝熱熱量較小，在無法滿足生活熱水熱量需求的情況下，必須設(shè)置輔助加熱設(shè)備。4.熱回收熱泵在冬季空調(diào)供熱兼制備生活熱水運(yùn)行模式的控制策略在冬季工況下，機(jī)組需要同時(shí)滿足提供空調(diào)供熱所需熱水，以及制備生活熱水的需求。由于板式熱交換器吸收了部分冷凝熱，勢必影響空調(diào)供熱量。如果生活熱水進(jìn)水溫度設(shè)置過低，有可能造成空調(diào)側(cè)供水溫度無法達(dá)到供熱要求。因此冬季生活熱水的加熱起始溫度的設(shè)置應(yīng)該以滿足冬季供暖的熱水溫度要求控制為準(zhǔn)來確定。當(dāng)儲(chǔ)水箱溫度低于該設(shè)置溫度時(shí)，開啟機(jī)組與儲(chǔ)熱水箱之間的循環(huán)水泵對生活熱水進(jìn)行加熱。5.熱回收熱泵在冬季空調(diào)供熱兼制備生活熱水運(yùn)行模式性能試驗(yàn)研究本文利用某試驗(yàn)裝置，對圖3所示的熱回收型空氣源熱泵實(shí)驗(yàn)機(jī)組在不同運(yùn)行模式下的運(yùn)行性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。圖5 實(shí)驗(yàn)機(jī)組系統(tǒng)原理圖由圖5可以看出，實(shí)驗(yàn)用機(jī)組由兩個(gè)熱回收型空氣源熱泵系統(tǒng)并聯(lián)組成。其主要參數(shù)見表3。表3實(shí)驗(yàn)機(jī)組銘牌壓縮機(jī)螺桿壓縮機(jī)制冷劑R22額定制冷量（kW）400額定制熱量（kW）450額定功率（kkW）120本文實(shí)驗(yàn)研究的測試方法參照GB/T10870-2001《容積式和離心式冷水（熱泵）機(jī)組性能實(shí)驗(yàn)方法》中的相關(guān)規(guī)定。室外參數(shù)采用空氣源熱泵測試標(biāo)準(zhǔn)工況，空調(diào)側(cè)制冷量及制熱量通過載冷劑熱平衡法實(shí)現(xiàn)。生活熱水由循環(huán)水泵驅(qū)動(dòng)，在板式熱交換器和儲(chǔ)水箱之間流動(dòng)，被循環(huán)加熱，實(shí)驗(yàn)沒有考慮在實(shí)際使用時(shí)，生活熱水加熱過程中可能存在的熱水被使用和消耗情況（儲(chǔ)熱水箱容量10m3）。5.1 基本概念由于熱回收型熱泵機(jī)組的功能與普通熱泵系統(tǒng)有所不同，因此本文對機(jī)組的性能系數(shù)進(jìn)行以下定義，以便分析所用。①空調(diào)性能系數(shù)COPa②生活熱水性能系數(shù)COPw③綜合性能系數(shù)COPa+w5.2制熱兼制生活熱水運(yùn)行模式（1）環(huán)境空氣溫度7℃（冬季）圖6冬季工況機(jī)組性能曲線圖7 冬季工況機(jī)組供熱量及生活熱水熱量隨水溫變化由于生活熱水和空調(diào)熱水均需要進(jìn)行加熱，因此生活熱水的加熱情況將直接影響到空調(diào)的供熱量。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出：在冬季工況下，機(jī)組的制熱性能系數(shù)隨生活熱水進(jìn)水溫度的升高而逐漸增大，這主要是由于隨著生活熱水溫度的升高，板式熱交換器吸收的冷凝熱逐漸減少，而殼管式換熱器吸收的冷凝熱逐漸增加，即空調(diào)側(cè)的得熱量逐漸增加。COPa變化范圍為1.74～1.97，平均值為1.89。生活熱水制熱效率在冬季是比較低的，平均僅為0.5，尤其是當(dāng)熱水溫度達(dá)到50℃以后，熱水性能系數(shù)只有0.2。這也說明利用該機(jī)組在冬季環(huán)境溫度較低情況下（低于7℃時(shí)），在滿足空調(diào)供熱需求的前提下，制備生活熱水的溫度要超過55℃將有一定的困難。機(jī)組綜合性能系數(shù)隨生活熱水進(jìn)水溫度的增加而逐漸減少，變化范圍為2.78～2.10。平均值達(dá)到2.38。當(dāng)生活熱水溫度從41.2℃加熱到53℃的過程中，生活熱水側(cè)得熱量占總冷凝熱的比例為37%-6%，平均值為19%，這主要是因?yàn)樯顭崴疁囟雀哂跈C(jī)組冷凝溫度的情況下，生活熱水側(cè)吸收的熱量僅為過熱區(qū)冷凝熱。圖8冬季工況空調(diào)水溫變化曲線通過對空調(diào)供回水溫度的研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)生活熱水進(jìn)水溫度較低時(shí)，空調(diào)供回水溫度較低。隨著生活熱水進(jìn)水溫度的升高，空調(diào)供回水溫度升高。這主要是由于生活熱水溫度較低時(shí)，板式熱交換器吸收冷凝熱超出機(jī)組設(shè)計(jì)冷凝溫度（一般為50℃）時(shí)過熱區(qū)的冷凝熱量，導(dǎo)致系統(tǒng)冷凝溫度降低，而冷凝溫度的降低（低于50℃）無法保證空調(diào)側(cè)的加熱要求，使得空調(diào)側(cè)水溫低于規(guī)定值（45℃）。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知當(dāng)生活熱水進(jìn)水溫度低于45℃時(shí)，空調(diào)側(cè)出水溫度低于44℃，將影響供暖效果。因此冬季運(yùn)行時(shí)，生活熱水的加熱設(shè)定溫度不應(yīng)低于45℃，即當(dāng)