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空氣源熱泵機組一

09-03 12:40:12  瀏覽次數:896次  欄目:暖通空調
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  摘要:本文介紹了空氣源熱泵機組的種類和發展;分析了空氣源熱泵機組在全負荷和部分負荷下的性能系數;對冬季和夏季的能耗問題進行了討論;通過與水冷式冷水機組系統的比較,分析了空氣源熱泵系統的特點;并且借鑒了一些國外的空氣源熱泵技術,對空氣源熱泵機組的應用與展望進行了探討。

  關鍵詞:空氣源熱泵 熱泵系統 性能系數

  1.1 緒論

  1.1.1 專題背景

  隨著改革開放和大規模的基本建設的發展、人們對于生活環境的要求越來越高,空調系統作為室內空氣參數的主要調節裝置也就相應的越來越普及。人們對空調的要求也從原1來的夏季制冷發展到冬暖夏涼,發展到對空氣品質的進一步要求。而且在能源緊缺、強調可持續發展的今天,在某些大城市和特殊地區,出于環保的考慮限制使用鍋爐供暖,于是電動熱泵技術成了人們的首選。其中又以空氣源熱泵冷熱水機組較為常見。

  1.1.2 空氣源熱泵機組的特點

  空氣源熱泵冷熱水機組是由制冷壓縮機、空氣/制冷劑換熱器、水/制冷劑換熱器、節流機構、四通換向閥等設備與附件及控制系統等組成的可制備冷、熱水的設備。按機組的容量大小分,又分為別墅式小型機組(制冷量10.6~52.8Kw),中、大型機組(制冷量70.3~1406.8kW)。其主要優點如下:

  (1)用空氣作為低位熱源,取之不盡,用之不竭,到處都有,可以無償地獲取;

  (2)空調系統的冷源與熱源合二為一;夏季提供7℃冷凍水,冬季提供45~50℃熱水,一機兩用;

  (3)空調水系統中省去冷卻水系統;

  (4)無需另設鍋爐房或熱力站;

  (5)要求盡可能將空氣源熱泵冷水機組布置在室外,如布置在裙房樓頂上、陽臺上等,這樣可以不占用建筑屋的有效面積;

  (6)安裝簡單,運行管理方便

  (7)不污染使用場所的空氣,有利于環保;

  1.2 空氣源熱泵機組的種類和發展

  1.2.1 分類

  1.從熱輸配對象分為:空氣/水-空氣源熱泵冷熱水機組,空氣/空氣-空氣源熱泵冷熱水機組;

  2.從容量分為:小型(7kW以下),中型,大型(>70kW);

  3.從壓縮機型式分為:渦旋式、轉子式,活塞式,螺桿式,離心式;

  4.從功能分為:一般功能的空氣源熱泵冷熱水機組,熱回收型的空氣源熱泵冷熱水機組,冰蓄冷型的空氣源熱泵冷熱水機組;

  5.從驅動方式分為:燃氣直接驅動和電力驅動。

  1.2.2 發展

  80年代中期以前空氣源熱泵冷水機組大多采用半封閉往復式多機頭壓縮機。由于調節靈活和壓縮機性能及換熱器性能的改善,機組的性能不斷提高。但在80年代中期以后,螺桿式壓縮機的技術進步很快。它比壓縮式零部件少(為活塞式的十分之一),結構簡單,無進排氣閥,噪聲低,可無級調節,壓縮比大而對容積效率影響不大,故特別適用于氣候偏寒地區的空氣源熱泵和采用冰蓄冷的裝置。因此空氣源熱泵冷熱水機組采用螺桿式壓縮機的越來越廣泛,而且目前螺桿式壓縮機大多采用R-22為冷媒,可延續到2030年才會被禁用。其價格比起其它代替冷媒要便宜的多。目前使用R-22的螺桿式壓縮機的制冷量范圍為:140~3600kW.

  1.3 空氣源熱泵機組的性能系數cop

  1.3.1 全負荷時的cop

  某一工況下,熱泵出力于熱泵入力(功耗)之比為性能系數cop,它是評價熱泵裝置的重要指標。通過分析,不論何種主機,出水溫度對cop的影響,冬季(共熱)比夏季(供冷)大的多。

  1.3.2 部分負荷時的cop

  估量空氣熱源熱泵機組全年運行的經濟時,必須了解各機種的部分負荷性能。部分負荷特性Ф是指制冷機運行負荷率q(%)與耗功率N(%)之比。在夏季,它同樣受室外溫度影響(t出口一定)或出水溫度影響(t室外一定),而部分負荷性能系數cop‘=Фcop全。根據具體情況,部分負荷時的cop’有可能大于滿負荷時的cop,這是由于壓縮機能量調節(卸缸或調速等)而冷凝器、蒸發器的傳熱面積和風量等未能調整而改善了工況,才使機組的部分負荷性能提高。

  1.4 空氣源熱泵機組的能耗分析

  1.4.1 供暖季節能耗分析

  1.平衡溫度點對空氣源熱泵機組的制熱季節性能系數的影響

  對于選定的空氣源熱泵機組,當建筑物的熱負荷較大時,平衡溫度點將增高,使整個供暖季的輔助加熱量的增加,從而導致制熱季節性能系數降低;當建筑物的熱負荷較小時,平衡溫度點將降低,導致整個供暖季的輔助加熱量的減小。同時,由于負荷的減小,機組有更多的時間處于部分負荷下運行。因此,制熱季節性能系數先是增大,然后會有所降低。且在相同平衡點溫度下,各地區使用熱泵機組具有不同的制熱季節性能系數值。

  2.運行方式對空氣源熱泵機組制熱季節性能系數的影響

  一班制時,熱泵機組都在白天運行,而白天時的室外氣溫要高于夜間,這使得在整個供暖季,一班制運行熱泵機組的制熱季節性能系數要高于三班制運行機組。

  作為一種節能技術,要評價空氣源熱泵的節能效應,就必須用到一次能利用率E的概念,一次能利用率在這里指的是熱泵機組的制熱量與一次能耗的比值。空氣源熱泵機組的一次能利用率的提高,一方面有待于進一步改進技術,提高空氣源熱泵的制熱季節性能系數;另一方面則取決于我國平均發配電效率的提高。

  1.4.2 供冷季節能耗分析

  空氣源熱泵的供冷季節能耗分析采用負荷頻率表法。負荷頻率表法是建立在空調負荷與室內外溫差大致成比例這一假設基礎上的。該方法根據室外空氣干球溫度出現的年頻率數(用于全年運行的空調系統)或季節頻率數(用于季節性空調系統)和空調系統的全年或季節運行工況計算出不同室外空氣狀態下的加熱量和冷卻量。在計算出冷(熱)負荷后,再根據冷(熱)源機組的變工況性能表查出相應工況下的供冷(熱)季節小時頻率值相乘,然后累加,計算出冷(熱)源設備的耗能量。

  經過分析,發現供冷季節性能系數與本地區的氣候條件是相一致的,因為供冷季節的氣候越炎熱,室外空氣溫度越高,空氣源熱泵的供冷季性能系數將越低。

  1.5 空氣源熱泵機組與水冷式冷水機組的比較

  1.5.1 占地面積

  單就風冷式制冷機外形尺寸而言,要比水冷式制冷機組的尺寸大,但水冷式制冷機需設置冷卻塔和冷卻水泵,因此水冷機的綜合尺寸較風冷機要大很多。另外,風冷式制冷機一般置于高層建筑的裙樓屋頂或多層建筑的屋頂,其外形尺寸同水冷式制冷機在屋頂設置冷卻塔的占地面積相當,這樣就節省了在建筑物內因設置了制冷機房而多占用的面積。這在寸土寸金的大城市中尤顯優勢。

  1.5.2 系統簡單

  風冷式制冷機因沒有冷卻水系統,使制冷系統變得簡單化,即省去了冷卻塔、冷卻水泵和管路的施工安裝工作量,也減小了冷卻水系統運行的日常維護、保養工作量與維修費用。

  1.5.3 對建筑物美觀的影響

  目前大部分建筑物的水冷式制冷機組,均采用冷卻塔循環水冷卻系統。冷卻塔安裝在大樓屋面,既影響建筑外觀,又與優雅環境不協調。使用冷卻塔常常會遭到審美觀念較強的建筑師的反對。而風冷式制冷機外形方正,高度一般不會超過3m,比冷卻塔要低一半左右,對建筑物外觀影響相對較小。而且風冷機還可防止某些冷卻塔因瓢水而形成的“晴天下小雨”給人們帶來的不便。

  1.5.4 水阻力

  風冷機組水系統的另一特點是,風冷機水側阻力通常為30~50kPa,遠比一般水冷機的水側阻力80~100kPa要小。

  1.5.5 節水方面

  在空調工程上冷卻塔運行中所蒸發與風耗的水量較大,而且無法回收。例如:深圳經協大廈,空調冷卻水的補水量是整個大廈中日常生活用水的一倍。而風冷機卻無須消耗冷卻水。

  1.5.6 部分負荷時的能耗問題

  美國特靈(TRANE)公司曾做過水冷離心式冷水機組和風冷離心式冷水機組在全負荷和部分負荷的耗電量比較:其數據見表1

  表1 水冷機與風冷機耗電量比較

負 荷  制 冷 量
kW  耗 電 量(kW)  風冷式  水冷式  全 負 荷  1160  350  299  2/3 負 荷  774  204  209  1/3 負 荷  387  109  154 

  從表中數據可見,在全負荷時,由于風冷式冷水機組的冷凝溫度高于水冷式機組,故風冷機的壓縮機需要較大的功率,因此風冷式冷水機組耗電量確比水冷機要大,大約大15%左右。但在2/3負荷時兩者基本持平,且風冷機耗電量還略低。而在1/3負荷時,風冷機的耗電量遠遠低于水冷機,大約低30%左右。但由于空調負荷在整個夏季的分布是極不平衡的,甚至在一天之內各時段的負荷也差別很大,故機組在最大負荷下運行的時間是極其有限的,即制冷機大都處于部分負荷下運轉,因此使用風冷機的能耗不比水冷機的能耗大。

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